射孔枪通过弯曲井段的静强度分析方法

射孔枪在到达射孔目的层之前要经过的井段可能存在较大曲率,此时射孔枪会受到强制弯曲,应对其进行强度计算,来确定射孔枪是否可以安全通过特定曲率的井段。文中将射孔枪串的弯曲分为常规弯曲变形和极限弯曲变形,利用简支梁受集中力的计算模型推导出常规弯曲变形时的位移函数,利用等曲率圆的方程推导出极限弯曲变形时的位移函数。然后选取一段射孔枪串作为分析模型,利用通用的有限元软件,通过设置定向位移加载位移函数的方式,模拟射孔枪的弯曲,计算其最大应力值,并探讨不同孔密和不同长度对射孔枪弯曲时静强度的影响。

TP170P大口径高钢级射孔枪管开发

随着油层套管的口径越来越大,下井深度越来越深,对大口径射孔枪管的强韧性要求也越高,为保证射孔作业安全并提高射孔枪管抗外挤能力,必须提高枪管强度并匹配较高的冲击韧性。天津钢管制造有限公司开发了TP170P,Φ244.48 mm×11.99 mm大口径高强度射孔枪管,热处理后屈服强度≥1 200 MPa,0℃夏比冲击功纵向达到110 J、横向在85 J左右。同时具备良好的高温拉伸性能和优良的低温冲击韧性。在300℃高温条件下屈服强度仍然达到1 056 MPa,低温冲击韧脆转变温度小于-40℃,可以保证枪管在高温超深井服役,并在寒冷地区具有低温韧性,扩大了产品的使用范围。同时,具有良好的抗硫化氢应力腐蚀能力、抗氢致开裂能力及轧制热变形能力。

石油射孔枪钻孔深度检测控制装置

石油射孔枪是石油开采行业非常重要的工具,由于石油射孔枪需要内部爆破,使之在浅盲孔处释放压力冲击波,所以在石油射孔枪制造时浅盲孔的加工是加工工艺的重点难点。传统加工需要经验丰富的车工进行加工,且费时费力。本装置可以实现自动化高精度加工,效率高、成品工件质量好、浅盲孔深度一致。

射孔枪射孔过程数值模拟及参数控制

采用有限元方法模拟了射孔枪射孔过程,研究了各个参数对射孔过程中毛刺生成及开孔边缘形状的影响。研究表明,射流速度、管壁盲孔半径以及盲孔深度的增加,均有利于降低毛刺生成的高度,并使射流开孔的边缘趋于圆滑,对提高射孔枪的性能有利。材料延展性的变化对毛刺生成和开孔边缘形状也有非常明显的影响。在内部膛压达到100MPa之前,在管壁上仅开一个孔和开完孔之后的射孔枪膛压—最大应力曲线非常接近;但当内部膛压达到100MPa之后,仅开一个射孔的管壁承载能力较所有开孔之后的管壁,其承载能力有一定程度的增加。

射孔枪射流形成的数值模拟与弹壳设计

采用有限元方法模拟射孔枪射流的形成过程,并进一步模拟了射孔弹弹壳撞击射孔枪管壁的过程,对比不同情况下,在弹壳外壁上增加不同的附加金属层,对射孔枪管壁鼓包高度的影响。研究发现,增加一层软金属可以有效地减少鼓包的高度,并且软金属的屈服极限对其高度有较大的影响,屈服越大的材料,在相同的应变率下,吸收的能量相对较多,鼓包高度会相应越低,加7075铝合金的射孔弹壳撞击枪壁,较未加软金属的情况,可以减少52.1%的鼓包高度。在应变率相近的情况下,材料的屈服极限与鼓包的高度,存在近似的线性关系。

基于Taguchi方法的射孔枪多目标优化设计

基于Taguchi方法,以射孔枪管形状参数中的管半径、射孔枪孔眼半径和开孔数为3水平试验因素,设计出一个3因素3水平正交表,通过有限元数值试验,计算了结构的极限载荷和位移。通过对结果进行极差和方差分析,确定了形状参数对结构性能的影响水平,综合考虑极限载荷和最大径向位移,采用区间取值(RTV)综合评分法进行了多目标结构参数优化。分析发现管径增大导致极限载荷增加,孔径和孔数增大导致极限载荷减小;管径、孔径和孔数增大都导致径向位移增大;在各种参数中,孔径的影响最为明显。

石油射孔枪弹间爆轰波干扰的仿真分析

通过有限元显式动力分析软件的显式算法对石油射孔弹顺序起爆后,弹间爆轰冲击波干扰的过程分别进行了二维和三维数值模拟,对其模拟结果进行了讨论。分析认为,影响高孔密射孔枪射孔效果的弹间干扰产生的主要原因是爆轰冲击波的压力场受到不同程度的干扰,破坏了弹体控制的爆轰波形。数值计算结果符合试验所得物理现象和规律。该模型对减小或消除石油射孔弹间干扰有借鉴作用。

基于SPH方法的射孔枪设计及射孔过程研究

基于SPH方法对射孔枪射孔过程进行了模拟,并实现高速射流情况下的射孔过程仿真。计算了射孔弹弹型不变的情况下以40CrNiMo为材料的枪筒,在不同射流速度下盲孔毛刺高度值,不同射流速度和不同盲孔深度下的穿孔直径以及不同材料下毛刺高度值。通过计算发现,盲孔毛刺高度随射孔速度的增加而降低,且高度值变化幅度越来越小;射孔枪的穿孔直径随射孔速度增大先增大而后减小。给出相应的射孔枪穿孔直径与射孔速度关系的拟合公式,射孔枪的穿孔直径随盲孔深度的减小而增大。对于同样尺寸的枪筒,40CrNiMo材料比45号钢有更高的冲击韧性,产生更小的毛刺和穿孔直径。

复合射孔枪枪身材料动态本构关系的试验研究

为确定复合射孔枪枪身材料32CrMo4钢在井下高温、高加载率工作环境下的动态性能,利用MTS试验机和分离式Hopkinson冲击压杆装置做了应变率为0.001、1000和3000/s,温度为294、373、473和573K的单轴动态压缩试验,得到32CrMo4钢各组温度及应变率下的流动应力-应变曲线。拟合得到该钢Johnson-Cook本构关系模型所需的5个参数,模型拟合曲线与试验曲线吻合。

一种新型单接头油管输送射孔枪及其应用

普光气田属于典型的"压力高、温度高、气体高含硫化氢"三高气田,且气井井深、井斜角大、射孔段长,传统射孔枪已无法满足现场需要,急需研制新型射孔枪。为此,在传统射孔枪研制技术的基础上,通过严格的枪身材质优选、规格确定、弹架结构和传爆接头设计以及导爆索优选,经过地面试验,成功地研制出了一种钢级TP110S,外径114mm,壁厚11mm,耐压120 MPa、耐温140℃以上的弹架紧固式单接头油管输送射孔枪。与传统射孔枪相比较,该新型射孔枪高抗硫、耐温高、抗压、抗拉、抗挤,在结构上采用弹架紧固式结构,使得弹架与枪体基本同轴,枪内炸高一致,提高了射孔的稳定性。目前该新型射孔枪已在普光气田现场多口气井投产中得到应用,射孔成功率达100%,且气井的产气量与预测结果一致,表明射孔枪设计合理、性能可靠,可在类似气田的开发中推广使用。

新型水平井复合射孔枪研究与应用

目前大庆油田水平井均采用φ139.7 mm套管,由于水平井水平段起伏波动常造成套管变形,使得套管内有效内径变小,需要研制一种新型水平井射孔枪。通过严格的枪身材质优选、弹架结构设计、枪身连接结构设计和新型射孔弹开发,研制了95型水平井射孔枪和新型深穿透射孔弹。新型射孔枪的平均穿深达到645 mm以上,比89型水平井射孔枪穿深提升29%,并且能够实现在水平井射孔段内任意方向定向射孔。通过室内试验检测了95型水平井复合射孔枪的安全性能指标,优化出了最佳火药装药量。大庆油田现场试验证明,研制的新型水平井复合射孔枪完全满足水平井复合射孔的需要。

超高压射孔枪不同盲孔深度下抗外压性能分析

在对超高压射孔枪耐压性能的研究中,现有文献大多以理想射孔枪模型为基础,未考虑射孔枪外径椭圆度和壁厚不均度等几何缺陷的影响。为此,建立了不同盲孔深度下超高压射孔枪的理想几何模型和含几何缺陷的模型,采用有限元分析法对其外压挤毁过程及挤毁压力进行了模拟分析,并通过射孔枪外压挤毁实物试验对模拟结果进行了验证。研究结果表明:随着盲孔深度的增加,射孔枪抗外压挤毁模拟值与试验结果的变化趋势总体相同,均同步降低;另外,存在几何缺陷的射孔枪,当外径椭圆度和壁厚不均度变化均较大时,挤毁位置位于外径椭圆度变化最大的截面附近,即外径椭圆度是挤毁发生的主因;当外径椭圆度较小且变化相对稳定时,挤毁发生在壁厚不均度最大的截面附近。综合对比模拟与试验结果,得出盲孔深度一定时,引入外径椭圆度和壁厚不均度两大几何缺陷的模拟分析方法能够更有效地分析预测射孔枪外压挤毁压力及挤毁位置。研究结果可为射孔完井作业提供理论指导。

爆轰与聚能射流下射孔枪和套管的应力强度耦合仿真分析

为了探明聚能射孔爆轰冲击载荷下套管的力学性能,在LS-DYNA软件中建立射孔弹-射孔枪-套管三维模型,应用ALE算子分离算法,实现爆轰、药型罩固流转化、侵彻套管和射孔枪的大变形与流固耦合仿真,分析爆轰波叠加对能量、密度、射流速度、套管和射孔枪强度的影响。结果表明,射孔枪射孔孔径为18.7 mm,套管射孔孔径为7.7 mm,穿透射孔枪盲孔过程消耗了大量能量;射孔枪各孔相连125 mm宽带内,最小应力774 MPa,接近材料屈服强度,高爆轰压力作用下发生了"胀枪";对比单射孔弹射穿套管,3枚射孔弹所用时间减少了8μs,最大应力增加了260 MPa,并且套管应力值超过材料屈服强度范围(较单枚增加了2.5 mm的圆环),爆轰重叠区域中心的套管应力也提高了739 MPa,说明爆轰波弹间的叠加加重了对套管的伤害。研究结果为射孔枪安全优化设计和爆轰冲击下套管的力学性能分析提供了技术指导和新思路。

石油射孔枪的有限元结构优化设计方法

研究石油射孔枪盲孔的优化设计方法及石油射孔枪的弹塑性有限元优化设计方法。用该方法并应用著名的有限元程序ANSYS对系列射孔枪进行了分析。作为算例 ,给出了 10 2型射孔枪的系统而全面的结果。这项工作为石油射孔枪科学的优化设计开辟了方向。

复合射孔枪接头脱落的数值分析

在相同结构和装药量的条件下,复合射孔在井下作业能够产生较高的枪内压力,容易引起接头的剪切脱落失效。据此,从结构和内压角度,应用塑性动力学的数值方法和材料的破坏判据分析了引起接头脱落失效的几种因素。发现螺纹剪切破坏存在一定的时间序列和顺序,以及载荷与失效的规律,为防止井下作业中复合射孔枪接头脱落失效提供了技术支持。

复合射孔枪在井液环境中冲击响应的数值分析

针对9mm壁厚的102射孔枪在井液环境下的抗动载能力进行了系统的数值分析,用有限元软件流固耦合算法模拟了射孔枪在井液环境下的冲击响应。计算结果表明,射流孔及泄压孔孔边纵向位置的应力集中最明显,即枪身沿轴向裂开的可能性较大。另外,对影响射孔枪胀形量的一些因素进行了分析,结果表明枪内压力及射孔枪壁厚对射孔枪胀形量的影响较大,而岩石刚度对射孔枪胀形量的影响较小。

复合射孔枪身应变率测试的实验研究

为了实际了解射孔枪身在爆燃冲击载荷作用下的应变速率，通过实验测试研究，掌握了复合射孔枪应变率的分布特点和范围，即在复合射孔中射孔枪的应变速率在2000～5000s^-1，此结果表明霍普金森冲击试验（SHPB）的应变速率设定能够满足这个范围要求，冲击试验有效可行。实验研究结果能够指导率相关的枪身材料动态性能试验研究，确定应变率试验测试范围和材料动态本构方程，为复合射孔枪抗动载荷能力的数值模拟分析奠定基础。

基于计算智能的射孔枪结构优化设计方法

在对石油射孔枪结构进行有限元分析的基础上,利用BP神经网络建立射孔枪结构设计参数盲孔处最大应力与盲孔深度、盲孔直径的全局性映射关系,获得遗传算法求解结构优化问题所需的目标函数值,用改进的遗传算法进行射孔枪结构优化设计。结果表明,基于神经网络和遗传算法的优化技术应用在射孔枪结构优化设计中有效、合理。提出的优化技术为工程领域中复杂、多变量,尤其是设计目标无法或难以表示成设计变量显函数的优化问题求解,提供了新的思路和技术手段。

石油射孔枪枪体结构优化设计

在石油射孔枪结构设计中引入优化设计技术。应用ANSYS的APDL参数化语言对射孔枪盲孔的直径、深度和枪体壁厚进行优化设计,得到了在满足使用要求条件下的最小壁厚。并在此基础上,研究了盲孔直径及深度对射孔枪强度的影响。结果表明,随着盲孔深度的增加,射孔枪枪体盲孔部位的等效应力增长显著,盲孔深度对射孔枪的强度有着很大的影响,而盲孔直径对强度的影响较小。

射孔枪抗外挤强度的影响因素分析

射孔枪抗外挤强度是射孔器材设计厂家及用户关心的关键问题之一,应用SolidWorks软件建立射孔枪三维模型,再将其导入ANSYS有限元分析软件,建立了射孔枪三维有限元分析模型,考察了射孔枪抗外挤强度的影响因素及其影响规律。研究结果表明:抗外挤强度随孔密和孔眼直径的增加而减小,在其他条件相同的情况下,孔密为24孔/m射孔枪抗外挤强度比8孔/m时减小约8. 71%;30°、45°、60°、90°、120°及180°等常用螺旋布孔相位角中,相位角为60°时射孔枪的抗外挤强度最高;盲孔深度对抗外挤强度的影响最大,随盲孔深度的增加,射孔枪抗外挤强度急剧减小;若同轴度和圆柱度公差大于1 mm,射孔枪抗外挤强度降低较多;随着入井温度的升高和轴向拉力的增大,射孔枪的抗外挤强度也会有所降低。研究结果可为研制新型射孔枪提供理论依据。