变壁厚石油射孔弹聚能射流形成的影响因素分析

李换芝， 王 郑

（中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051）

引 言

随着现代石油开采技术的深入发展，油井射孔成为一项非常重要的完井作业。该射孔技术以石油射孔弹为关键，利用聚能装药的聚能效应形成的高能量密度、高温、高压金属射流，在极短的时间内射入油层岩石中，使得井筒以及底层的环境相互接通，形成一定的油井产油通道［1］。油井的产油率主要与聚能射流的速度和质量有关，而药型罩的锥角、壁厚是影响射流速度、质量以及形状等的关键因素［2］。因此，本文利用有限元显示动力分析程序，从药型罩锥角、壁厚等参数入手，对石油射孔弹聚能射流的形成过程进行数值模拟，分析得到了药型罩结构与射流头部速度之间的关系，为以后石油射孔技术的研究提供了有利的依据。

1 数值模拟模型的确定

1.1 几何模型的确定

以工程普遍使用的石油射孔弹为例。由于该结构具有轴对称性，所以，可以将模型简化为四分之一立体对称问题。如图1所示。

分析起爆点为顶部中心点，并且假设药型罩材料、炸药为均匀连续介质，整个作用过程为绝热过程。

图1 四分之一模型立体图

1.2 网格划分

由于使用Lagrange算法容易产生严重畸变单元，且变壁厚药型罩在爆炸形成射流的过程中存在着大变形、大应变，不适用Lagrange算法，故选用自适应网格技术，以满足映射网格划分应用的特定要求［3-4］。选择3Dsolid 164单元类型，采用cm-g-μs单位制，分别对炸药、药型罩和空气进行不同的材料定义，进行网格划分。炸药、药型罩和空气的网格如第58页图2所示。

1.3 材料模型的确定

该数值模拟中采用炸药、药型罩、空气3种材料模型，具体确定如下。

1.3.1 药型罩材料模型

药型罩材料选用Johnson-Cook本构模型和Gruneisen状态方程描述。Johnson-Cook本构模型适合大部分金属材料；Gruneisen状态方程形式［4］为式（1）。

式中：γ0为Gruneisen常数；c为vs-vp曲线的截距；S1、S2、S3为vs-vp曲线的斜率系数；a为γ0和μ的一阶体积修正量；μ＝ρ/ρ0-1。

图2 网格划分图

1.3.2 炸药材料模型

采用LS-DYNA程序提供的高能炸药材料模型（MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN），爆轰产物压力与体积关系采用标准的JWL状态方程，其一般形式［5］为式（2）。

式中：P为压力；E为爆轰产物的内能；V为爆轰产物的相对体积；A、B、r1、r2、ω为试验参数。

1.3.3 空气材料模型

空气材料模型采用无偏应力流体动力模型（NULL），对应的状态方程为Gruneisen。密度ρ＝1.225×10-3g/cm3，气体常数γ＝1.4，C＝0.344。

2 计算结果及分析

计算分2阶段进行。第1阶段，计算炸药爆炸压垮不同厚度药型罩形成射流的过程；第2阶段，计算炸药爆炸压垮不同锥角药型罩形成射流的过程。

2.1 模拟石油射孔弹聚能射流形成过程

图3给出了石油射孔弹聚能射流的形成过程。图3（a）表明，炸药引爆后3μs时刻爆轰产物挤压药型罩，罩中间部位正在爆轰波的引导下沿轴线运动；图3（b）表明，聚能装药完成爆轰过程，药型罩闭合区的前端已出现射流；图3（c）为射流不断延伸拉长状态，并出现颈缩现象，尾部逐渐形成“杵”；图3（d）表明，射流速度趋于稳定，由于拉伸作用，射流逐渐变的细长；图3（e）表示射流的最终状态，杵体即将与射流分离。

图3 石油射孔弹聚能射流的形成过程

2.2 不同壁厚药型罩聚能射流形成过程的数值模拟

药型罩的壁厚对聚能射流速度有较大的影响。为明确壁厚变化对聚能射流速度变化的影响规律，在保持RDX药包尺寸和药型罩材料不变的情况下，以锥角为60°作基准，选取壁厚变化率为0.00%、0.50%、1.25%、2.00%壁厚药型罩进行仿真模拟对比，并观察和分析50μs时形成的射流状态。表1给出了模拟结果。

2.3 不同锥角药型罩聚能射流形成过程的数值模拟

选用RDX炸药和紫铜药型罩，在保持40mm装药直径与60mm装药高度不变的条件下改变药型罩锥角的大小，建立有限元模型。药型罩尺寸模型如第59页图4所示。选取45、75、90、105、120°药型罩锥角进行模拟比较，取50μs时的射流状态进行分析，结果如第59页表2所示。

表1 t＝50μs时不同壁厚药型罩形成的射流状态

表2 t＝50μs时聚能射流状态

图4 药型罩尺寸模型

3 结论

1）通过模拟在不同锥角下聚能射流的形成和对比各个锥角对应某一时刻聚能射流头部的速度得出，不同锥角装药形成射流时，射流头部形状区别不大，但头部速度相差较大；锥角越大，射流速度越小，形成的杵体长度相比于射流的长度也越小。小锥角石油射孔弹，虽然形成杵体的体积较大，但相对于射流来说所占的比重较小，更适合应用于深层开坑。

2）通过模拟在不同壁厚下聚能射流的形成和对比各个壁厚对应某一时刻聚能射流的头部速度得出，在同一时刻下，同锥角药型罩壁厚越小，聚能射流的形态发育得越好；药型罩壁厚越大，射流速度越低，射流长度和杵体的长度越小，但是杵体情况会相对较轻。

3）在设计石油射孔弹时，药型罩的锥角和壁厚都不宜过大或过小，应综合考虑各方面的因素，既要让射流速度达到预期值，又要使杵体的体积尽可能小。

［1］ 韩秀清，曹丽娜，曹新宇，等.聚能射流形成及破甲过程的数值模拟分析［J］.科学技术与工程，2009，9（23）：6960-6964.

［2］ 曹丽娜，韩秀清，董小刚，等.药型罩结构对聚能射流影响的数值模拟［J］.矿业研究与开发，2009，6（29）：98-105.

［3］ Jhanwar J C，Jethwa J L，Reddy A H.Influence of airdeck blasting on fragmentation in jointed rocks in an open-pit man-ganese mine［J］.Engineering Geology，2000，57（2）：13-29.

［4］ 谭多望，孙承纬，赵继波.大锥角聚能射流实验研究［J］.高压物理学报，2003，17（3）：204-208.

［5］ 恽寿榕，赵衡阳.爆炸力学［M］.北京：国防工业出版社，2005.