不同靶體對同孔重復射孔穿孔性能影響試驗

李東傳,曹振斌

(石油工業油氣田射孔器材質量監督檢驗中心,黑龍江大慶163853)

0 引 言

同孔重復聚能射孔是在常規聚能射孔形成的孔眼上再次聚能射孔,以期獲得更好的射孔效果,為油田現場提供一種可選的、適用于某些條件的射孔施工方式。文獻多見利用數值模擬的方法研究聚能射孔彈的射孔效果[1-5],但未考慮重復射孔,使用射流侵徹固體靶后在射孔孔道中建立水介質模型,模擬計算同孔重復射孔的結果與試驗結果偏離大。李東傳等[6]利用DP44RDX38-3型聚能射孔彈在砂巖靶上同孔重復射孔的穿孔深度增加28%～46%,在40 mm厚鋁柱模擬水泥環的砂巖靶上穿孔深度增加明顯,但重復射孔深度增加幅度相對減少,表明鋁柱對射流侵徹影響小于水泥環、砂巖。重復射孔時,射流通過注滿清水的孔道后在靶上繼續侵徹,近似于長靶距下的射流運動。外國學者利用解析分析法完成了射流運動斷裂時速度[7]、時刻[8]以及斷裂時間和碎段數量[9]等研究。石廣玉[10]基于非線性瞬態動力學程序AUTODYN,研究了靶距為等聚能射孔彈藥柱直徑的25～42倍時(空氣介質)侵徹的貫穿模擬并給出準確的預測結果。在射流運動特點的研究中,針對間隔靶間介質對射流侵徹的影響問題,利用實驗對水介質間隔靶影響射流侵徹能力的程度進行研究,高泓超等[11]得出水介質比空氣介質對射流侵徹的影響更不利的結論。史進偉等[12]認為射流剩余頭部速度在鋼靶中降低速度大于水介質的降低速度。上述研究未考慮不同孔道壁材料性質對重復射孔時射流作用的影響規律,以及孔道內徑(狹窄域)對射流的影響程度。本文通過試驗研究不同性質靶體對重復射孔時射流侵徹效果的影響程度。

1 試 驗

基于相同的聚能射孔彈設計2種試驗:①在穿過固體靶的情況下,比較研究靶體材料對射流侵徹結果的影響;②在穿過流體的情況下,比較研究射流侵徹區域的液體對射流侵徹效果的影響。在此基礎上增加了1組不同類型聚能射孔彈穿固體靶試驗,與相同類型的聚能射孔彈穿固體靶試驗結果對比,分析優化射孔彈組合后對射流侵徹結果的影響。

1.1 聚能射孔彈固體靶上的重復射孔試驗

聚能射孔彈在模擬井筒施工條件下穿過固體靶,在孔道中注入清水模擬鉆井液,將聚能射孔彈對準射孔眼再次射孔,對比重復射孔效果;更換靶體重復上述試驗過程,對比重復射孔在不同靶體上的作用效果。試驗裝置見圖1。

圖1 射孔彈穿固體靶試驗裝置示意圖

該試驗選用DP44RDX38-3型聚能射孔彈以及DP44RDX38-3、HS44RDX39-1型聚能射孔彈組合進行同孔重復射孔。試驗用靶選用具有代表性的鋼靶和砂巖靶,鋼靶以穩定性好的特點在聚能射孔彈出廠檢驗和油田現場驗收試驗中得到廣泛應用,鋼靶直接加工而成。砂巖靶最接近井下實際情況,砂巖靶選用直徑178 mm、長690 mm的砂巖,按GB/T 20488—2006[13]要求干燥、飽和后用固結劑固結于內徑200 mm、長700 mm、厚10 mm的鋼殼內,室溫下養護48 h待用。

將聚能射孔彈如圖1所示組裝,在鋼靶和砂巖靶上重復射孔,聚能射孔彈炸高均為16 mm,模擬槍靶板均為6 mm低碳鋼板,間隙均為11 mm清水,模擬套管厚均為10 mm低碳鋼板。第1次射孔后,用游標卡尺測量穿孔孔徑,探針測量穿孔深度,量筒加水測量孔容,由于靶滲透率較低且飽和,測量時損失可以忽略。將射孔孔眼內注滿清水,重新組裝聚能射孔彈、模擬槍靶板、模擬套管靶板(鋼靶、混凝土靶試驗時,為了方便對位,用具有通孔的模擬套管靶板代替原靶板)等,進行第2次、第3次同孔重復射孔和測量。固體-液體組合靶的射孔試驗后僅測量穿孔深度,描述結果。

開展4組同類型聚能射孔彈穿鋼靶同孔重復射孔試驗,DP44RDX38-3型聚能射孔彈在鋼靶上第2次同孔重復射孔平均穿孔深度比初次射孔增加6 mm,增加幅度4.1%,平均孔徑比初次射孔增加3.1 mm,增加幅度37.5%;第3次同孔重復射孔平均穿孔深度比初次射孔增加22 mm,增加幅度15.3%,平均孔徑比初次射孔增加3.6 mm,增加幅度44.3%(見表1)。

表1 聚能射孔彈鋼靶重復射孔試驗數據分析

開展5組同類型聚能射孔彈穿砂巖靶同孔重復射孔試驗,穿孔深度用直徑1.5 mm探針測量,同孔重復射孔因為孔道變形、重復射孔的孔道未重合等造成2號試驗第2次射孔穿孔深度比第1次減少1 mm;第3次同孔重復射孔時2號和3號試驗鋼靶破裂無法測量孔容及計算平均孔徑。DP44RDX38-3型聚能射孔彈在砂巖靶上第2次同孔重復射孔平均穿孔深度比初次射孔增加84 mm,增加幅度22.8%,平均孔徑比初次射孔增加3.9 mm,增加幅度40.8%;第3次同孔重復射孔平均穿孔深度比初次射孔增加120 mm,增加幅度32.0%,平均孔徑比初次射孔增加7.1 mm,增加幅度72.7%(見表2)。同種聚能射孔彈在砂巖靶上的2次同孔重復射孔穿的孔深度增加幅度明顯大于鋼靶。

表2 同種聚能射孔彈砂巖靶射孔試驗數據分析

開展3組不同類型的聚能射孔彈穿過砂巖靶同孔重復射孔試驗,DP44RDX38-3型聚能射孔彈在砂巖靶上射孔,后用HS44RDX39-1型聚能射孔彈在砂巖靶上第2次同孔重復射孔穿孔深度比初次射孔增加120 mm,增加幅度31.2%,平均孔徑比初次增加2.7 mm,增加幅度26.2%;第3次同孔重復射孔穿孔深度比初次射孔增加166 mm,增加幅度43.2%,平均孔徑比初次射孔增加6.0 mm,增加幅度58.5%(見表3)。優化組合不同類型聚能射孔彈在砂巖靶上的2次同孔重復射孔平均穿孔深度增加幅度43.2%,最大提高幅度58.8%,明顯大于未優化的同類型聚能射孔彈的增加幅度。

1.2 液體-固體組合靶的射孔試驗

為了研究射孔后孔道內徑對射流侵徹的影響程度,設計射流過小孔后穿靶的試驗。液體-固體組合靶是對聚能射孔彈產生的孔眼直徑的進一步擴大,該組合靶是用混凝土靶澆注有孔道的靶,養護后抗壓強度與試驗用砂巖相似。

DP44RDX38-3型聚能射孔彈模擬砂巖靶射孔試驗的第2次同孔重復射孔情況,射孔彈爆轟形成的射流穿過清水(模擬井液)后侵徹靶體,試驗裝置見圖2。聚能射孔彈炸高為16 mm,模擬槍靶板為6 mm低碳鋼板,清水介質深度500 mm,砂巖靶高200 mm,其中,清水介質深度據DP44RDX38-3型聚能射孔彈在砂巖靶同孔重復射孔最大深度498 mm確定。

表3 不種聚能射孔彈砂巖靶射孔試驗數據分析

圖2 液體-固體組合靶試驗裝置示意圖

在射孔彈穿過液體-固體組合靶的試驗中,DP44RDX38-3型聚能射孔彈穿透厚500 mm清水后在砂巖靶中開孔,孔道直徑越大對射流的影響越小(見表4),注清水孔道直徑由20 mm增加到25 mm,平均穿孔深度增加1.9%;射流穿過注清水孔道直徑為200 mm時,此時射流不再受孔道的有限邊界約束,穿孔深度比20 mm孔徑時增加18%。表明DP44RDX38-3型聚能射孔彈穿過500 mm清水后在砂巖靶穿孔深度僅為175 mm,此種產品同孔重復射孔的極限穿孔深度不超過675 mm。

表4 聚能射孔彈穿液體-固體結合靶試驗結果

2 分析與探討

2.1 靶體材料影響試驗結果

射孔時射流撞擊靶體,軸向開孔、徑向擴孔,在形成孔道的同時也受孔道壁的反作用,部分金屬顆粒回彈撞擊干擾射流,從而影響孔道的深度、直徑,射流與靶體相互作用的結果決定射孔孔道的最終形狀。史進偉等[14]得出在侵徹水介質間隔靶中,在射流環周形成水波、空腔,對射流影響比空氣中大,速度衰減更明顯。同孔重復射孔時,射流進入孔道撞擊水介質,軸向擠壓孔道壁并反彈再次作用射流,影響射流向前穿孔效果,射孔孔道直徑、深度增加,增加幅度由射流、介質、孔道壁強度等因素共同決定。第2次同孔重復射孔與第1次作用機理相同,大孔道直徑對射流的影響小,穿孔深度的增加幅度更明顯。

DP44RDX38-3型聚能射孔彈產生的射流直徑為3～5 mm,由大量金屬顆粒組成,其在向前運動過程中拉長、發散。這些顆粒與接觸介質撞擊、運動,與鄰近的孔道壁相互作用,這可以理解為射流前進過程中引起介質振蕩反作用影響射流的穿孔性能,擴大了孔道直徑。一般認為射流在鋼靶上開孔的有效速度高于2 000 m/s,在砂巖靶上開孔的有效速度低于2 000 m/s,高于800 m/s。這部分射流的作用使不同型號聚能射孔彈在鋼靶、砂巖靶上的同孔重復射孔效果差別明顯,因此,可以探索利用該部分射流進一步提高同孔重復射孔效果。

2.2 射流徑向穿過區域影響射孔效果

DP44RDX38-3型聚能射孔彈在鋼靶上重復射孔時,射流的能量首先用于擴展孔徑,將孔徑從8.0 mm擴展到11.1 mm,然后小幅度增加穿孔深度,將穿孔深度從148 mm提高到154 mm;當孔徑達到11.1 mm后對射流的影響減小,因此,第2次同孔重復射孔時徑向擴孔減少,孔徑僅從11.1 mm增加到11.6 mm,而穿孔深度從154 mm提高到170 mm,表明重復射孔時只有先克服徑向影響后穿孔深度才能明顯增加。在砂巖靶及孔徑相應擴大的液體-固體組合靶上規律基本相同,當砂巖靶中的孔徑從10.0 mm增加到17.1 mm時,同孔重復射孔深度平均值提高32.0%～43.2%、最大提高幅度58.8%;當孔徑超過20 mm時,對同孔重復射孔深度影響逐漸降低。射流穿過200 mm孔徑、500 mm水后的穿孔深度僅比穿過狹窄域的20 mm孔徑、500 mm水時的穿孔深度提高18.0%。

聚能射孔彈在不同的靶上射孔形成的穿孔深度、孔徑不同,同孔重復射孔時,金屬射流通過注滿清水的孔道時首先需要克服水、孔道壁的影響,如果能徑向擴展孔道壁,則后續射流受到的反作用力減少,有利于進一步提高穿孔深度,也可以通過提高射流的抗反作用能力來提高同孔重復射孔深度。

3 結 論

(1)同種聚能射孔彈在不同靶上同孔重復射孔穿孔深度變化規律不同,鋼靶、砂巖靶、清水對穿孔深度的影響依次降低。

(2)射流在侵徹時,與周圍介質相互作用形成射孔孔道,重復時射流與孔道內的水介質、孔道壁相互作用,產生的徑向反作用越強對射流的影響越大。

(3)利用不同孔徑、穿孔深度的聚能射孔彈的組合可有效減少重復射孔時孔道壁對射流的影響,獲得更高的穿孔深度。

(4)由于試驗量的限制,試驗結果還需要進一步修正。建議針對性地開展聚能射流侵徹影響因素研究,為研制針對井下油層的射孔、重復射孔用聚能射孔彈(器)、施工方案提供依據。