西安通源石油:射孔槍幾個結(jié)構(gòu)設(shè)計問題的數(shù)值分析

2013-07-22 by:廣州ANSYS Workbench軟件培訓(xùn)中心來源:仿真在線

摘要:射孔槍在結(jié)構(gòu)設(shè)計后的投產(chǎn)過程中,存在幾個典型問題影響著射孔作業(yè)的順利開展,如沖擊載荷作用下的螺紋連接問題、射孔槍脹形尺度問題和影響射孔槍強度的盲孔問題。本文針對上述三個問題開展了數(shù)值模擬的研究分析,指出了妥善處理和控制結(jié)構(gòu)設(shè)計問題的關(guān)鍵,給出了一些結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)參數(shù)的量化指標(biāo),僅供設(shè)計人員參考。關(guān)鍵詞:射孔槍、結(jié)構(gòu)設(shè)計、螺紋問題、盲孔問題、脹形問題、數(shù)值模擬射孔技術(shù)的發(fā)展離不開理論和工藝的進步,理論和工藝研究的發(fā)展能夠促進射孔技術(shù)的進步,尤其是基礎(chǔ)理論的研究。雖然射孔技術(shù)在石油工業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)多年,但國內(nèi)在射孔的理論和工藝研究上的突破有限,射孔技術(shù)的發(fā)展舉步艱難,迫切需要應(yīng)用新的分析方法、工藝和技術(shù)進行指導(dǎo)和優(yōu)化[1,2]。在這種需求的帶動下,隨著數(shù)值模擬理論和技術(shù)的進步,結(jié)合二者的功能和需求極大地促進了數(shù)值模擬技術(shù)在石油射孔中的應(yīng)用,并呈現(xiàn)出一種方興未艾的繁榮景象。

本文就利用數(shù)值模擬技術(shù)具體地分析射孔槍在沖擊載荷作用下的螺紋連接問題、射孔槍脹形尺度問題和影響射孔槍強度的盲孔問題,希望能夠引起同行的關(guān)注。

西安通源石油:根據(jù)射孔槍材料試驗測試出來的動態(tài)特性,可以用Johnson-Cook模型來表述材料的塑性行為,則具體數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為:

其中材料模型中的常數(shù)內(nèi)詳。

載荷模型[4,5]

西安通源石油:數(shù)值模擬中不考慮射流過程,分析的起始狀態(tài)已經(jīng)存在射流孔和泄壓孔。由于不能在歐拉網(wǎng)格上直接施加壓力載荷,所以采用施加一個爆燃?xì)怏w壓力場來解決載荷施加的問題。

射孔槍脹形問題

研究在井下施工環(huán)境中射孔槍槍體結(jié)構(gòu)的脹形問題需要考察載荷、環(huán)壓、壁厚等因素導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的塑性變形是否超過工程中施工要求,即徑向脹形量是否≤5mm。另外找出結(jié)構(gòu)在爆燃載荷沖擊作用下幾處關(guān)鍵部位的應(yīng)力應(yīng)變水平,同時也可以考核環(huán)空動態(tài)壓力場,并與井下實驗測點的數(shù)據(jù)進行比較。

數(shù)值模擬分析

西安通源石油研究發(fā)現(xiàn):取一個射孔單元的槍身進行分析,建立數(shù)值模型如圖2所示,包括井液、套管、足夠大的地層巖石和邊界約束條件。應(yīng)用LS-Dyna的動態(tài)沖擊求解器進行模擬計算,所得到的射孔槍膨脹變形的塑性應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖3所示,表明了孔口邊界的應(yīng)力集中和塑性變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他部位,以及射孔槍徑向位移/變形在一定沖擊載荷下的最大塑性變形仍然小于5mm的數(shù)值結(jié)果。

圖2數(shù)值模型的裝配結(jié)構(gòu)與邊界條件示意圖

同時,在這個數(shù)值模型中也可以得到爆燃?xì)怏w在井液中的泄壓過程和環(huán)空動態(tài)壓力場,具體的圖形如圖4所示,顯示了射孔槍內(nèi)爆燃?xì)怏w通過孔口迅速泄壓和環(huán)周的動態(tài)壓力。其中,數(shù)值分析得到的環(huán)空動態(tài)壓力峰值與試驗測得值誤差小于5%,表明數(shù)值分析的精度完全能夠滿足工程計算要求。

根據(jù)分析的內(nèi)容,這里給出了102射孔槍在不同環(huán)境和條件下的應(yīng)力、應(yīng)變、位移以及環(huán)空壓力的計算結(jié)果,具體數(shù)值如表1所示。

表1、不同載荷下102槍16孔密10mm壁厚的計算結(jié)果