药型罩配方及密度.doc

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利用石油射孔弹数值仿真系统

优化深穿透射孔弹药型罩配方

何彦丽李哲雨高雨李必红

（1.陕西应用物理化学研究所，陕西西安710061）

摘要：介绍了射孔弹数值仿真模型的建立，对深穿透药型罩配方密度进行优化，给出参考最佳密度值，选择不同粉材配成几种在此密度值周边的配方，根据地面穿45钢靶性能优选出深穿透射孔弹最佳配方，试用在几种常规射孔弹上，经45钢靶检测，穿孔深度和孔径均有明显提高。

关键词：射孔弹；数值仿真；深穿透药型罩；配方优化

引言

射孔完井是目前国内外油田使用最广泛的完井方法。在射孔完井的油气井中，射孔弹的作用就是射穿井下封闭油气产层的套管、水泥环并深入油气层，形成的射孔孔眼是沟通产层和井筒的唯一通道。

描述射孔孔眼形状的参数是穿孔深度和入口孔径。随着开采技术的不断进步，对射孔孔眼的要求是穿孔深度越深和入口孔径越大越好。而在结构、药型罩配方和能量一定的情况下,二者是两个矛盾的统一体，穿孔深度的增加，是以牺牲孔径为代价的。射孔弹的心脏部件是药形罩，药型罩的配方和形状对孔眼形状起着决定性作用。

能否找到一种配方使穿孔深度和入口孔径都有所提高，是解决问题的关键。

1深穿透药型罩密度与孔眼形状关系仿真

1.1模型建立

射孔弹数值仿真系统采用多物质Euler网格来模拟炸药的爆轰和铜基药型罩的压垮及射流的形成等过程，采用多物质作用方法,并考虑装药爆轰和射流与靶板碰撞产生的高温对材料屈服强度的影响，来计算炸药与外壳体相互作用、射流侵彻钢靶或套管、混凝土等过程。

在LS-DYNA程序中，铜基药型罩、钢靶等采用流体弹塑性（*mat_elastic_plastic_hydro）材料模型和Gruneisen状态方程；炸药采用高能炸药（*mat_high_explosive_burn）材料模型和JWL状态方程；射孔弹的外壳体塑性动态硬化（*mat_plastic_kinematic）材料模型和多项式状态方程；空气采用*mat_null模型和多方指数状态方程。数值模拟模型的建立主要在商用软件ANSYS上，采用人机交互的方式，根据射孔弹的几何形状、尺寸进行几何建模和有限元网格划分。

利用这种数值模拟模型的建立方法，可以直接由本软件自动生成二维CAD模型，然后自动进行分析模型、边界条件、材料性能等的建立，并可以修改待优化的几何参数和材料参数。

由于药型罩的厚度在2mm左右，而射流的侵彻深度一般在200mm~1000mm，这决定了计算所需的网格的数量在几十万甚至数百万以上；相应的计算时间步长与网格大小成正比，在10-8～10-9s左右，因此从模拟聚能装药起爆、炸药爆轰、药型罩压垮、形成射流直到射流侵彻结束所花费的计算时间和费用都是很大的。为满足建立的计算模型规模计算时间在48小时以内的要求，计算模型将采用1/4或1/2的三维有限元模型。

1.2药型罩密度与孔眼形状关系仿真

采用DP45RDX-1（127弹）型射孔弹，装药量38g，密度1.68g/cm3，炸高60mm，在装药结构不变的前提下，利用射孔弹数值仿真系统对不同药型罩密度（7.4、8、9、11和13.4g/cm3）进行穿45钢靶穿孔形状仿真。仿真结果归纳到图1和图2。

密度(g/cm3)

密度(g/cm3)

穿

孔

深

度

(mm)

图1药型罩穿孔深度与密度关系仿真结果图

密度(g/cm3)

密度(g/cm3)

穿

孔

孔

径

(mm)

图2药型罩孔径与密度关系仿真结果图

由图1和图2可看出：药型罩密度在7.4g/cm3～13.4g/cm3范围时，随着密度的增加，射流速度增加，穿孔深度呈抛物线增加，入口孔径负线性相关。即随着药型罩密度增加，穿孔深度增加缓慢，入口孔径快速减小。药型罩密度在7.4g/cm3～11g/cm3范围时，穿孔深度增加7mm，入口孔径减小1mm；药型罩密度在11g/cm3～13.4g/cm3范围时，穿孔深度增加1mm，入口孔径减小1.8mm。因此综合考虑深穿透药型罩的最佳密度在9g/cm3～11g/cm3之间。从曲线上看出密度9g/cm3是拐点，因此，9g/cm3时是最佳密度。

采用DP45RDX-1（127弹）型射孔弹，装药量38g，密度1.68g/cm3，炸高60mm，在装药结构不变的前提下，利用射孔弹数值仿真系统对相同药型罩密度（9g/cm3），屈服强度由2.5×10-3Gpa增加到5.0×10-3Gpa，进行穿45钢靶穿孔形状仿真。仿真结果见图3和图4。

图3屈服强度为2.5×10-3Gpa穿孔深度与时间关系曲线

图4屈服强度为5.0×10-3Gpa穿孔深度与时间关系曲线

比较图3和图4可得出结论：药型罩密度很高的情况下，提高药型罩的屈服强度，不利于穿孔深度提高，对孔径不产生影响。即