射孔对油层套管动态力学研究进展

陈华彬, 陈锋, 唐凯, 马峰, 陈建波, 李奔驰

(1.中国石油川庆钻探工程有限公司测井公司, 重庆 400021; 2.北京理工大学, 北京 100081)

0 引 言

射孔弹射孔过程中装药爆轰驱动金属药型罩向轴心压合,在轴心处发生高速碰撞,通过能量重新分配,产生超高速聚能金属射流和速度相对较低的杵体,作用于枪管、井液、套管和水泥环并在油气岩层形成通道。聚能射流是一种高塑性、高应变率的流体,聚能射流侵彻金属和岩层,碰撞点压力为1011Pa量级,这个压力级别,材料的强度[1]可以被忽略。

射孔弹除了聚能射流和杵体之外,装药本身在密闭空间内爆炸,产生爆炸强冲击波并伴有高温、高压爆轰产物[2]的急剧膨胀,通过聚能射流造成的射孔枪穿孔,在井液中形成冲击波,并经过复杂的耦合、叠加过程对套管[3]形成复杂的强冲击加载。装药结构本身的非对称性,使作用于套管的冲击载荷也不对称、非均匀。射孔作业则是上百发或数百发射孔弹的时序爆炸[4]和作用,高温高压[5]井况条件更苛刻,爆轰流场存在极为复杂和一定时间范围内的持续性耦合和叠加效应,增加了套管所受冲击载荷的复杂性,导致套管处于极为复杂的强冲击载荷作用下的复杂应力和应变状态。套管的复杂应力和应变状态体现在强冲击载荷直接作用的径向挤压、载荷振荡和环压联合作用下的径向拉伸以及载荷非均匀性导致的径向剪切和轴向弯曲等。

研究了射孔爆轰理论模型,开展射孔对套管影响的动态响应机理研究,建立射孔预制孔眼的套管系统仿真模型和射孔时弹药量等效仿真模型,模拟计算等效条件下套管动态响应,初步总结了等效射孔对套管加载规律,提出缓解油层套管射孔动力学不平衡射孔对油层套管损伤的工艺措施。

1 研究思路和理论模型

1.1 基本研究思路

油气井完井套管的核心科学问题为跨尺度、强非线性动力学问题。时间尺度大致跨越6个数量级,压力尺度大致跨越5～6个数量级,加载时间达到微秒级、材料应变率大致跨越8～10个数量级,涵盖爆轰物理、爆炸力学,材料力学[6]、应力波理论、动力学分析以及考虑材料和结构缺陷的断裂力学[7]等多学科的交叉。事实上,现阶段圆满解决这一科学问题并指导相关的工程实践是难以做到的,而且相关学科和理论的发展尚不成熟,不足以支撑问题的彻底解决。限于对该问题的科学认知和理论发展水平,将其简化分解为爆炸冲击载荷解耦、复杂爆炸冲击载荷的套管动态响应、套管动态损伤准则与判据,经过有机整合,以期尽可能指导现实工程问题。

(1) 爆炸冲击载荷的形成、加载特性和规律与套管的动态响应独立考虑,分离处理。

(2) 研究数值模拟方法,对数值模型验模和修正,通过模拟得到反映爆炸冲击载荷时空特性和变化规律的加载曲线和方程,作为套管的动态响应分析的初始条件。

(3) 建立等效数值模拟方法,通过数值模拟研究套管的动态响应特性和规律,获得动态响应参数时空分布特性和变化规律,进一步得到动力学参数的工程计算模型和计算方法。

(4) 应用静力学强度理论和动力学参数相结合的损伤准则,提出合理的损伤判据形式。

1.2 套管的爆炸冲击载荷

射孔弹爆轰在射孔枪内形成爆炸冲击波,爆炸冲击波在不同界面上来回反射、透射,以压应力波的形式沿着枪体壁面向外扩展。枪管内壁在爆炸波的作用下向外膨胀,随着爆炸波通过枪管上孔眼向外传播,遇到井液发生反射和透射,透射冲击波抵达井筒内壁同样发生反射和透射现象。此时,枪体内因爆炸冲击波向外膨胀瞬间压力降低,受到反射波和井液动态高压向内的压合作用。作用过程见图1。

图1 枪体在内外压力场作用的动态力学模型

完井套管所受冲击载荷源为射孔弹爆炸冲击波、爆炸产物气体以及聚能射流。射孔弹爆炸后爆炸冲击波及随行爆炸产物气体先穿过射孔弹起爆孔作用于射孔对侧枪管壁面并通过井液传向套管(见图2);之后弹壳破裂,爆炸产物气体持续作用于射孔对侧管壁;高速射流依次穿过枪管、井液、套管、水泥环及岩层。射流属超强冲击作用。射流在与目标物质相互作用时存在巨大的径向动能,射流撕开套管的孔径往往远大于射流直径(横向冲击效应)。由于射流的定向作用,与射孔相对的一侧管壁则不受冲击。

图2 射流穿透冲击及径向效应示意图

射流形成一段时间(微秒级)后,爆炸产物才能持续作用于射孔侧管壁,形成的冲击波通过枪管壁以及孔眼传播进入井液再作用于套管内壁,该过程会与射流冲击压力波产生时域耦合。射孔弹爆炸时刻起一直到岩层中形成完整孔道整个时间段,由爆炸所引起的强冲击载荷一直以非对称的形式加载于套管(见图3)。

图3 冲击波非对称加载示意图

射流穿孔时径向动能作用于套管壁使孔眼周围出现横向效应区。相邻孔眼横向效应叠加区域体现为管壁单元的轴向挤压,交错区则为轴向剪切(见图4)。除此之外,2道应力波正碰后同时反射稀疏波,在一定区域叠加后也会产生局部拉伸。射流在开孔过程中会使管壁局部区域产生轴向的拉、压、剪或其叠加。非对称耦合的爆炸载荷下,套管壁正、负压力相位分部使套管整体响应为扭转、弯曲等屈服现象[8-9],但在管壁局部则形成径向剪切。

图4 套管在螺旋分布、周期加载载荷作用下扭转、剪切示意图

2 等效数值仿真

射孔枪爆炸冲击动力学响应是套管系统振动、变形乃至损伤的主要原因。射孔弹的壳体效应、射孔枪的管道效应以及多点爆炸产生的冲击波耦合效应,使套管的冲击波加载规律以及管柱动力学响应规律变得极为复杂。射流速度极高,套管壁孔眼可认为瞬时形成,以射流为载荷源时忽略对壁面冲击作用而以射流横向效应为主。不同孔眼横向效应区分时序相互叠加则会使套管壁产生局部应力集中(见图5)。

图5 射孔周围横向效应区叠加示意图

射孔作业系统包括射孔弹、射孔枪管、套管、枪管内空气、枪管外井液。射孔弹又包括了药型罩、装药及壳体3部分。空气、井液、装药及药型罩为流体材料,采用ALE算法;枪管和射孔弹壳体采用Lagrange单元算法。炸药的起爆和爆炸过程是一种快速的化学反应过程,描述采用CJ理论模型。

数值仿真模型采用等效方式,根据孔密、相位等参数[10]在套管和枪管壁都在建模时预制了孔眼,按射孔弹相位排布以模拟射孔孔眼。枪管内射孔弹模型以等效炸药块替代,不会生成射流。该模型示意图见图6。

图6 套管系统建模

以射孔孔眼圆心为基准选取模型横截面,可见套管与枪管间有2个单元厚度的井液模型网格。爆炸压力波通过井液加载于套管内壁之上;提取紧邻套管的一层网格压力数据峰值作为极坐标系下ρ值,根据该层网格每1个单元网格中心点x、y坐标值计算出该单元与水平直线间夹角作为坐标系下θ值。按该方法,任意提取连续6枚射孔弹位置处爆炸加载曲线。

爆炸产生气体会通过起爆孔溢出直接作用于管壁,管壁一侧爆炸加载峰值高。套管预制射流孔,该处压力值低;真实情况下药型罩会阻碍爆炸气体膨胀,当射流几乎完全通过孔眼后爆炸冲击才作用于射孔侧管壁,压力峰值也会很低。射孔弹壳体碎裂须要消耗能量,弹壳主体部分所对应的侧向管壁压力值也较低。理论上,相邻上下2个弹间会相互影响,加载曲线形貌应该类似于三瓣状曲线,最高峰代表爆炸气体冲击,其余两瓣次高峰代表上下2个弹干扰、叠加。将这6条曲线汇总于同一坐标系中,所得结果见图7。

图7 连续6枚弹加载曲线

6条曲线峰值相差很大,且不同加载曲线出现差异很大的形貌,没有办法给出合理解释。出于安全考虑,选取峰值最高的曲线作为爆炸加载基准载荷,得到的套管响应结果也是保守的。这些曲线并不是压力—时程曲线,不能直接用于加载计算,仍需要对其做进一步处理。

将套管分为4段(见图8),A、B区所占弧度分别为60°,C、D所占弧度分别为120°。A区代表射孔弹后侧管壁,B区为射孔侧,C、D为射孔弹侧面。根据图9所示曲线特点提取各区内所有单元的耦合压力—时程曲线,再分别加载到新建立的套管壁上,相当于将由复杂模型计算出的加载曲线“映射”到了相对简单的套管壁上。

图8 爆炸载荷示意图

射孔时形成的爆炸冲击波及爆炸产物膨胀做功,套管在非对称耦合作用下会产生与射孔相位分布形式一致的压力分布带。射孔弹起爆后套管孔眼处的管壁与孔眼对侧的管壁受力不均衡,存在响应时间差,孔眼测与孔眼对侧形成2条不同的压力分布带,爆炸冲击波先到达射孔对侧管壁,射孔侧高压区与射孔对侧高压区最终形成双螺旋排布(见图10)。

6枚射孔弹顺序起爆,爆炸冲击波在时间、空间2个维度耦合叠加,套管管壁一部分区域体现为压力增强,另一些区域反而因为稀疏和拉伸效应出现压力减弱。

图10 流场超压区的双螺旋排布

通过数值系列仿真研究,射孔弹爆炸的整个冲击加载过程中应力波在管壁中来回振荡,压缩波和拉伸波往复交替或同时作用,管壁局部承受拉伸或挤压作用或二者耦合形成局部剪切,其中压缩体现为正压,拉伸体现为负压。随着射孔装药量的增加,作用于套管的冲击载荷峰值增幅不大,但是其高幅值的载荷作用时间加长。

3 阶段结论

(1) 架构了管柱动力学分析的研究思路,利用数值仿真手段论证了其可行性;爆炸冲击波透过枪管壁及井液,通过时间、空间非对称耦合、叠加对套管形成强冲击加载,可能使套管局部屈服。

(2) 爆炸产物气体膨胀做功与冲击波在时序上的叠加可能使套管二次屈服以及发生局部剪切。

(3) 射流横向效应叠加为管壁局部拉、压、剪的组合破坏。

(4) 套管壁孔眼的形成破坏了套管完整结构,打破了套管力学平衡状态,使套管产生径向位移及轴向扭转的趋势(该作用产生力、力矩大小虽低于上面3个过程,但随着套管长期使用,扭转、弯曲效应不断增强,套管更易发生疲劳损伤和断裂)。

图9 爆炸载荷曲线*非法定计量单位,1 bar=0.1 MPa,下同

4 建 议

(1) 提高套管井固井质量,良好的固井质量有助于抑制套管变形。

(2) 减少一次性起爆的装药量,特别是对于长井段射孔,建议减少孔密,推荐为13孔/m。可应用分段延时的起爆方式,利用射孔起爆的时间差缓解套管的瞬间力学作用。

(3) 优化配置射孔相位、孔间距等参数(比如用13孔/m)。

(3) 如果射孔药量仍然较大,建议采用分段延时起爆方式,利用射孔起爆的时间差缓解套管的瞬间力学作用。

(4) 建议射孔采用60°相位,降低非对称耦合、叠加对套管形成的强加载作用,有利于射孔时套管力学平衡。

参考文献:

[1] Timoshenko S P, Gere J M. Theory of Elastic Stability [M]. Second Edition. New York City: MeGraw Hill Book Co Inc, 1961.

[2] 卢熹, 王树山, 马峰, 等. 爆炸冲击作用下射孔管柱

动力学响应试验 [J]. 科学技术与工程, 2014: 33.

[3] Godfrey W K. Casing Damage Caused by Jet Perforating [C]∥SPE3043, 1970.

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