一种含有活性材料的双效射孔弹性能研究_屈璟林.pdf

2023 年 第 5 期 化学工程与装备 2023 年 5 月 Chemical Engineering&Equipment 5 一种含有活性材料的双效射孔弹性能研究 一种含有活性材料的双效射孔弹性能研究 屈璟林1，雷赪文1，宋 立2，李静宇3，马日春1（1北方斯伦贝谢油田技术（西安）有限公司，陕西 西安 710065；2中国石油华北油田分公司开发部；3中国石油渤海钻探公司井下作业分公司，河北 沧州 062550）摘 要：摘 要：目前射孔后地层形成的致密压实带成为影响石油油气层产量的重要因素，基于此，本文将军用破甲活性破片研究技术领域采用的活性含能材料引入到聚能射孔弹设计中，采用变壁厚双层药型罩设计方案，通过 LS-DYNA 有限元分析软件模拟射流形态，进行射孔弹试验验证。结果表明：与等壁厚单铜罩相比，加入活性材料的变壁厚双层药型罩所形成的射流与其基本一致，但是头部速度提高了 9.8%，达到 6794m/s，较之前者射流性能有较大提升。相比深穿透射孔弹，双效射孔弹侵彻铝靶、API 标准环靶、砂岩靶时，穿深孔径均有不同程度的提高，孔道情况明显改善，且射流末端可形成更多裂缝。关键词：关键词：射孔弹；双层药型罩；射流；仿真模拟；打靶试验 射孔是油气资源勘探开发最重要的环节之一，在油气田勘探开发的中后期，我国中、低渗透及致密砂岩油气层在开采层中占较大比例，尤其是近几年来，国家大力投资开发页岩气、致密气、致密油等非常规绿色能源对射孔工艺技术尤其是聚能射孔弹的性能提出了更高要求1,2。为提高采收率，解决因致密压实带影响油气层产量问题3，本文在现有聚能射孔弹产品性能的基础上，通过理论创新和技术创新，将军用破甲活性破片研究技术领域采用的活性含能材料引入到聚能射孔弹设计中，研制一种具有破解常规聚能射孔弹产生的压实带堵塞污染的新型产品。该弹型不影响射流穿孔深度，同时能够将活性材料能量在孔道中释放产生弱爆炸或爆燃压裂作用，改善孔眼渗流特性，提高油气井产量，推进油气井射孔弹由“射孔生产器材”向“射孔增产器材”方向发展。1 双效射孔弹原理 1 双效射孔弹原理 含有活性材料的聚能射孔弹利用聚能炸药装药和经过特殊工艺加工而成的高密度活性材料组合，聚能装药产生的高速金属射流对井下套管和地层穿孔之后，活性材料在爆炸冲击波作用下可形成带有显著输出能量的中间物质，此物质在孔道和地层中产生剧烈的二次能量爆炸或爆燃毁伤效应，对射孔孔道和近井带进行冲刷，通过高能毁伤效应作用能有效降低地层破裂压力，破碎射孔压实带，清洁射孔通道，扩大孔容，达到提高油井产量和水井注水量的目的。2 含能材料反应机理 2 含能材料反应机理 由于使用的活性材料将与炸药、药型罩长时间接触，因此对待选的配方同时进行安全性、相容性试验，以便选择高能、安全的活性材料配方体系4，5。本文拟采用聚四氟乙烯+铝、铝+镍+钛、铝+镁等活性材料进行配方的组合及优化，设计出高能的活性材料配方。油气田井下套管环空和射孔孔道都含有油水介质，超 细纳米级铝粉（AL）、镍粉（Ni）、镁粉（Mg）和聚四氟乙烯（C2F4）等材料都具有很好的活性6。在一定的环境条件下会发生如下放热反应：金属与水的放热反应：（1）金属之间在爆炸压力条件下的放热自维持反应：（2）（3）3 药型罩结构设计 3 药型罩结构设计 因药型罩的锥角与射流速度紧密相关，因此聚能射孔弹最关键的设计为其药型罩的结构，锥角越小，射流速度越高，穿深越深，反之射流质量较大，稳定性好，孔径增大，但穿深降低。取大锥角时，射流质量较大，稳定性好，孔径增大，但穿深降低。药型罩最佳壁厚与罩锥角、罩口径均正相关，与罩材料密度负相关。采用顶部薄、口部厚的变壁厚药型罩可通过增加射流速度梯度拉伸射流长度的方式提高穿深，因为该设计可有效降低射流尾部速度的同时提高头部速度，从而增加穿深。但如果壁厚结构设计不合理，反而会降低穿深。根据研究7，8，多层药型罩比单金属药型罩具有更合理的能量转换与吸收机制。为有效拉伸射流长度，提高穿深，本文采用活性材料与金属罩组成的锥面与曲面多段组合的变壁厚双层罩结构，该双层罩在轴线方向上具有线性到非线性的壁厚变化特点，以确保可靠增加射流梯度。下图 1 为双效射孔弹所采用的双层复合药型罩实物图。外罩为含有活性材料的反应罩，内罩为深穿透药型罩。DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.05.0616 屈璟林：一种含有活性材料的双效射孔弹性能研究 图 1 双层复合药型罩 4 变壁厚双层药型罩的数值模拟 图 1 双层复合药型罩 4 变壁厚双层药型罩的数值模拟 在同等的条件下对加入活性材料的变壁厚双层药型罩和单铜药型罩进行数值模拟计算。数值模型由炸药、药型罩和空气 3 部分组成，且 3 种材料均采用欧拉网格建模，单元使用多物质 ALE 算法。采用 LS-DYNA3D 模拟软件，进行计算分析，起爆方式为顶端中心点起爆。变壁厚双层药型罩的内层药型罩采用密度大、塑性好，易于形成侵彻射流的紫铜材料，外层药型罩则采用密度、熔点、气化点以及阻抗均较低的铝材料，密度为 2.785g/cm3,本构方程采用 Johnson-Cook进行模拟仿真。铜铝变壁厚双层药型罩的射流参数与单铜罩射流参数对比如表 1 所示。表 1 铜铝变壁厚双层药型罩射流参数与单铜药型罩射流参数对比 表 1 铜铝变壁厚双层药型罩射流参数与单铜药型罩射流参数对比 药型罩结构 壁厚/cm 头部速度/（ms-1）头尾距离/cm 侵彻体形态 铜铝双层罩 0.2 6794 24.98 单铜罩 0.2 6187 21.78 仿真结果表明：与等壁厚单铜罩形成的射流相比，加入活性材料的变壁厚双层药型罩形成的射流与其基本相似，且射流的头部速度可达 6794m/s，提高了 9.8%，射流性能有较大提升。5 试验研究 5 试验研究 在同等的条件下，对分别采用变壁厚双层药型罩和深穿透药型罩制成的聚能射孔弹进行地面条件下的铝靶、API 标准环靶、砂岩靶侵彻试验。5.1 侵彻铝靶试验 采用 DP44 型射孔弹，侵彻铝靶，评价两种弹型对铝靶的侵彻能力，两种弹型装药量都为 38g，炸高 60mm，铝靶的尺寸均为80mm500mm，试验结果如表 2 所示，孔道如图2 所示。表 2 侵彻铝靶对比试验结果 表 2 侵彻铝靶对比试验结果 双效射孔弹 深穿透射孔弹 数据对比 铝靶尺寸 80mm500mm 80mm500mm/穿深 307mm 262mm 17%入孔孔径 18.8mm18.4mm 14.7mm14.3mm 25%孔容 18ml 14ml 28.6%a)铝靶弹剖开图 b)孔道局部放大图 图 2 侵彻铝靶所形成的孔道 图 2 侵彻铝靶所形成的孔道 试验结果表明：DP44 型双效射孔弹比深穿透射孔弹穿深孔径均有不同程度的提升，孔容提高 28.6%，且双效射孔弹铝靶的孔道明显更为光洁平整。5.2 侵彻 API 标准环靶试验 采用 102 装抢，进行 API 标准环靶试验，枪厚 5mm，套管厚 8mm，炸高 15mm，枪外间隙 15mm，装枪密度 16 发/米，双效射孔弹与深穿透射孔弹各 8 发，试验结果如表 3 所示，孔道如图 3 所示.a)环靶试验装抢图 b)射孔孔道 图 3 API 环靶试验结果 图 3 API 环靶试验结果 屈璟林：一种含有活性材料的双效射孔弹性能研究 7 表 3 API 标准环靶对比试验结果 表 3 API 标准环靶对比试验结果 双效射孔弹 深穿透射孔弹 API 混凝土靶平均穿深 873mm 862mm 套管平均入孔孔径 13.8mm 13.2mm 试验结果表明：侵彻 API 标准环靶时，与深穿透射孔弹相比，DP44 双效射孔弹模拟套管穿深稍大，入孔孔径大，双效射孔弹形成的孔道无岩石碎屑等杂质，且孔道较粗末端形成较多裂缝。5.3 侵彻砂岩靶试验 同等条件下，采用 102 装枪，进行砂岩靶试验，模拟枪厚 5mm，套管厚 8mm，炸高 15mm，枪外间隙 15mm，砂岩靶高700mm，试验装置内加满清水，试验结果如表 4 所示，孔道如图 4 所示。表 4 砂岩靶对比试验结果 表 4 砂岩靶对比试验结果 双效射孔弹 深穿透射孔弹 砂岩靶尺寸 200mm700mm 200mm700mm砂岩靶平均穿深 450mm 448mm 套管平均 入孔孔径 14.4mm 13.1mm a）双效射孔弹 b）深穿透射孔弹 图 4 砂岩靶试验结果 图 4 砂岩靶试验结果 实验结果表明：较之深穿透射孔弹，DP44 型双效射孔弹模拟套管穿深稍大，入孔孔径大，靶裂缝多且宽，靶子破碎严重，孔道干净光滑，且尾部有菜花状铜基粉末分布痕迹。6 结 论 6 结 论（1）通过理论分析及数值模拟计算，与等壁厚单铜罩相比，铜铝变壁厚双层药型罩射流性能有较大提升，且易于成型。（2）以 DP44 深穿透型射孔弹为例，通过打靶试验，加入活性材料的双效射孔弹从穿深、孔径上均有不同程度的提高，更重要的是射流在孔道末端形成更多裂缝，且孔道光滑干净。该研究成果可为解决因致密压实带影响油气层产量问题提供重要理论支撑。参考文献 参考文献 1 何建春,赵健博.油气井射孔技术的现状及发展J.石化技术,2018,25(10):277.2 邹良志.油气井复合射孔工艺技术分析J.国外测井技术,2013(1):63-66,62.3 郭建亭.有序金属间化合物镍铝合金M.北京:科学出版社,2003.4 陆必志,龙坚战.Ni-Al 金属间化合物合成机理的研究J.硬质合金,2011,28(05):276-282.5 范美强,曾巨澜,邹勇进,等.铝水推进剂用铝基复合材料的制备及性能研究J.固体火箭技术,2007(06):510-513.6 万俊,蔡水洲,刘源,等.推进剂用铝粉与水反应特性研究J.固体火箭技术,2012,35(02):207-211.7 郑宇,王晓鸣,李文彬,等.双层药型罩射流形成的理论建模与分析J.火炸药学报,2008(03):10-14.8 赵海平,刘天生,石军磊,等.双锥结合罩射流特性影响因素的模拟研究J.火工品,2018(02):35-39.