摘要：目前，我国的经济在迅猛发展，社会在不断进步，科学技术发展十分迅速，高温高压深井中，射孔枪射孔前承受井筒压力;射孔爆轰过程中承受射孔瞬间的冲击波压力。盲孔处易出现应力集中现象，这都会使射孔枪的整体性和强度安全性都降低。因此，本文研究盲孔结构及深度、射孔参数对射孔枪强度的影响。利用ANSYS数值模拟分析方法，建立有限元模型，自由网格划分，两端施加固定全约束，改变外压，分析盲孔结构及深度对射孔枪抗外挤强度的影响。研究表明，采用孔密20孔/米，孔径lOmm，相位角900布孔，当盲孔结构不同，等深外盲孔高于不等深外盲孔;当盲孔深度在3.5-6.5mm时，抗外挤强度随着盲孔深度的增加而逐渐减小，降低31.46%，且当盲孔深度从5.5-6.5mm时，下降程度最大。改变内压，分析射孔参数对射孔枪抗内压强度的影响。研究表明，当孔密在8-24孔/米，抗内压强度随孔密的增加共降低约8.84%，且当孔密从16-20孔/米，降低程度最大，约降低6.78%;当孔径在4-18mm,射孔枪抗内压强度随孔径的增加总共降低约20.26%，且当孔径在4-6mm，降低程度最大，降低9.26%，影响显著;当相位角在300-1800，抗内压强度随相位角增加而降低，约降低4.94%。
关键词：射孔枪；有限元；盲孔参数；射孔参数
引言
现代高温高压深井试油完井往往采用射孔测试(完井)联作,以避免工程风险,提高工作成效。在现场作业过程中,经常会出现这样的情况,射孔、测试正常,地面也取得了预计的参数,然而试油结束,压井后起管柱时却起不了管柱。被迫倒扣或切割油管起出上部油管后发现,封隔器及其以下射孔枪的射孔枪串作为“落鱼”被卡在井下。
1有限元模型
射孔枪的外径为177.8mm,内径为152.4mm,壁厚25.4mm。由于射孔过程中射流速度较高,仅就射流开孔过程而言,每组射流之间几乎没有相互之间的影响,因此,在本文的计算中,仅考虑一组射流作为研究对象,以分析射孔枪参数与射流开孔过程之间的相互作用。在爆轰之后,聚能弹表面的材料被熔化为液态,然后冲击射孔枪管壁,但是由于射流速度很高,并作为第一步的工作,金属流被简化为一个圆柱体,直径为10mm。射流的速度一般在1000m/s～8000m/s的范围,射流冲击射孔枪管壁的时间为微秒级别,此时射孔枪的膛压还非常小,几乎可以忽略,但当爆轰之后达到毫秒级别,膛压才会比较明显,这也是本文将膛压变化与射流冲击分开模拟的原因。通过模拟不同盲孔直径、不同孔深、不同射流速度等情况下的碰撞过程,研究不同情况下射流开孔的情况,并判断开孔形貌与射孔枪参数的关系。为减小射流开孔的阻力,通常会在射流穿出部位开盲孔,使管壁局部变薄,而这个部位正是射孔枪设计中特别需要关注的部分,因此,射孔弹穿出部位网格局部加密。射孔弹的挂置方位以及密度,即射孔枪管壁的开孔方式,会对油井效率产生非常明显的影响,因此,需研究不同开孔布列方式下射孔枪可以承受的膛压,为合理地给定射孔弹的弹药量提供必要的设计依据。本文对135°射孔弹布置的射孔枪进行模拟,研究开孔对射孔枪管壁极限膛压的影响，共划分7948个壳单元和8067个节点,取1/2射孔枪管壁模型,并在一端使用对称约束条件,另外一端固支。射孔枪管壁承受20MPa的水压,即模拟射孔枪位于水深大约2000m处。
2高温高压深井射孔枪结构参数优化及数值模拟分析??
2.1身寸孔枪的材料性质、基本假设及几何模型
将射孔枪看成厚壁圆柱壳体，承受内压P1，外压P2，轴向荷载Fs，利用弹性力学理论进行弹性分析，内半径a、外半径b、壁厚t，外径D，内径d=D-2t或2(b-t）或者2ao取型号SQ89x8.8mm的射孔枪，其外径D=89mm，壁厚t=8.8mm，内径d=71.4mm。选用32CrMo4作为射孔枪的材料，其性能指标有屈服强度945MPa，抗拉强度1040MPa弹性模量206GPa，泊松比0.25，密度7900kg/m3。取射孔枪建模长度L=1OOOmmo假定将89型210MPa射孔枪被下入到5000米油气井中，它的屈服极限为945MPao射孔枪内部压力包括对射孔枪的内壁的挤压作用以及射孔弹炸药冲进地层的摩擦阻力;射孔枪的外压基本上是泥浆力和地层力，并假设射孔枪的外力是均匀的地层应力和泥浆力，轴向拉力载荷是温度应力，忽略自身重量，射孔枪中大量射孔子弹的堆积将导致射孔枪内的温度升高，从而产生轴向力。综之，0.02MPa/m的压力梯度，射孔枪受到外压为Po=1OOMPa，这将导致温度升高。假设表面温度为200C，井深增加200米，则井底温度升高60C时，深度为5000m的井底温度为T=20+5000/200X6=1700C。假设内外表面温度相同，温度应力可根据经验公式为67MPa。外部压力和轴向力是己知的，改变内压，通过有限元模拟计算了射孔枪内压抗压强度受射孔参数的影响。
2.2射孔孔边应力集中及射孔套管剩余强度分析
至于射孔套管强度降低致使套管变形卡枪,是可以验证的。然而,无论是理论推导的公式,还是有限元模拟结果,或是试验结果,国内常用的每米16孔,甚至每米39孔的孔密,30、45、60、90、120°相位角射孔参数下,射孔套管强度最多降低10%。按此计算,目前射孔测试联作发生卡枪,且可以排除井筒准备、地层出砂、射孔炸枪、水力锚不能收缩的井,而且射孔段套管的剩余强度都比其承受的压差高,并有1.5以上的安全系数。那么,为什么还会卡枪呢对目前国内外有关射孔套管剩余强度分析的文献仔细研究后发现,这些文献都只考虑了射孔对套管承载截面(惯性矩)的削弱,而未深入分析射孔孔边应力集中及其对套管剩余强度的影响。其主要原因在于,射孔套管孔边应力集中及其剩余抗挤强度分析是一个非线性问题,很难得到解析解,更难用试验验证。
结语
本文主要研究了射孔枪等效应力影响因素、射孔枪未射孔前盲孔结构及深度对射孔枪抗外挤强度的影响、射孔爆轰爆炸过程中射孔参数对射孔枪的抗内压强度的影响。通过对大量文献的研读和分析，可以发现现有国内外对射孔枪的研究主要集中射孔枪胀形问题、螺纹连接问题，现场应用问题、基于加权最小二乘支持向量机的射孔枪结构优化设计、残余应力分析、射孔枪性能试验、射孔弹穿深性能分析、盲孔结构及深度对射孔弹的穿深性能的影响、井下爆炸载荷和冲击响应对射孔枪承压能力的影响等。关于具体研究射孔枪的抗外挤强度和抗内压强度的文章却相对少之又少，因此本文鉴于实际情况，对未射孔前盲孔结构及深度对射孔枪抗外挤强度的影响、射孔爆轰过程中射孔参数对射孔枪的抗内压强度的影响进行了研究。
参考文献
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