聚能射孔作用下環空壓力測試與數值分析

陳華彬,陳鋒,唐凱,王樹山,賈曦雨,羅苗壯

(1.中國石油集團測井有限公司西南分公司,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)

0 引 言

從技術發展和工程應用角度看,中國套管、管柱動力學響應研究仍然處于起始研究階段,研究機構主要局限在非線性動力學數值模擬與仿真研究。國外研究機構也在應用模擬試驗技術,可以進行測試射孔作業管柱動態響應的壓力、應變、加速度等有關力學參量隨時間變化,但無法建立動態力學響應參量與宏觀失穩及損傷之間的對應關系。

開展了油氣井射孔對管柱的動態力學研究,研究了沖擊載荷理論模型,認識了爆炸沖擊波在不同界面上來回反射、透射,以壓應力波的形式沿著槍體壁面向外擴展。由于射孔彈裝配的非對稱性以及起爆的時序性,射孔槍體及管柱承受著明顯的非對稱性不均勻沖擊過載,爆炸施加的側向加載會合成為繞中心軸線的剪切扭轉振動。為此,建立了射孔槍系統數值仿真模型,在試炮水池的進行了射孔槍力學響應測試,完成測試槍管內部和槍管端頭的軸向、徑向、周向加速度數據,驗證了數值仿真模型的可靠性。同時,油層套管動態力學研究建立了射孔對套管影響的動態響應機理,基于射孔槍的測試數據,研究了套管系統仿真模型和射孔時彈藥量等效仿真模型,模擬計算等效條件下套管動態響應。本文結合前期研究成果,繼續應用數值分析技術和測試技術開展爆炸沖擊載荷下測試環空力學響應,獲取射孔下套管環空的壓力經驗理論模型,推進套管、管柱動態力學響應的基礎研究。

1 射孔能量分布以及影響

油氣井射孔作業溝通井筒與地層[1],在井下高溫高壓工況條件下,射孔彈在射孔槍管內爆轟形成射流,高能炸藥爆炸產生的沖擊波在整個射孔作業系統間傳遞。炸藥能量除用于擠壓藥型罩形成射流的部分外,其余的能量對于整個射孔系統來說均為負面作用,研究表明這一部分能量達到裝藥能量的70%左右[2]。射孔彈爆轟帶來的沖擊橫向效應是井液載荷中的關鍵組成部分。射孔作業系統間接產生載荷作用包括:射孔彈殼體破裂碰撞射孔槍管壁產生的沖擊與振動載荷;射孔槍彈架在爆炸的驅動下損傷變形碰撞槍管壁產生應力波。

聚能射孔彈起爆過程中,高能炸藥爆炸的能量一部分用于驅動藥型罩擠垮,形成金屬射流,射流頭部以6 000 m/s的平均速度侵徹,另一部分用于克服射孔彈殼體約束形成沖擊波[3]。沖擊波開始透過射孔彈結構向空氣介質中傳遞,再透過槍管傳遞進井液中,在這一載荷傳遞過程中,壓力依次突破裝藥界面、射孔彈殼體、空氣介質、射孔槍管最終透射進入到井液中。在沖擊波的傳遞過程中,由于各個介質材料的波阻抗不同,沖擊波每突破一種材料界面進入到另一材料時,強度都會被削弱。高能裝藥在爆炸瞬間的初始爆轟壓力約為20 GPa左右,在透過槍管最終傳遞到井液介質中時,沖擊波在水中造成的壓力值約十幾兆帕,視裝藥相位的不同,周向差別較大,此時的沖擊波已經衰減為弱沖擊波,但仍具有強間斷性質,波的脈寬也不斷拉伸,不具備沖擊波傳播的優勢。

在金屬射流侵徹射孔槍管之后,射流頭部進入井液(見圖1),高速的金屬射流與井液碰撞,由于井液原有的狀態近似于靜態,因此,這一過程也可以類似于侵徹過程,射流頭部與井液接觸時,在井液產生的擠壓壓力仍高達2 GPa。

圖1 射流侵徹井液示意圖

后續的壓力波在井液中沿射流周向環形傳播(見圖2),在射流近端可以維持較高的傳播壓力,高達400 MPa以上,這一瞬態的高壓在井液中直接與油氣井的套管內壁、槍管等接觸,勢必會對井筒完整性造成影響[4]。

圖2 井液中的環形壓力波

除了上述2種載荷外,井液中沖擊波過后由于能量帶來的擾動,井液介質會發生快速流動,這一部分壓力基于井液的快速流動,壓力值相對較低,也是強間斷性質。但是這種壓力持續時間較長,作用范圍大,在實際工程中作為井液震蕩壓力的主要來源,直接作用于油氣井套管、油管柱,該載荷長時間超載會影響套管、油管柱的完整性,比如套管變形或油管彎曲等,需要研究槍管與套管間的環空壓力特征。因此,射孔作業在井液的沖擊波[5](即耦合裝藥爆炸壓力和射流侵徹壓力)和波后流場壓力是文章的仿真分析和實驗測試主要研究對象。

2 射孔環空流場壓力實驗測試

2.1 搭建地面模擬測試系統

建立一套與數值仿真模型一致的射孔實驗測試系統,整個實驗系統主要由3部分組成,分別為套管系統裝置、槍管載荷源系統裝置、實驗測試系統[10]。

套管系統裝置作為整個實驗的主要載體,套管與槍管形成環空,環空充滿水介質。套管尺寸為5 in(1)非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同,內徑108 mm,長度1 200 mm,在距離套管頂端200 mm處在安裝數據采集傳感器進行壓力采集,套管頂端具有良好密封性能。連接套管的接頭焊接鋼板上,與套管連接靠螺紋方式,同時焊接一件與槍管連接的89型死堵接頭,用來安裝89型射孔器。

槍管載荷源系統作為實驗測試的動態載荷來源。實驗器材包括89型射孔槍和89型射孔彈(SDP39HMX25-2),槍管長度500 mm,實驗射孔設計參數為相位60°,孔密16孔/m,裝配射孔彈3發,裝藥為HMX,藥量25 g/發。射孔槍一端與套管居中連接,槍內裝雷管和導爆索,雷管線與密封引線柱相連,射孔槍另外一端的接頭內有密封引線柱,該系統可以避免導爆索起爆壓力觸發測試系統[11]。

實驗測試系統是實驗數據采集的中樞,需要測量不同射孔彈數量條件下射孔彈爆炸條件下槍管與套管間井液的壓力載荷。根據水下密閉管狀容器爆炸測試試驗的經驗和結果,實驗選用CY-YD-214壓電式壓力傳感器與CY-YZ-050壓阻式壓力傳感器[12]。測量系統由壓力傳感器、電荷放大器、數據采集儀、上位機等4個部分組成。

2.2 測試數據與分析

實驗工況分為單發射孔彈以及三發射孔彈2種規格實驗。每種工況進行2次,以保證測試數據的科學性。

試驗數據記錄使用專用數據采集儀進行記錄,并在試驗結束后應用Origin pro專用數據處理軟件進行后期處理(見圖3)。結果顯示,單發射孔彈作用條件下,距射孔彈位置600 mm處的沖擊波壓力峰值為42 MPa,沖擊波波形較為規整,井液流動壓力在距爆源60 cm與80 cm處的壓力值均在4.3 MPa,且壓力波形規整。三發射孔彈作用條件下,距離射孔彈位置600 mm處的沖擊波壓力峰值分別為64 MPa與81 MPa(該值可能受到對應的實驗測試過程同軸線被炸斷影響,不予考慮),井液流動壓力在距爆源60 cm與80 cm處的壓力值均在10 MPa左右,壓力波形紊亂。

圖3 測試原始曲線圖

與單發射孔彈作用條件下的沖擊波壓力歷史曲線相比較,三發射孔彈耦合作用下的壓力波形具有較大的比沖量,即沖擊波的上升沿持續時間較長,壓力持續作用時間較長,可以認為是多發射孔彈作用條件下,多條射流在微秒量級的時間內沖擊井液造成的壓力峰值相距較近,造成的疊加現象。

壓力疊加現象說明,多發射孔彈耦合作用條件下的沖擊波在峰值上并沒有太多幅度高于單發射孔彈作用條件下的沖擊波峰值,而增加了沖擊波作用的時長,依據基本的沖擊波毀傷評估方法,即超壓聯合比沖量準則,可以解釋多發射孔彈作用條件下壓力造成油管、井筒等負面損傷的事實。

3 實驗工況數值仿真

3.1 數值仿真

建立一套射孔作業系統的數值仿真模型,包括了射孔彈、射孔槍管、套管、槍管內空氣、環空水介質,整個模型是基于前期研究標定仿真模型基礎上,進而擴展。射孔彈包含藥型罩、裝藥及殼體3部分。數值仿真模型中的空氣、井液、裝藥及藥型罩是流體材料性質,采用ALE算法。槍管和射孔彈殼體是鋼材料,采用Lagrange單元算法。炸藥的起爆和爆炸過程是一種快速的化學反應過程,對于該過程的描述,主要應用CJ理論模型和ZND理論模型。

數值仿真[7]基于實驗的工況采用89型射孔彈,89型槍管以及5 in套管進行實驗測試(見圖4),射孔參數為射孔彈藥量25 g/發,孔密16孔/m,相位60°。建立與實驗工況一樣的有限元分析模型[8-9],仿真系統基于合法性、相容性、逼近精確性、良好的單元形狀,網格的自適應性原則劃分網格見圖5。

空氣采用MAT_NULL材料模型和LINEAR_POLYNOMIAL線性多項式狀態方程,具體參數見表1。射孔彈殼體和槍管均采用MAT_PLASTIC_KENEMATIC隨動硬化模型描述,具體參數見表2。

圖4 三發射孔彈試驗測試壓力曲線

圖5 有限元網格模型圖

射孔彈的裝藥為HMX,采用MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN高能炸藥燃燒材料模型和JWL狀態方程進行描述,具體參數見表3。數值仿真模型中水的材料模型參數見表4。

表1 空氣域材料參數(單位制:cm-μs-g-Mbar)

表2 槍管材料參數(單位制:cm-μs-g-Mbar)

表3 HMX炸藥材料參數(單位制:cm-μs-g-Mbar)

表4 水的材料模型參數

圖6 井液壓力歷史云圖

從圖6數值仿真可知,三發射孔彈間隔起爆,射流侵徹至井液液面時在井液中產生巨大的侵徹壓力,以射流侵徹位置為中心向射流周向展開,最大壓力峰值在400 MPa以上。當高壓區半徑達到2.5 cm左右時,沖擊波陣面開始分離并且與下一發起爆的射孔彈之間發生干涉,沖擊波被沖散,只在兩沖擊波交匯處產生較大的壓力峰值。此時射流對井液進行穩定侵徹,射流的橫向效應在井液中產生了較小的穩定高壓區,并且此高壓持續至計算時長終止,壓力峰值穩定在100 MPa以上。

圖7 傳播方向上井液單元提取示意圖

3.2 仿真數據與測試數據比較

選取實驗測試獲得的沖擊波測試數據驗證數值仿真模型(見圖4),圖4中沖擊波壓力峰值為64 MPa,實驗測試的傳感器位置置于槍管頂端600 mm位置。在數值仿真中,完整地再現試驗系統需要非常龐大的計算資源。因此,在驗證仿真準確性時,聯合有限元法與數值分析方法,得到的分析結果同實驗進行對比,驗證模型的準確性。應用有限元模型進行仿真求并對求解結果進行處理,在沿沖擊波載荷源傳播方向上選取一系列靠近套管內壁面處的井液單元提取壓力歷史曲線(見圖7)。

輸出各個節點中的最大壓力值,按照距離載荷源遠近的方法進行排列。將得到的數值用Origin Pro數據仿真處理軟件進行擬合。得到擬合公式

y=58.83+459.47e-160.78x

(1)

式中,y為壓力值,MPa;x為距離,m。

在仿真模型中選取的20個特征點的壓力值與擬合得到的數學模型計算值重合度高度一致,擬合得到的數學模型,并且模型在該計算工況下可靠合理。

利用上述擬合得到的數學模型對實驗工況下的600 mm處壁面流場壓力進行求解,得到的壓力峰值為59 MPa,該壓力值對比實驗測試壓力峰值64 MPa相差5 MPa,兩者相差小于8%,學術研究范圍內認為該聯合仿真方法真實可信。

3.3 環空壓力經驗理論模型

對數值模擬仿真結果進行分析時,應用一種數據分析的手段,對后處理程序進行了2次開發,使其能夠將整個套管內壁面的環空壓力歷史曲線進行批量提取,同時使用matlab方法將其轉換為3D曲面圖,使得在同一靜態圖中包含了空間、時間、壓力3種信息。

圖8直觀地描繪了對應區域內的壓力峰值,并描繪了各個峰值間出現的位置差異、衰減趨勢等信息,利用matlab的曲面公式擬合功能,對獲得的曲面進行了擬合,獲得曲面的解析方程基本形式為

(2)

公式(2)仍需要后續繼續深入研究,對不同工況條件下的三發射孔彈進行數值模擬并獲得該曲面后,均可以得到相應工況條件下的參數Z、B、C、D、E、F、G、H。隨著數據工作量的積累,最終可以獲得成為的射孔壓力特征表征公式。

圖8 空間—時間—壓力曲面圖

4 結 論

(1)通過2種不同規格參數的實驗測試獲取了射孔沖擊波數據和波后流場壓力數據,分析對比2種不同規格的實驗測試波后壓力峰值,射孔作業仿真系統通過實驗測試數據驗證,2種方式獲得的數據吻合度一致,也驗證了前期的數值仿真模型的可靠性。

(2)通過數值仿真模型研究,提取仿真模型的壓力歷史數據,擬合井液壓力與載荷源距離相關性公式,形成包含空間、時間、壓力3種信息的環空壓力理論模型。為繼續開展套管動態響應研究提供原始載荷數據來源以及較為完備的加載工作方法與工具,簡化并規范后續動靜耦合加載條件下套管抗擠毀性能仿真研究的工作。

(3)通過實驗與仿真研究可以指導后續射孔器研發,為了更好地利用射孔彈炸藥能量做有用功,一方面需要研發性能更好的射孔彈,如射孔彈型腔設計、射孔彈殼體材料與強度、藥型罩工藝等方面,進一步提高射孔彈裝藥能量對射孔侵徹做功的利用率,降低裝藥的能量損失給油氣井帶來的負作用,進一步提高井筒的完整性和下井管柱的安全性;另一方面,在無法改變射孔彈能量損耗情況下,兼顧井筒完整和管柱安全,通過合理工藝將損失的能量利用起來,利用它對孔道清潔、提高儲層滲透率等,為后續流體注入和產出做貢獻,或者在射孔槍之間增加阻尼接頭,充分利用損失的能量對儲層進行正壓作用,制造微裂縫。