一種油氣井用雙向傳爆管極限傳爆距離

彭加斌, 肖 勇, 段嘉慶, 張明哲, 張 龍, 朱偉龍

(西安物華巨能爆破器材有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710061)

1 引 言

在油氣井聚能射孔中，為了確保射孔槍之間爆轟波的有效傳遞，通常需要一種傳爆火工品——雙向傳爆管。該傳爆管是僅裝猛炸藥且一端封閉的金屬管。射孔槍之間的爆轟傳遞就是通過這種雙向傳爆管實現(xiàn)的。該雙向傳爆管一直在油氣井射孔作業(yè)中被廣泛應(yīng)用。然而，由于井下溫度往往遠(yuǎn)高于地面，導(dǎo)致射孔槍之間的兩個雙向傳爆管彼此拉開一定距離，當(dāng)兩個傳爆管之間的空氣間隙增大到一定程度時會降低傳爆管的傳爆可靠性，造成施工失敗。因此，雙向傳爆管之間的空氣間隙大小(即傳爆距離)是影響傳爆管可靠傳爆的關(guān)鍵因素之一。為此， 很多技術(shù)人員在如何提高雙向傳爆管傳爆能力方面做過不少研究，周曌等[1]從雙向傳爆管的裝藥直徑、裝藥高度、管殼壁厚與材質(zhì)等的角度研究了影響傳爆管性能的因素，向旭等[2]從雙向傳爆管管底厚度、傳爆管間距、裝藥密度、使用的環(huán)境溫度、裝藥類型和軸向偏心距離等的角度探索了影響雙向傳爆管傳爆性能的諸多因素。他們只對影響傳爆管傳爆性能的諸多因素進(jìn)行了定性研究和探討，都沒有對這種傳爆管在空氣中的極限傳爆距離進(jìn)行研究。由于這種傳爆距離非常重要，因此中國能源部頒發(fā)的油氣井用傳爆管行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY/T 6753-2009)規(guī)定了該傳爆管的傳爆距離不小于50 mm，這種規(guī)定是站在施工角度，對雙向傳爆管提出來的基本要求，其缺乏試驗和理論的依據(jù)，目前尚未見到這方面的論證研究報道。筆者采用火工品常用的感度試驗用數(shù)理統(tǒng)計方法——升降法(GJB/Z 377A-1994)，對雙向傳爆管進(jìn)行傳爆實驗，得到了對目前應(yīng)用最廣泛的雙向傳爆管在空氣中的極限傳爆距離(即在置信水平0.95下，可靠度為99.9%的傳爆距離)，對該雙向傳爆管的傳爆過程、機理進(jìn)行了數(shù)值模擬，對實驗得出的極限傳爆距離結(jié)果給予理論上支持。

2 實驗研究

2.1 實驗材料

油氣井用雙向傳爆管、油氣井用導(dǎo)爆索、8#工業(yè)雷管、模擬實驗用鋼條、模擬實驗用鋁棒、25 m導(dǎo)線、起爆器、膠帶、直尺等。

2.2 實驗方法

雙向傳爆管在射孔槍中的傳爆情形，如圖1所示。其原理為: 每節(jié)射孔槍中的導(dǎo)爆索兩端分別與雙向傳爆管連接，然后將相鄰兩支槍的雙向傳爆管分別放入聯(lián)槍接頭傳爆孔內(nèi)，若射孔槍A發(fā)生爆炸，則其內(nèi)的導(dǎo)爆索引爆與之相連的雙向傳爆管，該雙向傳爆管爆炸，并將與之有一定距離的連在另一支槍導(dǎo)爆索上的雙向傳爆管引爆，此雙向傳爆管再起爆與之相連的導(dǎo)爆索，導(dǎo)爆索再引爆射孔槍B ，將一支槍內(nèi)爆轟波傳遞給另一支射孔槍，從而使數(shù)百支串聯(lián)的射孔槍依次穩(wěn)定爆轟下去。由于這兩個傳爆管結(jié)構(gòu)完全相同，因此不管爆轟波從哪個方向過來，都能通過這種傳爆管進(jìn)行槍間傳爆，從而實現(xiàn)油氣井射孔工藝中要求的所謂“雙向傳爆”功能。

本實驗?zāi)M射孔槍中雙向傳爆管傳爆的方法進(jìn)行實驗，如圖2所示。先將一個雙向傳爆管(以下稱“施主傳爆管”)與導(dǎo)爆索進(jìn)行連接，然后將該傳爆管用膠帶固定在實驗用鋼條直線溝槽中，同樣將另一雙向傳爆管(以下稱“受主傳爆管”)用膠帶固定在該實驗用鋼條同一直線溝槽中，受主傳爆管封閉端面朝向施主傳爆管封閉端面，兩封閉端面之間的傳爆距離為D，用膠帶將8#工業(yè)雷管與導(dǎo)爆索連接，通過導(dǎo)線將雷管與起爆器連接，起爆后觀察受主傳爆管是否爆炸。

圖1射孔槍中雙向傳爆管

1—射孔槍A, 2—槍接頭A, 3—導(dǎo)爆索, 4—雙向傳爆管, 5—槍接頭B, 6—射孔槍B

Fig.1The bi-directional boosters in a string of perforator

1—perforator A, 2—gun connection A, 3—detonating fuse, 4— bi-directional boosters, 5— gun connection B, 6— perforator B

圖2實驗裝置示意圖

1—8#工業(yè)雷管, 2—導(dǎo)爆索, 3—施主傳爆管, 4—鋼條,5—受主傳爆管

Fig.2Schematic diagram of the experimental device

1—8#industrial detonator, 2—detonating fuse, 3—donor booster, 4—steel bar, 5—acceptor booster

2.3 實驗結(jié)果

據(jù)試驗經(jīng)驗[1-2]知，該方式的傳爆距離臨界值近似服從正態(tài)分布，因此筆者采用火工品常用的感度試驗用數(shù)理統(tǒng)計方法——升降法(GJB/Z 377A-1994)對雙向傳爆管臨界傳爆距離(即該傳爆管的撞擊感度)進(jìn)行測試。由于傳爆距離越大，傳爆成功的概率越小，為了使刺激量取正值，選一個充分大的數(shù)L。根據(jù)以往大量試驗結(jié)果，距離大于250 mm時肯定不會傳爆成功，因此取L=250 mm，設(shè)D為施主和受主傳爆管封閉端面之間的距離，得受主傳爆管的新刺激量:x=250-D，由于傳爆管撞擊感度近似服從正態(tài)分布，故無需進(jìn)行正態(tài)變換。由經(jīng)驗知，其50%臨界傳爆距離大約在110 mm，標(biāo)準(zhǔn)差d約為10 mm，取x0=250-110=140 mm，d=10 mm，定出試驗用刺激量:xi=x0±id(i=0，±1，±2，…)。試驗結(jié)果見表1。通過數(shù)據(jù)分析處理，得出: 雙向傳爆管在置信水平γ=0.95下，可靠度為50%的傳爆距離估計值為114.3 mm、可靠度為0.1%的傳爆距離估計值為145.5 mm，可靠度為99.9%的傳爆距離(即極限傳爆距離)估計值為82.8 mm。

表1雙向傳爆管傳爆的實驗結(jié)果

Table1Testing results of the bi-directional booster transmitting detonation

x/mmx2=160x1=150x0=140x-1=130x-2=120Sumofsuccess12930Sumoffailure01293

3 數(shù)值模擬

3.1 算法介紹

采用Ls-dyna軟件對傳爆管的爆炸過程進(jìn)行數(shù)值模擬，采用的算法包括拉格朗日算法和SPH算法兩種。

拉格朗日(Lagrange)算法多應(yīng)用于固體力學(xué)求解中，網(wǎng)格固定在物體上隨物體一起運動，適用于變形不太大的固體。對于物體的大變形問題，可以添加侵蝕算法，將大變形網(wǎng)格自動刪除，從而避免網(wǎng)格嚴(yán)重變形扭曲產(chǎn)生的時間步小、負(fù)體積甚至計算停止等問題。

SPH(smoothed particle hydrodynamics)是一種常見的無網(wǎng)格粒子方法。該方法能通過核函數(shù)近似方法以及粒子離散方法將連續(xù)的控制方程轉(zhuǎn)換成離散形式的控制方程。該方法不但適用范圍廣，而且在處理極大變形問題時有獨特的優(yōu)勢。作為無網(wǎng)格算法，SPH方法既自然避免了網(wǎng)格嚴(yán)重變形的問題又可以保證材料質(zhì)量完全不損失，這對于模擬破片形成及統(tǒng)計破片質(zhì)量是非常有幫助的。

3.2 初始條件

傳爆管殼總長37 mm，外徑7 mm，壁厚0.25 mm，封閉端殼底厚度0.25 mm; 藥柱長度為20 mm，直徑為6.4 mm。

3.3 材料模型、狀態(tài)方程及算法選擇

炸藥為HMX，采用高能炸藥材料模型(MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN)，密度為1.6 g·cm-3，爆速為8333 m·s-1，爆壓為32.46 GPa，爆轟過程采用JWL狀態(tài)方程描述[3, 6]，計算采用SPH算法[3-5]，模型共有粒子126400個; 整個傳爆管殼為金屬鋁材料，除封閉端殼底外的部分采用等向隨動強化材料模型(Mat-Plastic-Kinematic)[7]，材料密度為2.77 g·cm-3，該部分模型采用SOLID164實體單元劃分網(wǎng)格，沿徑向劃分為兩層，共有8568個單元，計算采用拉格朗日算法; 管殼封閉端殼底為金屬鋁材料，采用JOHNSON_COOK材料模型[8-9]，密度為2.77 g·cm-3， 配以GRUNEISEN狀態(tài)方程描述，該部分殼體仍采用SPH算法[3-5]，粒子數(shù)為14140個。建模采用全模型，整體模型的不對稱剖面顯示圖見圖3。

為模擬除封閉端殼底外的管殼部分的破裂過程，炸藥和該部分殼體之間采用自動點面接觸，其關(guān)鍵字為CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE[3]。為方便計算，整個爆炸過程設(shè)計在真空中進(jìn)行; 選用藥柱左端面均勻分布的9個點同時起爆以模擬面起爆。

圖3整體模型的不對稱剖面圖

Fig.3The asymmetric profile in one whole model

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 施主傳爆管爆炸過程

為方便顯示起爆過程，隱藏了除封閉端殼底外的管殼部分的顯示，施主傳爆管爆炸過程見圖4所示。每幅圖右側(cè)為沿軸向(爆轟波方向向)的右速度梯度標(biāo)尺，單位m·s-1。從圖4可看出，施主傳爆管中的炸藥在起爆后2.4 μs爆炸基本結(jié)束，之后,傳爆管殼底(鋁)在爆炸能量的作用下發(fā)生變形，在起爆10 μs時，傳爆管殼底(鋁)被爆炸產(chǎn)生的高壓氣體撕碎成大小不等的破片，同時破片已被高壓氣體加速成高速狀態(tài)[10]，按一定方向各自飛散[11]。

圖4施主傳爆管爆炸過程模擬

Fig.4The simulation of donor booster exploding process

4.2 沖擊波峰壓及其變化

施主傳爆管起爆受主傳爆管的方式通常有兩種: 沖擊波起爆和破片起爆。建立空氣當(dāng)中炸藥沖擊波衰減的有限元模型(如圖5a所示)，并在施主傳爆管(忽略輸出端殼體)輸出端一側(cè)不同距離處均勻設(shè)置10個測量點用以測量施主傳爆管爆炸產(chǎn)生的沖擊波在距施主傳爆管右端面不同距離(單位mm)處的p-t曲線(如圖5b所示)。從曲線可看出，距施主傳爆管封閉端10 mm處的峰值壓力為90 MPa左右，明顯低于炸藥臨界起爆壓力3 GPa以上[12-13]，之后各點的峰值壓力依次降低，從而可以推斷施主傳爆管產(chǎn)生的沖擊波不可能起爆受主傳爆管。因此，10 mm處及更遠(yuǎn)的受主傳爆管，其起爆只能由施主傳爆管產(chǎn)生的破片高速撞擊引起。

a. finite element model of detonation wave attenuation in the air and measuring points at different distances

b. pressure curves from measuring points at different distances

圖5不同距離處炸藥沖擊波測量點的p-t曲線

Fig.5p-tcurves of the shock wave measurement point of explosive at the different distances

4.3 施主傳爆管底端破片飛散和速率

由于施主與受主傳爆管處于同軸線上，因此對受主傳爆管起起爆作用的破片應(yīng)該是施主殼底處產(chǎn)生的那部分。數(shù)值模擬可得到施主傳爆管殼底(鋁)被撕碎成大小不等的破片在離開端面不同距離時的分布情況，見圖6。從圖6可以看出，其軸芯周圍的破片密度隨破片飛行距離增大而變小，因此受主傳爆管端面接受到的破片數(shù)量(或質(zhì)量)隨傳爆距離的增大而減少。峰頭破片(圖6)速率隨飛行距離的變化關(guān)系見圖7。從圖7可以看出，峰頭破片速率在飛行10 mm以前就達(dá)到最大，即約4495 m·s-1，之后基本不變，這主要忽略了空氣的影響所致，因此該速率較實際測量[14]的較大一些，且衰減更慢。但破片速率的變化規(guī)律與實際情況基本一致[15]。

圖6破片在離開端面不同距離時的正面截圖

Fig.6Positive scattering of fragments at different distances away from the end face

4.4 受主傳爆管封閉端面受到撞擊的破片質(zhì)量及撞擊能

由于受主傳爆管被起爆的成功率取決于撞擊它的破片質(zhì)量和速率(即撞擊能)，因此通過數(shù)值模擬方法統(tǒng)計了受主傳爆管封閉端面在不同傳爆距離時受到撞擊的破片質(zhì)量(m)和該部分破片所攜帶的撞擊能(1/2mv2，這里v取4495 m·s-1)，統(tǒng)計結(jié)果見表2。

圖7峰頭破片離開端面的距離與其速度的關(guān)系

Fig.7The distance and velocity of away from the end face for front fragments

表2受主傳爆管封閉端面在不同傳爆距離受到撞擊的破片質(zhì)量及撞擊能

Table2Fragment mass of impacting the closed end face of acceptor booster at different transmitting detonation distances and its impact kinetic energy

distances/mmm/mgkineticenergyofthefragmentsimpactingontheacceptor/J1024．27245．19208．0981．73304．7547．99402．4024．25501．6516．67601．6516．67701．5916．06801．5715．8682．81．5515．65901．0510．611000．92 9．29

Note:mis the mass of the fragments impacting on the accepter.

在統(tǒng)計破片質(zhì)量時，由于SPH算法邊界不清晰，不能直接讀出破片質(zhì)量，因此需要采用特殊方法進(jìn)行統(tǒng)計。利用LS-PREPOST后處理功能，生成與傳爆管同直徑的圓柱輔助面及相應(yīng)傳爆距離的平面輔助面，并通過結(jié)果推進(jìn)使破片與輔助圓柱面的交線剛好落在平面輔助面上(如圖8a所示)，此時平面輔助面右側(cè)為被統(tǒng)計破片(圖8a中被圓柱面遮蔽)，然后利用Ident當(dāng)中SPH元素統(tǒng)計功能，統(tǒng)計出平面輔助面右側(cè)的SPH粒子數(shù)量(如圖8b中白色部分)，最后通過粒子數(shù)量乘以單個粒子的質(zhì)量(從模型K文件中找到)即可得到破片質(zhì)量，該方法有效地統(tǒng)計了避免了SPH算法邊界不清晰的缺陷，能較精確地統(tǒng)計出破片質(zhì)量。從表2中可以發(fā)現(xiàn)該質(zhì)量隨著傳爆距離的增加而不斷減小，且在短距離段破片質(zhì)量減小最快，相應(yīng)地，破片能量的變化也呈現(xiàn)出同樣規(guī)律。

a. method of capturing SPH particles by using auxiliary surfaces

b. displayed number of captured SPH particles

圖8運用LS-PREPOST統(tǒng)計破片質(zhì)量方法演示圖

Fig.8Displayed diagram of representation of statistic method of fragments′ mass by LS-PREPOST

HMX的99.9%(計數(shù)法)撞擊發(fā)火的撞擊能為8.37 J[16-17]，而表2顯示，在82.8 mm處受主傳爆管端面殼底接收破片的總撞擊能為15.65 J，由于所有撞擊破片的速度均按峰頭值進(jìn)行計算，且峰頭速度比實際測量值大一些(因忽略了空氣影響)，因此這里的總撞擊能應(yīng)該比實際值偏大。如果將高速破片在撞擊受主傳爆管端面殼體時所消耗的形變能從它的總撞擊能去除，則最終受主傳爆管端面炸藥HMX接收到的凈撞擊能應(yīng)趨近于8.37 J(或者說與8.37 J屬同一量級)。因此，該傳爆管數(shù)值模擬的結(jié)果在一定程度上支持了油氣井用雙向傳爆管的極限傳爆距離在82.8 mm左右的結(jié)論。

5 結(jié) 論

采用火工品常用的感度測試方法—升降法對雙向傳爆管進(jìn)行了傳爆試驗，統(tǒng)計出了其極限傳爆距離，并利用LS-DYNA軟件對該傳爆管的傳爆過程和機理進(jìn)行了數(shù)值模擬和探討，得出如下結(jié)論:

(1) 在空氣中，該油氣井用雙向傳爆管之間的遠(yuǎn)距離(≥10 mm)傳爆是通過施主傳爆管底殼在爆炸高壓作用下產(chǎn)生的高速破片撞擊受主傳爆管而實現(xiàn)的。

(2) 該油氣井用雙向傳爆管在空氣中的極限傳爆距離在82.8 mm左右。

(3) LS-DYNA數(shù)值模擬得出的結(jié)果從理論上支持了油氣井用雙向傳爆管的極限傳爆距離在82.8 mm左右的實驗結(jié)果。

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