西安通源石油:射孔枪几个结构设计问题的数值分析

2013-07-22 by:广州ANSYS Workbench软件培训中心来源:仿真在线

摘要:射孔枪在结构设计后的投产过程中,存在几个典型问题影响着射孔作业的顺利开展,如冲击载荷作用下的螺纹连接问题、射孔枪胀形尺度问题和影响射孔枪强度的盲孔问题。本文针对上述三个问题开展了数值模拟的研究分析,指出了妥善处理和控制结构设计问题的关键,给出了一些结构设计技术参数的量化指标,仅供设计人员参考。关键词:射孔枪、结构设计、螺纹问题、盲孔问题、胀形问题、数值模拟射孔技术的发展离不开理论和工艺的进步,理论和工艺研究的发展能够促进射孔技术的进步,尤其是基础理论的研究。虽然射孔技术在石油工业中的应用已经多年,但国内在射孔的理论和工艺研究上的突破有限,射孔技术的发展举步艰难,迫切需要应用新的分析方法、工艺和技术进行指导和优化[1,2]。在这种需求的带动下,随着数值模拟理论和技术的进步,结合二者的功能和需求极大地促进了数值模拟技术在石油射孔中的应用,并呈现出一种方兴未艾的繁荣景象。

本文就利用数值模拟技术具体地分析射孔枪在冲击载荷作用下的螺纹连接问题、射孔枪胀形尺度问题和影响射孔枪强度的盲孔问题,希望能够引起同行的关注。

西安通源石油:根据射孔枪材料试验测试出来的动态特性,可以用Johnson-Cook模型来表述材料的塑性行为,则具体数学模型表达式为:

其中材料模型中的常数内详。

载荷模型[4,5]

西安通源石油:数值模拟中不考虑射流过程,分析的起始状态已经存在射流孔和泄压孔。由于不能在欧拉网格上直接施加压力载荷,所以采用施加一个爆燃气体压力场来解决载荷施加的问题。

射孔枪胀形问题

研究在井下施工环境中射孔枪枪体结构的胀形问题需要考察载荷、环压、壁厚等因素导致结构的塑性变形是否超过工程中施工要求,即径向胀形量是否≤5mm。另外找出结构在爆燃载荷冲击作用下几处关键部位的应力应变水平,同时也可以考核环空动态压力场,并与井下实验测点的数据进行比较。

数值模拟分析

西安通源石油研究发现:取一个射孔单元的枪身进行分析,建立数值模型如图2所示,包括井液、套管、足够大的地层岩石和边界约束条件。应用LS-Dyna的动态冲击求解器进行模拟计算,所得到的射孔枪膨胀变形的塑性应力应变云图如图3所示,表明了孔口边界的应力集中和塑性变形远远高于其他部位,以及射孔枪径向位移/变形在一定冲击载荷下的最大塑性变形仍然小于5mm的数值结果。