89型210 MPa射孔槍結構優化設計

李奔馳，唐　凱，陳華彬，陳　鋒，任國輝，馬　峰

(1.中國石油川慶鉆探工程公司 測井公司，重慶 400021；

2.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京100081)①

?

89型210 MPa射孔槍結構優化設計

李奔馳1，唐凱1，陳華彬1，陳鋒1，任國輝1，馬峰2

(1.中國石油川慶鉆探工程公司 測井公司，重慶 400021；

2.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京100081)①

摘要：根據國內深層油氣藏超高溫、超高壓儲層特征，研制超高溫超高壓射孔槍及組件。提出改善超高壓射孔槍整體耐壓性能的新結構與成型控制技術，研制出工作壓力為210 MPa的89型超高壓射孔槍。經過260 MPa極限壓力性能試驗驗證，該射孔槍的安全系數高。在塔里木油田克深9區塊現場成功應用。

關鍵詞：超深井；射孔槍；結構；設計優化

1高強度射孔槍原材料優化

射孔槍是在井下復雜環境中工作，需要承受來自井筒液體和起爆時沖擊波的作用，因此射孔槍必須承受來自井筒很高的外部壓力，射孔瞬間還要承受射孔彈爆炸形成的沖擊波。

由拉美公式和第三強度理論公式

(1)

式中：pr為槍管所能承受的外壓；b為槍管外徑；a為槍管內徑；σ為材料屈服強度 。

考慮兩種材料的屈服強度不同，將表1的參數代入式(1)計算可得，采用這兩種材料制造的89型射孔槍都能在210MPa的高壓環境下安全使用。但是，在所受最大外壓相同的情況下，可將材料A的槍管壁厚減少10%。

表1　210 MPa射孔槍理論計算參數

表1中的屈服強度是在常溫下測定的，但在超高溫情況下，槍管材料的屈服強度和抗拉強度均會下降。本文通過對射孔槍槍管原材料在高溫下的拉伸試驗分析，得到不同溫度下的屈服強度和抗拉強度。如圖1。

從試驗得到的數據可以看出，屈服強度在100 ℃時下降5.5%，150 ℃時下降9.3%，200 ℃時下降12.3%，250 ℃時下降15.2%。由上述數據并且結合式(1)可以看出，槍管在高溫下的耐壓性能也會按照該溫度下屈服強度所下降的相應比例下降。

為驗證89型射孔槍承受210 MPa高壓的性能，將射孔槍委托給第三方檢測機構進行超高壓試驗。在高壓釜中最高壓力260 MPa下槍體仍保持完整性。

圖1　溫度對槍管材料性能的影響

雖然射孔槍強度和壁厚成正比關系，但壁厚的增加會影響射孔參數彈的裝配和射孔性能，因此可以利用屈服強度更高的材料達到提高射孔槍強度的目的。本文采用了具有高強度性能的材料B作為射孔槍槍管原料，在和原有175 MPa射孔槍相同壁厚情況下，將工作壓力指標提高到210 MPa。

2結構設計優化

為提高射孔槍的承壓指標，首先使用了一種具有高屈服強度的新材料作為射孔槍原料，在不增加壁厚的情況下，將射孔槍耐壓指標由原來的175 MPa提升到210 MPa。為進一步鞏固射孔槍的耐壓性能，本文通過對新材料的選用及結構的優化改進，使射孔槍的整體承壓強度和性能有了很大的提高。在原有射孔槍結構的基礎上，為接頭密封面設計了全新的密封方式，在原有O形密封圈的基礎上增加了擋圈，提高了O形密封圈在極限高壓條件下的穩定性。為彈架增加支撐環結構，并且設計了接頭聚能傳爆結構，提高槍與槍之間傳爆的可靠性。

2.1接頭密封結構設計

由于射孔槍用密封結構需要考慮高壓和高溫兩種情況，同時還需考慮射孔槍在井內的流體介質類型。目前，射孔槍的接頭密封采用雙道O形密封圈結構。然而，當壓力大于一定值時，由于高壓作用，O形密封圈被壓力擠入密封結構的間隙中，導致密封圈損傷，這種現象稱之為密封圈咬蝕，如圖2所示。

根據機械密封原理，為了防止密封圈咬蝕現象的發生，可在密封槽內增加密封用擋圈。擋圈沒有密封功能，它只起到保護和支撐作用，通常和有彈性的密封件一起裝在溝槽中，由于擋圈在溝槽中的緊配合，可以有效防止受壓的彈性密封件被擠壓進入密封間隙。當壓力僅從一面施加時，在O形密封圈的下游側安裝一個擋圈；當壓力從兩面施加時，在O形密封圈的兩側安裝兩個擋圈，如圖3所示。對于射孔槍來說，壓力只來自一面，因此只需要加一個擋圈。

圖2　無擋圈結構的密封圈咬蝕形態

a　單側受壓擋圈安裝方式

b　雙側受壓擋圈安裝方式

根據上述擋圈的特點，本文針對89型射孔槍設計了耐壓210 MPa的密封結構、密封圈和擋圈。擋圈的材料采用耐高溫的高強度聚合材料，耐高溫260 ℃，具有機械強度高、耐高溫、耐沖擊、阻燃、耐酸堿、耐水解、耐磨、耐疲勞、耐輻照的特點。可在250 ℃下長期使用。

新設計的射孔槍接頭采用擋圈結構方案，擋圈安裝在O形密封圈的下游側。如圖4。該密封結構加大了密封溝槽寬度，而接頭長度尺寸和密封面內外徑保持不變，密封面間隙仍然采用標準設計保持不變。擋圈采用耐高溫的高強度聚合材料制成，具有良好的耐溫耐壓性能和耐腐蝕性能。

圖4　射孔槍接頭密封結構

2.2接力支撐結構

由數值仿真分析知，短槍比長槍具有更好的耐壓性能。因此，為進一步提高極限高壓射孔槍的使用安全性，彈架上設計了接力支撐結構(如圖5)，設計合理的間隙，間接地完成長槍變短槍的目的，增加射孔槍承壓性能。

為了驗證接力支撐結構對射孔槍耐壓性能影響，應用Ansys軟件進行了有限元分析。建模時使用2.3 m長射孔槍，槍中間有一個接力支撐結構，射孔槍兩端施加固定約束，槍管外表面受210 MPa均勻壓力，接力支撐結構與射孔槍之間定義Bond類型的面面接觸。從表2有限元分析結果可以看出，增加接力支撐結構可以在一定程度上降低槍管Von Mises應力，并從圖6的應力分布圖可以看出，接力支撐結構附近槍管上的應力比其他部位小300 MPa。由此可見，設計彈架接力支撐結構能進一步提高射孔槍管抗擠壓能力，防止射孔意外事件擠毀射孔槍。

表2　接力支撐結構對槍管Von Mises應力的影響

圖5　接力支撐結構

圖6　接力支撐結構附近應力分布

2.3接頭聚能傳爆結構

為降低因高溫井況下傳爆失敗而引起的射孔工程斷爆等事故，改進了接頭結構，從而提高射孔成功率。通過大量室內和現場試驗，本文得到了高溫下可控接頭聚能傳爆的間隙及軸向偏心距。設計出應用于高溫下可靠使用的接頭聚能傳爆結構，提高接頭間的能量輸出、接收，如圖7所示，掌握了影響傳爆質量的因素及提高傳爆質量的技術。

圖7　接頭聚能傳爆結構

3器材成型控制技術

為最大程度保證射孔槍的質量，對射孔槍的生產過程進行成型控制。從管材入廠，加工工藝到成品檢測，每一個過程都制定嚴格的質量控制規范，如表3所示。

表3　射孔槍成型控制內容

4超高壓射孔槍性能試驗

根據Ansys仿真結果，結合提出提高耐壓性能的新方法，研制出工作壓力210 MPa的89型超高壓射孔槍。為驗證耐壓性能，對89型210 MPa超高壓射孔槍進行極限壓力試驗。將射孔槍裝入高壓釜，在常溫下加壓至210 MPa后保壓30 min，泄壓。之后重新加壓至260 MPa后保壓5 min，泄壓后取出槍管，測量槍管直徑后可知槍管外形無變形。從圖8的加壓過程壓力變化曲線也可以看出高壓釜在加壓過程中壓力沒有減小，說明槍管在加壓過程中沒有發生形變。驗證89型210 MPa射孔槍在常溫下至少能承受260 MPa壓力。根據圖1計算，89型210 MPa射孔槍在200 ℃下至少能承受226 MPa的壓力，達到設計目標。

a　最高試驗壓力210 MPa

b　最高試驗壓力260 MPa

5現場應用

研制成功的89型210 MPa超高壓射孔槍在塔里木油田克深9區塊得到了應用。塔里木油田KS901井的射孔井段為7 910～7 930 m、井溫184 ℃、井底施工壓力175 MPa，現場試驗獲得成功。之后繼續在KS902、KS904井等投入現場應用，工藝成功率100%。

6結論

1)為了滿足超高溫、超高壓深井的射孔要求，研制成功89型210 MPa射孔槍，工作性能達到設計預期目標。

2)應用高屈服強度、高韌性的新材料作為射孔槍原料，優化結構設計，使射孔槍的耐壓性能得到大幅度提高。

3)結合現場經驗，綜合考慮影響射孔槍工作性能的因素，提出增強射孔槍耐壓性能的新結構與成型控制技術。

4)開展射孔槍功能性試驗檢測和現場應用，驗證了89型210 MPa射孔槍的性能，滿足塔里木油田克深9區塊等超高溫、超高壓井的射孔完井需求。

參考文獻：

[1]Martin Schoener-Scott.HPHT Perforating Practice[C]//2012 International Perforating Symposium，2012.

[2]Nauman Mhaskar，Mark Sloan，William Myers，et al.Design and Qualification of an Ultra-high Pressure Perforating System[C]∥2012 SPE Deepwater Drilling and Completions Conference，Deepwater Drilling and Completions Conference，2012.

[3]唐凱，陳建波，陳華彬，等.超高壓射孔槍結構設計及數值分析[J].測井技術，2012，36(1)：73-77.

[4]陳華彬，唐凱，任國輝，等.超深井射孔管柱動態力學分析[J].測井技術，2010，34(5)：487-491.

[5]蔡履忠，趙垣，薛世峰，等.射孔作業過程管柱結構動態響應分析[J].石油礦場機械，2015，44(5)：26-30.

[6]陳鋒，彭建新，陳華彬，等.超高溫超高壓超深穿透射孔技術在山前區塊的應用[J].測井技術，2014，38(1)：111-115.

Structural Optimization Design of 89 mm 210 MPa Perforating Gun

LI Benchi1，TANG Kai1，CHEN Huabin1，CHEN Feng1，REN Guohui1，MA Feng2

(1.WellLoggingCompany，ChuanqingDrillingEngineeringCo.，Ltd.，CNPN，Chongqing400021，China；2.StateKeyLabofExplosionScienceandTechnology，BeijingInstituteofTechnology，Beijing100081，China)

Abstract：This paper develops a perforating gun that can withstand ultra high temperature and ultra high pressure to meet the need in the ultra deep oil and gas exploration.New structures and manufacture control techniques are proposed to optimize the performance of perforating gun，and an 89 perforating gun which can withstand outer pressure of 210 MPa is developed successfully based on the results of optimization.An experiment is conduced to testify the perforating gun can actually withstand outer pressure up to 260 MPa，and the perforating gun is applied in Keshen 9 district of Tarim Oilfield successfully.

Keywords：ultra deep well；perforating gun；structure；technique parameter optimization

中圖分類號：TE925.302

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.009

作者簡介：李奔馳(1985-)，男，重慶人，工程師，博士，2013年畢業于中國科學技術大學精密儀器及機械專業，從事射孔工藝研究，E-mail：libenchi_cj@cnpc.com.cn。

收稿日期：①2015-08-07

文章編號：1001-3482(2016)02-0042-05