高孔密射孔枪枪身设计

杨淑珍

（大庆射孔弹厂，大庆163853）

高孔密射孔枪枪身设计

杨淑珍

（大庆射孔弹厂，大庆163853）

由于高孔密射孔枪枪内排列几十发射孔弹，射孔弹同时起爆，爆炸后产生的巨大冲击载荷将全部作用射孔枪上。可见，高孔密枪身质量将直接影响油井射孔作业。本文主要通过对枪身、联接螺纹强度校核，以实现高孔密射孔枪枪身的设计。

射孔枪枪身 联接螺纹 强度计算

引言

高孔密枪身设计是否合理，将直接影响油井射孔作业的质量。所以，高孔密射孔枪枪身设计主要考虑枪身的强度以及枪身、枪头、枪尾、中接之间的联接螺纹强度。

1 枪身的强度计算

高孔密射孔枪为射孔弹、导爆索、雷管提供了一个密封的空间，由枪身承受井筒内液体浸泡、井下地层压力、温度以及射孔时爆炸对枪身的破坏。然而，射孔时爆炸瞬间产生的高压力和冲击波是枪身破坏的主要因素。虽然聚能射孔弹爆炸时最高压力可达到27.6GPa，但一个射孔弹完全爆炸实际所需时间不100μs。更重要的是，这期间压力的增加和衰减非常快，射孔枪上的盲孔使射流更易于穿透枪壁极早泄压，而使枪身的变形小或者开裂。枪体断裂分为横向断裂、纵向断裂、纵向双向开裂（包括鼓裂）[1]。枪身承受压力的能力主要由枪身的材质决定。经过对各种型号钢材的比较，高孔密射孔枪枪身材料适合选择合金钢32CrMo4。合金钢32CrMo4金相组织为均匀分布的回火索氏体，高温下具有高的持久强度和蠕变强度，综合机械性能优良，主要适合用在高负荷下工作的部件。枪体承受的压力可按下式[2]估算：

以114型射孔枪举例进行枪身强度计算。射孔枪参数：枪身材料32CrMo4，枪身外径b=114mm，枪身内径 mm，从手册[3]查，取n＝1。把以上数据代入公式（1），得枪身承受的压力为：射孔枪设计要求工作压力P≤70MPa。因此，枪身强度满足高孔密射孔枪对枪身的设计要求。

2 联接螺纹的强度计算

高孔密射孔枪身两头以及上下中接的联接螺纹有时发生失效，螺纹牙多发生剪切和挤压破坏，见图1联接螺纹旋合部分的螺纹受力变形。设计中需要校核螺纹牙的强

度[4]，将一圈螺纹沿螺牙的螺纹大径D处展开，把它看作是宽度为的悬臂梁，见图2螺纹牙螺纹圈的受力。假设螺牙每圈螺纹所承受的平均压力为，并作用在以螺纹中径D2为直径的圆周上。

螺纹牙危险剖面a-a的弯曲强度条件为：

图1 旋合螺纹的受力变形

图2 螺纹牙螺纹圈的受力

以上的计算方法，没有考虑各圈螺纹牙载荷是分配不均的情况，以螺纹牙所承受的平均载荷作为计算载荷，其螺纹牙牙根强度的校核仍然采用平均载荷下的剪切强度及弯曲强度计算公式。这与实际承受载荷存在很大的区别。

在文献[5]中，以最大受载圈的螺纹牙载荷作为计算载荷，综合考虑各种外界因素、结构设计对最大螺牙载荷及螺牙强度的影响，提出了关于螺纹牙强度的边界元牙根最大拉应力计算方法，较材料力学的螺牙弯、剪强度计算要更为先进。

通过对最大受载圈螺纹牙载荷百分率的回归分析，得最大受载圈螺纹牙载荷百分率λ的回归公式（2），其中各系数值见表1。

在计算方法中，把螺纹牙圈沿螺纹中径d2展开，看作宽度为的悬臂梁。由于不同螺距的螺纹牙为相似形，根据相似原理，其牙根最大拉应力必然与螺距成反比，并与单位宽度螺纹牙载荷成正比。同时，以最大受载圈的载荷作为计算载荷，直接得到最大拉应力公式（3）：

式中：σ为牙根最大拉应力（拉伸处最大主应力），单位MPa；[]

σ为许用应力，单位MPa；Y为螺纹牙应力牙形系数（其值如表2所示）。

表1 最大受载圈螺纹牙载荷百分率λ公式中的回归系数值

表1系数值的适用范围和使用说明如下：

表2 螺杆及螺母螺纹牙的挠度牙形系数和应力牙形系数

高孔密射孔枪上的螺纹联接应该采用等腰梯形的梯形螺纹，不能采用等边三角形普通螺纹。梯形螺纹的牙根强度高，内外螺纹锥面贴紧不易松动。与射孔枪枪身相互配合的枪头、枪尾、中接部分的螺纹，相应地也采用梯形螺纹，见图3。当射孔作业结束时，从井筒提出已经射孔的射孔枪，其枪头、枪尾、中接等部件的梯形螺纹如果没有损伤，还可以多次使用。由于枪头、枪尾、上下中接、枪身的螺纹尺寸是相互配合的，进行螺纹强度校核的时候，相同尺寸可以校核一次。枪身材料选用的是钢材32CrMo4；枪头、枪尾及上、下中接材料选用的均为40Cr。比较而言，枪身材料强度较高，因此只需要校核与之相配合的联接件的螺纹强度。

图3 枪身螺纹联接图

下面以114型高孔密射孔枪为例，进行螺纹联接强度校核。

第一，枪头与枪身联接螺纹牙强度计算。枪头的梯形螺纹尺寸为：Tr100×4，螺距t＝4，螺纹大径d＝100.5mm，螺纹小径d1＝96mm，螺纹中径d2＝98mm，（最大工作压力）枪头的材料为40Cr，从手册[4]得：

由公式（3）计算得出：

从计算结果分析，枪头与枪身联接的梯形螺纹牙强度满足高孔密射孔枪对螺纹联接的设计要求。

第二，上、下中接联接螺纹牙强度计算。中接联接螺纹的梯形螺纹尺寸为：Tr90×4；螺距t＝4；纹大径d＝

90.5mm；螺纹小径d1＝86mm；螺纹中径d2＝88mm；（最大工作压力）；枪头的材料为40Cr。从手册[4]，得：n=1.5，由公式（3）计算：

从计算结果分析，上下中接联接的梯形螺纹牙强度满足高孔密射孔枪对螺纹联接的设计要求。

3 结论

通过以上高孔密射孔枪设计方法，设计出114型高孔密深穿透射孔枪。按照油气井聚能射孔器材性能试验方法进行射孔枪试验，射孔枪能够承受射孔弹爆轰形成的压力，枪身没有横向裂纹，有螺纹联接的地方强度足够，没有发生变形断裂现象，实现可靠联接。混凝土靶射孔试验后，射孔枪孔眼处的单侧裂纹小于30mm。模拟井射孔试验后，射孔枪孔眼处的单侧裂纹小于20mm，射孔枪外径涨大小于5mm，完全满足射孔枪技术标准要求。

[1]李克俭.射孔枪枪体断裂原因及预防措施[J].石油机械，1997，（8）：46-49.

High Density Perforation Gun Design

YANG Shuzhen
(Daqing perforation bomb factory, Daqing 163853)

Because of the high hole density perforating gun, the dozens of firing holes are arranged in the gun, the perforating charge is detonated at the same time, and the huge impact load generated after the explosion will all be on the perforating gun. Visible, high dense hole gun will directly affect the quality of oil well perforation. This paper mainly through the thread connection of the frame, strength check, in order to achieve high dense hole design of perforation gun.

perforation gun, threaded connections, strength calculation