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1、复合射孔数值模拟精度的实验验证2007年第35卷第2期石油机械CHINAPETR0IJEUMMACHINERY一5一.一试验研究复合射孔数值模拟精度的实验验证陶亮虞青俊李玉龙成建龙(1.西北工业大学2.西安通源石油科技公司)摘要油井射孔在地下几千米深的井液介质中进行,在温度与压力作用下的射孔效果难以观察,测试和分析,而数值模拟可能会成为一种有效的分析工具,然而数值模拟的精度与有效性如何验证是一个新课题.针对这一问题,借助西安通源石油科技公司的地面试验测试装置,进行了爆炸冲击的流固耦合数值模拟的精度验证,并对比分析了实验测试与数值模拟计算的环空压力和残余变形量
2、,结果证明数值模拟的计算精度能够满足石油工程精度的要求,也说明了数值模拟技术在石油工业中的重要意义.关键词复合射孔环空压力残余变形实验验证数值模拟引言射孔完井是国内外油田使用最广泛的油井完井方法之一,其研究的主要参数为射孔深度,孔密度,孔径,相位角,钻井污染深度,孔眼周围压实带厚度,压实损害程度,地层各向异性渗透率的影响等.复合射孔技术涉及诸多学科领域,20世纪80年代,美,苏等国的高层次科研机构进行了大量的地面试验和机理研究.美国从技术储备角度开展了这项研究,前苏联在石油现场进行高能气体压裂试验,现场应用比美国更趋成熟,而我国这项技术的研究和应用起步较晚,
3、主要在基础理论研究上还有一段差距.进人2l世纪,计算机的数值模拟技术在石油射孔领域中的地位越来越重要【1].在射孔领域应用计算机技术,结合爆炸力学,固体力学和流体力学等形成的计算力学,致力于研究如何采用计算机技术和计算数学来求解工程中与射孔相关的响应问题.关于爆炸冲击,流固耦合的数值模拟精度的研究,已经有一些相关文献口"报道,如RBur,RBenay等进行跨音速冲击波的试验研究与仿真计算J,具有较高的计算精度;AndrewKHenriek,TariqD等人研究单向脉冲爆燃的数值模拟,计算精度确实达到5阶.笔者在以往的数值研究工作中并没有深人探讨数值分析的精度
4、问题,因此这里在一些爆炸实验研究的基础上,具体分析和比较复合射孔的地面试验测试数据及其数值模拟结果,进一步验证数值分析的精度问题.由于动态数据是时间相关的参量,难以细致比较,所以这里只选了验证试验和数值模拟数据的2个参数,也是射孔专业常常涉及的参数:环空压力的峰值和射孔枪的残余变形.笔者完成的工作主要是数值模拟.根据地面试验测试装备和结构,以及复合射孔枪内的试验载荷曲线,用数值模拟分析地面测试设备中的环空压力和射孔枪的残余变形,然后比较试验测量得到的枪身残余变形量以及环空压力的峰值.研究对象与载荷处理1.模拟对象以西安通源公司地面密爆测试的射孔模拟实验装置为
5、对象,建立了如图1所示的数值模型.模型中包含3种材料:~102mm复合射孔枪(壁厚11mm,孔密16孔/m),环空水介质和内圆外正八柱面的本体结构,具体的结构尺寸如图1所示.2.输入载荷在复合射孔枪单元内装DP41RDx—l型(原名YD89—3)射孔弹和45g复合药,通过地面的实验测试得到射孔枪内载荷曲线如图2所示,测得的最大压力峰值/时刻是518MPa/0.1ms,复合药燃烧的压力峰值/时刻为207MPa/0.21ms.做圆滑处理(并保留最大压力峰值之后取的采样数——6——石油机械2007年第35卷第2期据)后,作为数值模拟的载荷输入.由于载荷输入的数据量
6、偏大,这里只是输入从0～0.7ms时间区段的载荷.射孔枪环空水测试单元介质本体1801601401201008060图1地面测试装置的结构剖分图l儿PlA_00.51.0152.02.53.03.54.04.55.0时I'aq/ms图2复合射孔枪内爆燃压力栽荷曲线数值模拟结果数值模拟中采用的材料有2种:测试本体和射孔枪材料为钢32CrMo4,环空液体材料为HO.这种钢的本构关系采用Johnson—Cock模型表示,液体材料输入了水的密度,粘性和体积模量,这里选用LS—DNYA瞬态动力学的流固耦合算法.在后处理中可以分别输出射孔枪身,y方向的位移一时间曲线和环
7、空水介质的压力.时间曲线.1.Y,X方向的径向位移曲线射孔枪变形主要考核的参数指标是射孔枪身的胀形量,工程上一般要求射孔枪身的膨胀变形量不大于5mm.显然,工程上的变形量是指射孔枪身的残余变形AD(t:oo),即塑性变形,实验中能够测量的也是结构的残余变形.而数值模拟往往是变形的1个过程,包含一定载荷作用下的弹性变形和塑性变形,用射孔枪中心轴线到外缘的半径相对位移曲线△u(t)能够表示残余变形量AD(t),其公式如下:y轴的径向膨胀AD1(t)=2Au1(t)一△(1)轴的径向收缩AD2(t)=2Au2(t)+AD.(2)其中AD:D(3)式中D和D——射孔
8、枪的外径和射孔枪的弹性变形;or(f)——射孔枪的周
