石油射孔弹爆轰波间叠加和干扰对射流的影响研究

摘 要：本文主要针对石油射孔弹轰间叠加和干扰对射流的影响，期间所使用的分析模型为动力学有限元程序。分析的重点在于不同孔密下某种型号的石油射孔弹的顺序起爆和爆轰波在彼此作用下的相互叠加和干扰情况对聚能射流的影响，在次基础上，对爆轰波叠加和干扰情况下聚能射流的偏转角度进行计算，目的是提高射孔枪盲孔定位的准确性，为其定位设计提供有效的参考资料。

关键词：石油;射孔弹;爆轰波;叠加;干扰;聚能射流;影响情况

油气田开发过程中会产生石油射孔弹，此种物质属于一种聚能爆炸物，可以起到沟通油气层和井筒的作用。石油射孔弹在爆炸的过程中，反应界面会发生相应变化，石油射孔弹爆炸时的炸药会以超声波的形式推进，因此形成巨大的爆轰波。研究人员将爆轰过程看成是流体动力学的变化的过程，爆轰期间会伴随快速的化学反应，并掺杂极高的能量释放。目前研究学者对爆轰波理论的研究还处于不断完善和发展的阶段。其中关于爆轰波理论研究最具代表性的研究人员有柴普曼和柔格创建的C-J理论，C-J理论下没有将化学反应期间的爆轰波的流体力学理论纳入其中。除了上述理论还有捷尔道维、达尔令以及冯纽曼的Z-N-D模型，此种模型主要针对冲击波和化学反应区组合结构的分析。不管是哪一方面的理论，他们所做研究的前提都是一维定常流动。但是理论和实践存在明显的区别，最明显的区别就是体现在石油射孔弹爆轰的过程不是并非一维。实际爆轰过程中可能因为横波的存在，呈现出三维的立体结构，分析聚能射流角度变化的原因就是在于两个一样强度的爆轰波彼此叠加干扰。

实际油气井生产中最长采用的射孔枪的孔密度是小于20孔/m，但是高孔密石油射孔的射孔枪密度则可以达到30孔/m以上，40孔/m以下。本篇文章主要分析了高孔密石油射孔弹爆轰波叠加和干扰现象，并在此基础上构建了数值模型，分析此种现象对聚能射流的影响，由此得出三维立体模型，借助三维立体模型得出相应的模拟结果。目的是提高射孔枪的盲孔定位的准确性，为其定位设计提供有效的参考资料。

1 数值计算模型的构建

1.1 模型几何尺寸的确定

图1    模型截面尺寸具体数值

本文选取的案例为油氣井工程中经常采用的圆锥形药型罩聚能射流，借助动力学有限元程序对聚能射流展开分析。假设40.0mm为装药高度，2.0mm为药型罩壁厚，70°为药型罩锥角，当两发射孔弹相位角一样时，对模型截面尺寸进行计算，具体尺寸计算结果如图1。分析整个爆轰过程的前提是药型罩材料与炸药均为连续介质，且整个的爆轰过程属于绝热过程。

1.2 建立模型及确定材料参数

建模期间离不开动力学有限元程序，该程序可以对计算模型进行划分，注意划分计算模型期间不可缺少的工具就是SOLTID162单元。模拟数值期间药型罩在爆炸作用下，会形成射流。射流在整个的反应过程中会发生较大程度的变化，基于此为了应对此种变化就需要构建自适应网格。其中采用CONTACT-2D-AUTOMATIC-SURFACE-TO-

SURFACE接触算法对金属罩和炸药之间展开计算，金属罩自身则采用CONTACT-2D-AUTOMATIC-SIN-GLE-SURFACE接触算法计算。

2 结算结果分析及讨论

石油井实际生产中10-40孔/m是射孔枪最常使用的射孔枪孔密。在演示模拟的过程中可以得出，射孔枪孔密在10孔/m时，射孔弹间爆轰波为正规反射，其原因是两发射孔弹距离较远，两发射孔弹之间不会产生较为显著的叠加和干扰，此时也不会对聚能射流造成较为严重的影响。基于此对石油射孔弹弹间爆轰波叠加干扰下对聚能射流造成影响的分析是在孔密为13、16、20、40孔/m下进行的。对本次研究结果进行过分析，可以发现两发射孔弹弹间距为13孔/m时，出现叠加现象的情况是在弹间爆轰波为10us时，但是此种并不会对聚能射流造成影响。一直发展到15us，此时的两发射孔弹正好处于压垮药型罩形成且出现射流状态时，此时的爆轰波会被干扰，进而影响聚能射流，使其发生偏转，但是此种聚能射流偏转的角度还不是太大。而当16孔/m为弹间距时，干扰明显加强是在15us时，此时聚能射流的偏转角度会发生显著变化，但是偏转的幅度还是在误差允许范围之内。一旦孔密为20孔/m，聚能射流进行压垮药型罩阶段是在10us时，该时段的爆轰波彼此之间相互叠加并相互干扰，其中叠加和干扰最严重的程度出现在20us时，该时段叠加干扰最严重的爆轰波为药型罩压垮轴线附近的爆轰波，此时对聚能射流偏转角度产生的影响远远超出误差允许范围，不能忽略不计。现阶段高孔密射孔枪是石油开采过程中最常使用的射孔枪，射孔枪的孔密为40孔/m，对此种孔密的射孔枪进行观察，可以发现爆轰波叠加和干扰最明显的阶段是在起爆后的10us，而进入20us时，聚能射流会出现明显变化，延长程度会更长，爆轰波叠加和干扰影响更为明显，此时聚能射流的偏转角度是非常大的。该时段爆轰波对聚能射流的影响不可小觑，需要构建计算模型对射流偏转角度进行分析，以便提高射孔枪盲孔定位的准确性，为其定位设计提供有效的参考资料。

3 分析聚能射流偏转角度受爆轰波叠加和干扰的影响

对本次研究的爆轰波对聚能射流产生的影响进行分析，发现爆轰波叠加和干扰对聚能射流偏转角度影响不可忽视的情况是在弹间距大于20孔/m时。因此在此基础上结合模型模拟的数据参数，对爆轰波叠加和干扰对聚能射流偏转数值进行计算，可以得出以下计算结果。见表1。

对上述表格不同孔密下两发弹的射流偏转角度进行分析，发现不同孔密下两发弹的射流偏转角度，与孔密大小成正相关的关系，孔密增加的过程中偏转角度也会增大。换句话说弹间距越小，爆轰波之间叠加和干扰成程度会越大，此时射流偏转角度也会越大。

4 结语

综上所述，对本次研究结果进行梳理，发现在动力学有限元理论下，可以顺序起爆两发射孔弹，并对爆轰波之间的叠加和干扰进行数值模拟分析。在数值模拟分析中可以发现石油射孔弹在孔密不一样的情况下，爆轰波之间的叠加和干扰情况也是不一样过的，且爆轰波孔密逐渐增大，爆轰波之间叠加和干扰程度也会越来越强，在此基础上对聚能射流产生较大程度影响。总而言之，对石油射孔弹爆轰波间叠和干扰对射流偏转角度的影响进行分析，可提高射孔枪盲孔定位的准确性，为其定位设计提供有效的参考资料。

参考文献：

[1]李艳圃，韩秀清，董小刚.石油射孔弹爆轰波间叠加和干扰对射流的影响研究[J].工程爆破，2010，16（2）：19-21.

[2]李艳圃，韩秀清，董小刚，等.石油射孔弹爆轰波相互作用数值模拟分析[J].长春工业大学学报（自然科学版），2010，31（2）：121-125.

[3]曹银萍，李明飞，窦益华，等.爆轰与聚能射流下射孔枪和套管的 应力强度耦合仿真分析[J].石油钻采工艺，2019，41（4）：480-488.

[4]曹丽娜，韩秀清，张永光，等.射孔弹爆轰波间干扰的有限元分析[J].爆炸与冲击，2011，30（2）：220-224.

作者简介：

刘志超（1987- ），男，籍贯：河北唐山，职称：助理工程师，研究方向：石油射孔。