付代軒, 雷新華, 趙世華

(四川石油射孔器材有限責任公司, 四川 隆昌 642177)

0 引 言

近年來,隨著中國油氣田開采的不斷提速發(fā)展、勘探開發(fā)力度的加大和所鉆進的地層日趨復雜,經(jīng)常會出現(xiàn)卡鉆、井漏等工程事故。處理這類事故需要使用穿孔彈對鉆桿、油管或者套管進行穿孔,以便于快速建立循環(huán)通道,實現(xiàn)鉆桿快速解卡、壓井堵漏等搶險施工的目的。

本文研究將亞半球罩聚能裝藥應用于穿孔彈,這種穿孔彈解決了常規(guī)穿孔彈通用性差、穿孔孔徑小且對套管傷害較大的缺點,減少了施工過程的風險和復雜性。

1 亞半球罩聚能裝藥的研究

油氣井用射孔彈利用了炸藥的空穴聚能效,在這其中藥型罩的作用就是將炸藥爆炸后的爆轟能量轉換成金屬射流的動能。聚能裝藥的藥型罩的形狀主要有錐形、半球形、喇叭形、雙曲線形、雙錐形和球錐結合形等(見圖1)。

圖1 常見聚能裝藥的藥型罩結構

理論分析表明,穿孔深度與射流的有效長度成正比,剛剛形成的射流,其長度大致與藥型罩的母線長度相等。在口徑相同的情況下,喇叭形藥型罩母線最長,錐形次之,半球形最短。傳統(tǒng)的油氣井聚能射孔彈通常都是使用喇叭形或者錐形的藥型罩,并采用較小的藥型罩錐角以提高射孔彈的穿深。對于穿孔彈,其主要目的是穿孔,同時又要避免或盡可能減小對穿孔目標后方物體的傷害,因此穿孔彈通常都是采用大錐角加大半徑的藥型罩頂部的結構(見圖2),但是采用這種藥型罩結構的穿孔彈穿孔孔徑通常較小,且穿孔后還有可能對下一層油套管造成較大傷害,且針對不同直徑、壁厚的油套管組合需要設計采用不同的藥型罩粉末配方和工藝,通用性較差。

桿式射流(Rod-like Jet)屬于聚能侵徹體的一種較新概念,其主要特點是與EFP(爆炸成型彈丸)一樣沒有明顯的杵體和射流之分,侵徹能力可以達到3～5倍裝藥口徑。與普通錐角罩聚能射流相比,具有對炸高不敏感、藥型罩利用率高和后效大的特點。與EFP和穿甲彈相比,聚能桿式侵徹體比EFP飛行速度更大、長度更長、斷面比動能更大、侵徹能力更強。亞半球罩聚能裝藥[1]是采用近小半球形的藥型罩,其特點是形成的射流質量大,速度2～6 km/s范圍內(nèi)。在彈藥應用方面,由于其穿透性能比錐形藥型罩聚能裝藥要差,所以,長期以來其主要用于穿透“軟”目標,如水、土壤或混凝土以及空間的和層壓的目標。

圖2 舊穿孔彈藥型罩結構

圖3 亞半球藥型罩結構

亞半球罩(見圖3)射流的成型過程不同于錐角罩,因此許多用于錐角罩的成型分析理論并不適用于亞半球罩[2-3]。從高速攝影和數(shù)值分析的研究可知,無論球缺罩的罩頂高度多大,在運動中都將發(fā)生翻轉,罩體組成微元在成型過程中一直保持連續(xù),沒有錐角罩中出現(xiàn)的單元重組過程[4](見圖4)。

圖4 亞半球罩成型中各微元運動示意圖

研究表明(見圖5、圖6),錐形罩聚能裝藥形成的射流形狀不規(guī)則,頸縮現(xiàn)象比較明顯,特別是射流頭部聚合程度不是很好,很容易引起射流提前出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象,如斷裂和發(fā)散等。錐形罩聚能裝藥形成的射流速度梯度很大,是亞半球罩聚能裝藥速度梯度的7.5倍左右,隨著時間的增加,錐形罩聚能裝藥形成的射流將快速拉長而出現(xiàn)斷裂發(fā)散[5]。從圖5可以看出,亞半球罩聚能裝藥形成的射流形狀比較規(guī)則,成一長桿形,射流與杵體的區(qū)分不是很明顯。亞半球罩聚能裝藥形成的射流看不到頸縮現(xiàn)象,速度梯度也比錐形罩聚能裝藥的要小得多。

圖5 亞半球罩聚能裝藥射流形成仿真

圖6 錐形罩聚能裝藥射流形成仿真

桿式射流侵徹體的直徑要比一般聚能射流的直徑要大的多,它的穿孔直徑也會比較大。根據(jù)這一系列的理論研究,可以考慮將亞半球罩聚能裝藥結構應用于穿孔彈的研究上。

2 亞半球罩穿孔彈的研究

2.1 有槍身穿孔彈及射孔器總體結構設計

穿孔彈采用有槍身裝槍的結構方案,分別完成了亞半球罩的結構設計以及有槍身穿孔彈的結構設計(見圖7)。其整體裝槍結構示意圖如圖8所示。

圖7 有槍身穿孔彈結構示意圖 圖8 有槍身穿孔器總體結構示意

穿孔彈的藥型罩配方采用了鎢銅混合金屬粉末,主裝藥采用了HMX炸藥的混合炸藥。

2.2 有槍身穿孔彈穿孔性能試驗

根據(jù)有槍身穿孔彈的使用條件,設計了穿孔模擬試驗方案,試驗裝置示意圖如圖9所示。

圖9 穿孔彈模擬穿孔示意圖

初始試驗設計針對73型油管進行穿孔,由于射孔槍下井后在油管中的位置比較隨機,而射孔彈在射孔槍體內(nèi)為螺旋分布,因此試驗中槍管和油管之間的間隙條件分別取了0 mm、中間隙6 mm、高間隙11 mm,介質為清水。試驗數(shù)據(jù)如表1所示,試驗后各模擬部件的圖片如圖10所示。

分別對穿孔器+89型油管+178型套管、穿孔器+102型油管+178型套管、穿孔器+114型油管+178型套管、穿孔器+89型油管+127型套管的結構分別進行試驗。試驗所使用的穿孔彈其粉末藥型罩配方以及工藝均與前一試驗一致。試驗結果如表2所示。

從表2中數(shù)據(jù)可以看出,在使用了亞半球罩聚能裝藥后,采用同一金屬粉末配方以及工藝壓制出的穿孔彈,在模擬不同油管和套管組合進行穿孔試驗時,各種間隙條件下均能可靠地實現(xiàn)對油管的穿孔,最小穿孔孔徑都可以達到7 mm以上,最大穿孔孔徑可以達到10 mm,而常規(guī)錐形罩穿孔彈穿孔孔徑僅為5～7 mm。因此采用這種穿孔彈的穿孔器就能夠實現(xiàn)多相位穿孔,有效降低爆炸后沖擊波對射孔槍體的破壞作用,同時還能夠簡化穿孔施工工藝。而采用常規(guī)錐形罩穿孔彈的穿孔器通常很難達到這種效果。

圖10 穿孔彈穿孔效果

表2 不同穿孔條件下穿孔試驗結果

穿孔彈在穿透油管后對套管的傷害均較小,從表2中試驗數(shù)據(jù)可以看出,無論哪種條件,射流對套管的最大傷害均不超過2 mm。而常規(guī)錐形罩穿孔彈穿孔孔徑較小,普遍在7 mm以下,穿透油管后對套管的傷害通常會受到射孔槍在油管中位置的影響,在間隙小的情況下有可能對套管帶來更大的傷害,甚至有可能射穿套管。這主要是因為亞半球型藥型罩聚能裝藥結構形成的桿式射流具有對炸高和間隙不敏感的特點,這一特點使新型穿孔彈能夠適用于多種油管套管組合條件,解決了原有穿孔彈通用性不強的問題。

2.3 有槍身穿孔彈現(xiàn)場應用

新型亞半球罩穿孔彈自研制成功,已經(jīng)在川渝地區(qū)、塔里木油田等數(shù)十口井次的油管穿孔施工中獲得了成功應用,穿孔目標包括4in*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同、2in、3in油管以及5 in套管等,從穿孔后施工方反饋,穿孔效果非常理想,要大大優(yōu)于原有的穿孔彈產(chǎn)品,為井下工程事故的快速解決提供了技術保障,降低了施工過程的風險和復雜性。

3 結束語

(1) 亞半球罩聚能裝藥形成的桿式射流具有侵徹能力大、藥型罩利用率高、后效大和對炸高和間隙不敏感等特點。

(2) 采用這種聚能裝藥結構的穿孔彈具有3個特點:穿孔孔徑大,穿透油管后對套管的傷害小;簡化了復雜的藥型罩配方和生產(chǎn)工藝,能夠實現(xiàn)多相位穿孔和單相位穿孔;通用性強,能夠滿足不同井況條件的需求。

(3) 采用了亞半球罩聚能裝藥結構的穿孔彈為快速解決工程事故提供了更為有效的技術保障,降低了施工過程的風險和復雜性。

參考文獻:

[1] 呂兵. 半球形藥型罩空心裝藥的特性 [J]. 彈箭技術, 1995(2): 27-41.

[2] 何順錄, 魯春, 馮順山. 半球罩聚能裝藥的射流形成及參數(shù)計算 [C]∥破甲文集, 1987.

[3] 曾必強, 姜春蘭, 王在成. 穿孔球缺罩形成桿式射流數(shù)值模擬研究 [J]. 含能材料, 2007(3): 257-260.

[4] Pei Chi Chou, Wdhar II J, Flis, Cokin M Forsyth. A Simplified Model of Jet Formation in Hemispherical Shaped Charges [J]. the 9th int symp, Ballistics, 1986(4).

[5] 廖海平, 黃正祥, 張先鋒, 等. 亞半球罩聚能裝藥的桿式射流特性研究 [J]. 彈箭與制導學報, 2008, 28(6): 91-94.