不同测试方法对射孔弹穿孔性能的评价.pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2018. 02. 012 不同测试方法对射孔弹穿孔性能的评价 ❋ 李尚杰① 李必红① 盛廷强② 王 喜① 赵云涛① ①西安物华巨能爆破器材有限责任公司陕西西安,710061 ②中海油田服务股份有限公司天津,300452 [摘 要] 采用地面模拟装枪穿钢靶试验、整枪穿环形混凝土靶试验和地面模拟装枪穿砂岩靶试验 3 种不同的测 试方法评价一种 114 型射孔弹穿孔性能。 结果表明在射孔弹方案研制阶段,选择地面模拟装枪穿钢靶试验,试验 成本较低,对优化穿深性能有指导意义;地面模拟装枪穿砂岩靶试验作为射孔弹研制后期的评价方法,贴合射孔弹 对地层的射孔效能,对油气增产和射孔弹应用更具指导意义。 [关键词] 射孔弹;评价方法;性能 [分类号] TJ55;TJ410. 4;TE257 Evaluation of Perforation Performances of the Shaped Charge by Different Methods LI Shangjie①, LI Bihong①, SHENG Tingqiang②, WANG Xi①, ZHAO Yuntao① ① Xi’an Wuhua Ju’neng Blasting Equipment Co. , Ltd. Shaanxi Xi’an, 710061 ② China Offshore Oilfield Services Ltd. Tianjin, 300452 [ABSTRACT] In this paper, perforating performance of a Type 114 shaped charge was evaluated by three different test methods which are ground simulating gun penetrating steel target test, full gun penetrating annular concrete target test and ground simulated gun penetrating sandstone target test. The results show that in the perforation program developing stage, test cost of choosing ground simulation penetrating steel target is low, and the optimal penetration depth has guiding signifi- cance considering the perforation of realistic use of the environment. Ground simulated gun loading sandstone target test is the evaluation method of the developed stage of perforating bullet, matching the perforating efficiency of the formation, which is of more guidance to the oil and gas production and the shaped charge application. [KEYWORDS] shaped charge; evaluation methods; performances 引言 目前,对射孔弹的穿孔性能评价研究通常采用 地面固定炸高穿钢靶和混凝土靶。 其中,静破甲穿 钢靶由于具有试验方法简单、成本相对较低、试验装 置和试验环境要求低等优点被国内各射孔弹厂所采 用;而环形混凝土靶存在以下缺点制靶周期长28 d 以上,价格昂贵,靶体孔隙不均匀,靶体各部位的 强度不一致等。 这两种评价方法均不能真实反应射 孔弹在实际储层条件下的穿孔性能。 国外一直致力于在一定条件下射孔弹对各种岩 石的穿深变化以及射孔弹穿深性能对储层的射孔效 能等方面的研究。 1988 年,Halleck 等[1]研究了岩 石在压力条件下对射流穿深的影响;Grove 等[2]研 究了高压条件下射孔弹对岩石的穿深情况。 国内部分油田专业机构对射孔弹在岩石穿深性 能方面的研究也较多[3]。 靳福顺等[4]翻译了靶板 混凝土靶和贝雷砂岩靶结构对射孔弹侵彻深度 的影响;潘永新[5]论述了射孔弹穿深性能的评价方 法,介绍了不同材料靶板穿深的转换关系;董经利 等[6]研究了不同温度和压力条件下砂岩靶、灰岩靶 上的射孔试验,得出了穿深随不同温度、压力变化的 基本规律。 综上所述,国内射孔弹的穿深评价主要 停留在钢靶穿深和混凝土靶穿深方面,射孔弹在一 定条件下的应力岩石评价只有在部分专业机构中才 能实现,而各射孔弹生产厂家很少将应力岩石的评 价方法作为研制新型射孔弹的评价方法。 从有限射 第 47 卷 第 2 期 爆 破 器 材 Vol. 47 No. 2 2018 年 4 月 Explosive Materials Apr. 2018 ❋ 收稿日期2017-08-30 作者简介李尚杰1985 - ,男,硕士研究生,主要从事石油射孔弹的研究。 E-mailzbdx04081401@163. com 万方数据 孔效果的研究看,工程技术人员更倾向于射孔弹对 砂岩靶的穿深,因为它更接近在地层中的实际情况。 本文中,采用模拟装枪穿钢靶试验、整枪穿环形 混凝土靶试验和模拟装枪穿砂岩靶试验对某 114 型 深穿透射孔弹进行性能评价,希望通过这些试验数 据对比,引起业内各专家对射孔弹评价方法的关注 和思考,共同寻找一种在地层中更能充分发挥射孔 弹效能的评价方法,这对提高石油采收和射孔行业 的发展具有重大意义。 1 试验内容 1. 1 射孔弹 该射孔弹适用于 114 型射孔枪,药型罩结构采 用双锥加内层曲线结构,装药量 38 g,结构见图 1。 1 - 射孔弹壳;2 - 主装药;3 - 药型罩。 图 1 射孔弹结构示意图单位mm Fig. 1 Schematic diagram of the shaped charge Unit mm 1. 2 目标靶 试验中目标靶主要选用钢靶、环形混凝土靶和 砂岩靶。 钢靶主靶尺寸∅120 mm 280 mm;副靶尺寸 ∅120 mm 20 mm。 按照 GB/ T 204882006 油气井聚能射孔器材 性能试验方法[7]中的相关要求制备环形混凝土靶, 养护至少28 d。 靶的尺寸∅3 000 mm 1 500 mm, 靶的强度为 47. 1 MPa。 砂岩靶尺寸110 mm 110 mm 800 mm;材料 选用海相紫色砂岩,见图 2。 砂岩靶部分性能参数 见表 1 所示。 1. 3 性能评价方法 射孔弹穿钢靶和砂岩靶采用地面模拟装枪穿钢 靶和地面模拟装枪穿砂岩靶的试验方法,试验装配 见图3。 环形混凝土靶试验方法参照 GB/ T 20488 图 2 砂岩靶 Fig. 2 Sandstone target 表 1 砂岩靶部分性能参数 Tab. 1 Partial performance parameters of the sandstone target 性能测量值平均值 孔隙度/ %11. 3 12. 411. 8 密度/ gcm -3 2. 30 2. 352. 33 抗压强度/ MPa101. 2 112. 8107. 6 1 - 导爆索;2 - 射孔弹;3 - 枪内炸高;4 - 射孔枪 盲孔;5 - 清水;6 - 套管间隙;7 - 套管;8 - 目标靶。 图 3 试验装配示意图 Fig. 3 Schematic diagram of the test 2006 油气井聚能射孔器材性能试验方法[7]中的要 求进行;114 型射孔枪孔密度为 16 孔/ m。 2 结果分析与讨论 2. 1 模拟装枪穿钢靶试验 地面模拟装枪穿钢靶试验实物装配图及射孔弹 穿钢靶后的效果见图 4。 穿钢靶试验数据见表 2。 2. 2 整枪穿环形混凝土靶试验 整枪穿环形混凝土靶试验效果见图 5。 整枪穿 环形混凝土靶穿深及孔径数据见表 3。 2. 3 模拟装枪穿砂岩靶试验 地面模拟装枪穿砂岩靶装配图见图 6。 穿紫色 砂岩靶试验数据见表 4。 26 爆 破 器 材 第 47 卷第 2 期 万方数据 a装配图 b效果图 图 4 穿钢靶试验 Fig. 4 Test of penetrating steel target 表 2 地面模拟装枪穿钢靶试验 Tab. 2 Ground simulation of gun penetrating steel target 序号 穿孔深度/ mm 枪身孔径/ mm 套管孔径/ mm 1#3209. 112. 5 2#2889. 512. 7 3#3259. 212. 4 4#2989. 612. 9 5#3009. 012. 1 6#2889. 312. 4 平均值302. 09. 312. 5 标准差17. 600. 230. 28 图 5 穿环形混凝土靶试验效果图 Fig. 5 Effect drawing of ring-shaped concrete target testing 2. 4 试验结果分析 2. 4. 1 靶体强度对穿深的影响 114型深穿透射孔弹地面模拟装枪穿钢靶试 验、整枪穿环形靶试验以及地面模拟装枪穿砂岩靶 试 验数据见表5。不同强度的目标靶,射流穿靶的 临界速度vjc也不同。文中靶抗压强度从高到低依 次为钢靶、砂岩靶、环形混凝土靶。从表5中可得, 表 3 整枪穿环形混凝土靶试验 Tab. 3 Test of perforating ring-shaped concrete target 序号 穿孔深度/ mm 序号 穿孔深度/ mm 第 一 相 位 1# 5# 9# 13# 1 450 1 510 1 429 1 399 第 三 相 位 3# 7# 11# 15# 1 480 1 449 1 387 1 358 第 二 相 位 2# 6# 10# 14# 1 442 1 420 1 459 1 389 第 四 相 位 4# 8# 12# 16# 1 442 1 398 1 420 1 370 平均值1 425 标准差40. 7 图 6 穿砂岩靶装配图 Fig. 6 Schematic diagrams of penetrating the sandstone target 表 4 穿砂岩靶试验数据 Tab. 4 Test data of perforating sandstone target 砂岩靶 穿孔深度/ mm 枪身孔径/ mm 套管孔径/ mm 紫色砂岩靶 624 628 610 9. 2 9. 5 9. 1 12. 5 12. 7 12. 4 平均值621. 09. 312. 5 标准差9. 400. 210. 15 表 5 3 种测试方法的试验数据对比 Tab. 5 Test data comparison by three test methods 穿孔深度 均值/ mm 标准 差 枪身孔径 均值/ mm 标准 差 套管孔径 均值/ mm 标准 差 钢靶30217. 69. 30. 2312. 50. 28 混凝 土靶 1 42540. 79. 10. 5711. 70. 51 砂岩 靶 6219. 49. 30. 2112. 50. 15 362018 年 4 月 不同测试方法对射孔弹穿孔性能的评价 李尚杰,等 万方数据 随着目标靶强度的增大,射孔弹穿深呈下降趋势。 2. 4. 2 环形混凝土靶孔隙对穿深的影响 从整枪穿环形混凝土靶试验数据可知,环形混 凝土的标准差较大,主要影响因素有 1环形靶在制靶过程中混凝土振动次数和时 间等都会影响靶体内的孔隙度和均匀性,史进伟 等[8]研究了射流侵彻水夹层间隔靶的衰减情况,射 流在侵彻不同密度的介质过程中,由于被侵彻介质 密度不同,造成射流的断裂和飞溅。 环形混凝土靶 中气泡和泥浆交叉存在,空气气泡越多对环形混凝 土靶评价射孔弹穿深性能越不利。 2环形混凝土靶在固化过程中受重力影响,使 得强度存在差异,但未见有相关文献报道,从表 3 可 知,环形靶上半部分的穿深高于下半部分的穿深。 2. 4. 3 射孔弹穿钢靶与穿砂岩靶的穿深关系 文献[5]描述了地面钢靶与贝雷砂岩靶穿深的 转换关系,见式1和式2。 L1= L0 2 462 +8. 152Ys 2 462 +8. 152 55。1 式中L1指不同屈服强度的钢靶穿深转换成标准强 度 55 000 psi379. 5 MPa条件下的穿深,mm;L0为 钢靶实际穿深,mm;Ys为钢靶的屈服强度/1 000, psi5 000 psi =34. 5 MPa。 将标准强度下的钢靶穿深转换成抗压强度为 8 000 psi 的贝雷砂岩靶的穿深 T,有 L1-0. 976 =0. 387 5 T。2 式中L1为标准钢靶的穿深,mm;T 为 8 000 psi 强 度贝雷砂岩靶的穿深,mm。 结合式1、式2和试验结果及砂岩靶强度得 T KL2 = 8 000 p 。3 式中K 为修正系数,取值范围 1. 6 2. 8,砂岩靶强 度增加10 MPa,K 增加0. 3;L2为射孔弹穿砂岩靶的 实际穿深,mm;p 为砂岩靶的抗压强度,psi。 由于试验量有限,公式3仅适用于砂岩靶强 度范围为 70 110 MPa 的穿深转换。 3 结论与建议 1考虑试验成本和试验效率等因素,地面钢靶 试验更适合作为射孔弹研制前期阶段的主要评价方 法,对穿深性能和稳定性有定性和定量的评价。 2通过钢靶与砂岩靶穿深的转换,可以预先评 估射孔弹在无约束条件下砂岩靶的穿深情况。 3整枪穿环形混凝土靶试验,由于环形混凝土 靶制作成本高、周期长,每块靶的制作过程对穿深影 响较大,不建议作为射孔弹性能评价的主要方法。 4由于受到试验条件限制,本文中,未对砂岩 靶进行水饱和条件下的加温加压试验,而射孔弹设 计和验收的评价方法应主要针对地质储层参数进 行,因此在试验条件允许下,砂岩靶的测试评估方法 更适合作为射孔弹后期研制测试评估方法。 参 考 文 献 [1] HALLECK P M,SAUCIER R J, BEHRMANN L A, et al. 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