聚能射流形成及破甲过程的数值模拟分析

中图法分类号 O 343. 2 TE951;
文献标志码 A
油气井射孔是 一项非常重要 的完井作业。水 力射孔、激光 射孔等 新型 射孔技 术由于 市场 经济 的拉动在 国 内外 石 油射 孔 领域 获得 了 长 足的 发 展, 但是作业 周期 长、投 资费 用高, 所以 未在 石油 射孔方面获得大面积的推广应用。而采 用爆破技 术手段的聚能 射孔以 其快速、高 效、低廉、作 业效 果显著等特点占据着完井作业的 重要地位。这就 是以石油射孔弹为核心, 利用聚能装药效应, 在引 爆射孔弹之后 产生高 温、高压、高能 量密 度射流, 在极其短暂的时间内 ( 微秒级或毫秒级 ) 将射孔枪 及套管穿透并射入含油层的岩石中, 使得井筒环 境与底层环境相互沟通, 从而形成有效的流油 通道。
表 1 不同炸高对应的侵彻结果
炸高 /mm 19. 1 22. 92 26. 74 30. 56
射流头部节点编号 332 487 600 1115
侵彻深度 /mm 射流断裂时刻 /!s
162. 148
36
197. 989
40
185. 962
52
171 346
32
从上表可以看到, 就射流形成过程而言, 随着炸高
第 9卷 第 23期 2009年 12月 1671 1819( 2009) 23 6960 05
力学
科学技术与工程
Science T echno logy and Eng ineering
V o l 9 N o 23 Dec. 2009 2009 Sci T ech Engng
聚能射流形成及破甲过程的数值模拟分析
G runeisen常数, #是 ∀0 和 != - 1的一阶体积修
0
正量。
1. 3. 3 射孔枪壁 采用 弹塑 性材 料 模型 和 G rune isen 状态 方 程
描述。
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2 创建有限元模型和数值模拟
由于药型罩 在爆炸作用下 形成射流的过 程中 存在大变形大应变, 使用 L agerange算法会造成单元 严重畸变, 因此需要使用自适应网格。射孔枪壁使 用 L agerange算法, 自由划分网格, 其有限元模型如 图 3所示。
以工程普遍使用的石油射孔弹为例, 如图 1所 示。设射孔弹装药高度 41 5 mm, 药型罩锥角 64 ,
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罩壁厚 1 5 mm, 射孔枪身外径 127, 内径 113, 在 3 200 m 井深最佳盲孔深度 3 mm[ 2] , 最佳盲孔直径 是 35. 6 mm, 其截面尺寸如图 2所示 ( 由于结构的对 称性, 取一半分析 ), 在此不考虑射孔弹起爆后爆轰 波对聚能射流和侵彻深度的影响, 装药为 32 g RDX 炸药。
( S chool of Bas ic S cience, C hangchun U n iversity of Technology, Changchun 130012, P. R. C hina; The Second W ell Logg ing D epartm en t of D aq ing D rilling Corporation1, D aq ing 163000, P. R. Ch in a;
增加, 射流可以充分地得到拉伸, 射流头部速度增加,
侵彻深度提高; 但是另一方面, 随着炸高的增加, 射流
头部速度又降低, 侵彻深度也有降低。在 1 6倍炸高
即炸高为 30. 56 mm 时, 从显式动力分析的后处理程序
中得到的结果显示, 射流在充分拉伸过程中不稳定, 原
因是产生了径向能量分散和摆动, 过早的断裂影响了
由于爆炸实 验费 用昂 贵, 试验 过程也 比较 漫 长和复杂, 测 量手段 和观 测条件 在很大 程度 上限 制了爆破的试验研究。利用流体力学和 动力学模 型来描述射流 的过程 需要综 合化学 反应 方程、反 应率方程、热 传导 方程、材料 本构关 系等 方程, 这 些方程只有在 很多假 设、极其简 化的情 况下 才能
式算法特别适合分析此类高 度非线性的复杂 力学 过程, 以期能够真实 地反映药型罩的 压垮、射 流形 成及拉伸、断裂的 过程和 聚能 射流对 射孔 枪的 侵 彻, 即破甲过程。射 孔枪通常由无缝 钢管制成, 枪 身内壁有定位和紧锁机构, 确保了枪体内的每发射 孔弹都能对准枪 体盲孔位置。在对模型进行 分析 的基础上, 给出如下基本假设: 炸药、药型罩和射孔 枪壁都是均匀 连续 介质, 整个 爆炸过 程为 绝热 过 程, 计算采用顶部中心点起爆, 忽略弹壳对射流的 影响, 装药及侵彻结构是轴对称结构。 1. 2 几何模型
1. 3 材料模型 在聚能装药射流形成及破甲的数值模拟中, 涉
及到炸药、药型罩和射孔枪 壁三种材料模 型, 其具 体参数在 K 文件里可显示。 1. 3. 1 炸药
程序提供了 MAT _H IGH _EXPLOS IVE _BURN 高 能炸药材 料模型, 爆 轰产物 压力 与体积 关系 采用 JW L 状态方程, 其一般形式为 [ 3] :
2009年 7月 31 日收到
国家高技术研究发展计划 ( 863 计划 )
项目 ( 2006AA 09Z326) 资助
第一作者简介: 韩秀 清 ( 1946 ) , 女, 教授, 研 究方向: 有限元 法的的
工程应用, 计算力学, E m ia:l iam caolin a827@ 126. com。
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以上各图的标度条为图中各单元的应力大小, 以不同颜色清晰的表示。最上边的红色为最大值, 最下边的蓝色为最小值, 中间从下到上表示的应力 值逐渐增大。
3 炸高对聚能射流侵彻作用的影响
石油射孔弹药型 罩底径端面到靶 板之间的垂 直距离, 即所谓的炸高, 影响着聚能射流对靶板 ( 这 里是射孔枪壁 ) 的侵彻深度, 也就是 破甲深度。作 为算例, 在前述模型数据的基础上, 使用实验参数, 以期找到炸高这一参数 对侵彻深度的 影响。具体 模拟结果如表 1所示。
取得解析解, 且误差较大。然而, 数值解能够突破 控制方程的限制, 可以得到更接近实际情 况的解。 因此, 利用计算 机对聚 能装药 爆破形 成射 流及破 甲过 程 进 行 数 值 仿 真 就 成 为 一 种 重 要 的 研 究 方法 [ 1 ] 。
1 计算模型
1. 1 基本假设 本文所采用 的有限元显式 动力分析软件 的显
侵彻深度。因此, 最佳炸高为 22. 92 mm。
4 结语
运用大型有限元软件做前处理, 利用通用显式动 力分析程序对圆锥型聚能装药射流进行了数值模拟。 这样可以在不引入其他干扰因素的情况下, 对侵彻过 程进行计算, 遇到特殊点还可以任意跟踪和放大观 察[ 5] , 从而得到试验无法得到的数据。数值计算结果 符合石油射孔弹聚能装药射流的物理现象和规律, 存 在一定程度的误差, 但在工程允许的范围之内。
实际上, 石油射孔弹的破甲作用包括依次对射 孔枪壁、套管、水泥环和岩层的侵彻穿透, 因此为了 更真实的模拟这一过程, 需要作进一步的研究。
参考文 献
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2 田新莉. 高孔密石 油射孔枪 结构优化 设计方法 研究. 长春: 长春 工业大学, 2007
E
s
=
A R1
exp (
-
R
1V)
+
B R2
exp (
-
R2V)
+
CV; V
ps = A exp( - R1 V ) + B exp( - R2 V ) + CV- ( + 1) 。 式中: ps 为等熵压力, E s 为等熵比热力学能, V 是爆 轰产物的相对体积, A、B、C、R 1、R2 为待定常数。
图 3 有限元模型
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聚能射流的形成及破 甲过程的数值 模拟结果 如图 4所示, 分别是各个典型时刻聚能的形成和 侵彻射孔枪壁即破甲过程的等效 应力云图。从图 中可以清晰的看 到: t = 0 !s是炸 药的初始 状态; t = 10 !s时, 在爆轰产物的作 用下药型罩向对 称轴 线运动、碰撞, 射流头部已经形成, 此时, 最大应力 发生在距药 型罩锥 顶一 定距离 处 ( 第 3 841 个单 元 ) , 且数值为 4. 686 ! 10- 3, 即图中标度条最上边 所示; t= 20 !s时 炸药基本爆轰 完毕, 对 射流的形
韩秀清 曹丽娜 曹宇新1 张永光 2
(长春工业大学基础科学学院, 长春 130012; 大庆钻探工程公司测井二公司 1; 大庆 163000; 吉林大学 建设工程学院 2, 长春 130026)
摘 要 通过有限元 显式动力分析软件的显式算法, 对工 程普遍 使用的 某一型号 石油射 孔弹装 药爆破 的聚能 射流形 成过程 和对射孔枪壁的侵彻 作用进行了数值模拟, 对其模 拟结果 进行了 讨论。分析 了与破 甲深度 密切相关 的炸高 参数的 特性。计 算结果与射孔枪聚能 射流形成及破甲的物理现象和规律相 吻合, 说明该 计算模 型和模 拟方法 合理、可行, 可用 于聚能 装药的 优化设计, 对石油射孔弹生产及科研有一定的作用。 关键词 有限元分析 聚能射流 侵彻 数值模拟
Construction Eng ineering College, J iL in U n iversity2, Changchun 130021, P. R. Ch ina)
[ Ab stract] Num erical sim ulation o f the shaped charge jet form ation process and pene trat ion through the w all of perforating gun are m ade by use of the exp licit dynam ic finite elem ent analysis program. And the resu lts o f num eri ca l sim u lation are d iscussed. T he d istribut ion character o f the param eter, w hich is called he ight of burst , is ana lysed. T he resu lts o f num erical sim u la tion are agreem ent w ith physica l phenom ena and law s o f jet form at ion and penetration. T he study ind icates that the calcu lation m odel and sim ulat ion m ethod are reasonable and feasible, so can be applied to the optim izing design for shaped charge jet, wh ich m ay be used for re ference to m anufacture and scient ific research o f perforat ing bulle.t [ Key word s] fin ite elem ent ana lysis shaped charge jet penetration num erical sim ulat ion
1. 3. 2 药型罩 用 Johnson Cook本构模型和 Grune isen状 态方
程来描述, 而 G rue isen状态方程为:
p=
1-
0 c2 ! 1+
1-
∀0 2
!-
a !2 2
( s1 -
1) !-
s2
!2 !+
1
-
s3
!3 ( !+ 1) 2
+
( ∀0 + a!)E。 其中, c是 vs vp 曲线 (即剪切 压缩波速曲线 ) 的截 距, s1、s2 和 s3 是 vs vp 曲 线 的 斜 率 系 数, ∀0 是
Num erical Sim ulation of the Shaped Charge Jet Formation and Penetration through theW all of P erforating Gun
HAN X iu qing, CAO L i na, CAO Y u x in1, ZHANG Y ong guang2
成影响很小, 因此删除炸药 PART 和炸药与金属药 型罩间的接触 [ 4 ] , 药型罩向轴线 闭合运动时, 由于 金属质量收 缩到直 径较小 的区域, 因 此罩 壁必然 冲厚, 同时在枪壁处碰撞, 在碰撞点附近周围区域 形成高温、高压高应变区, 并穿透枪壁; t = 30 !s射 流较好; 在 t= 40 !s后, 射流拉伸、颈缩, 直到断裂 为小段, 各小段射流的长度不再发生变化, 继续运 动时, 隔断射流间距逐渐加大。
3 恽寿榕, 赵衡阳. 爆炸力学. 北京: 国防工业出版社, 2005 4 史党勇, 李裕 春, 张胜民. 基于 AN SY S /LS DYNA 8. 1 进行 显式动
力分析. 北京: 清华大学出版社, 2005 5 章 媛. 线型聚能装药射流形成及 侵彻钢板 的数值模拟. 科技情
报开发与经济, 2006; 16( 23) : 181 182