油田射孔枪优化改进及应用

摘要：笔者结合油田射孔枪的工作原理，并运用ANSYS智能优化设计软件，针对射孔枪的结构参数建立有限元的数学几何模型，来进行优化分析，在保证射孔枪满足功能要求的基础上优化设计结构，以节约预算成本，提高工作效率。

关键字：射孔枪 优化改进 工作原理 分析应用 有限元

引言：

射孔枪是油田开采作业能否顺利完成的关键工具，是油田井下开孔的主要工具。针对射孔枪的工作原理，运用ANSYS智能优化软件对其进行结构优化设计，不断提高我国对于油田射孔枪的设计水平，对提高我国油田开采效率，满足日益增加的原油需求量，具有非常重要的意义。

1. 射孔枪的工作原理

图1：射孔枪的结构图

如图1可见，石油射孔枪由枪头、枪身、枪尾三部分组成，连接处均采用梯形螺纹来连接以保证具有较高的连接强度，枪身均匀分布外盲孔并嵌入定位销钉来保证射孔与盲孔位置对正。目前国内广泛应用的是聚能射孔弹对于射孔枪的强度与结构设计要求很高，不但要严格控制对输油管道与水泥环的冲击力，还需要具有良好的发射效率来保证射孔枪具有较高的工作效率，同时合理的盲孔深度设计能够使得枪身具有较小的厚度与强度，更能够有效提高发射率。

2. 射孔枪有限元分析

2.1 创建有限元的模型

实际工作中多采用创建有限元模型来分析复杂的井下油田状态参数，具体过程可以分为：建立数学几何模型、定义结构材料特点、设计功能单元、施加载荷并根据载荷数据求解及划分边界条件、处理运算结果检测系统运行状态。创建有限元模型即根据作业内容设定模型标题；ANSYS软件无系统单位制，因此需要技术人员根据实际工作参数设定单位制，并保证在同一模型中具有统一单位制；ANSYS软件系统数据库中储存有不同类型的常用功能单元数据，且每种系统单元类型均具有特定编制符号，如OLID95、PLANE76；选定单元类型后需要嵌入与单元类型相符合的单元实常数，如BEAM3单元的截面面积；然后根据实际操作环境设定材料物理性能参数，如弹性模量数、材料密度、应力状态、线膨胀系数等；然后根据设定的结构创建几何模型，并根据智能网格模拟功能产生物理分析模型。

2.2 对加载荷进行有限次求解

有限元模型创建好后，可直接利用SOLUTION处理器来规定结构类型和分析操作选项，然后调用数据库中的数据，对模型施加可控制调节的动态载荷数据，并根据载荷参数对有限元模型进行有限次求解并可恢复初始化状态。数据分析类型一般分为：静态、瞬态、调谐等；在ANSYS软件中对有限元模型施加的载荷可分为DOF(自由度)约束、体积载荷、惯性载荷、耦合场载荷等；求解初始化功能主要是从ANSYS数据库系统中选定相符的有限元模型以及载荷数据，来进行运算求解，然后将计算结果输入到系统数据库中存储起来以备调用。

2.3 查询分析结果

ANSYS程序完成数据运算后，就能够利用POST1或POST26处理器的数据来查询并分析运算结果；通用后处理器POST1功能是查询全部或者部分时间段的运算结果；时间历程后处理器POST26主要功能是查询选定区域在不同时间段内的所有运算结果。

3. 射孔枪的优化设计分析

下面针对3000米矿井深度所使用的国产32CrMo的102型射孔枪为例进行优化设计，其他型号射孔枪优化设计原理与之相同。

3.1 射孔枪盲孔的优化

上式中：tvol为体积，de、dia分别为射孔枪盲孔深度和盲孔直径。Maxstress为射孔枪盲孔处的最大应力，[o]为许用应力。

射孔枪材料性能以及实际施工中所用射孔枪型号不相同，枪身结构的内径、外径以及所处的钻井深度等都不相同，从而导致射孔枪盲孔各点的应力分布状态不一，因此射孔枪盲孔的深度与内外径大小需要设计计算人员根据实际的作业状态与功能要求，经过科学严谨的计算来确定。射孔枪盲孔的优化设计流程为建立优化数学分析模型，利用ANSYS软件建立科学的参数分析模型、运算求解、然后根据运算结果进行具体参数优化改进，生成具有指导意义的优化分析文件，根据软件系统智能优化功能选定优化变量，利用系统优化工具箱中的优化工具与优化方法进行优化分析，最后得出优化结果，最后根据优化结果设计射孔枪的结构参数。

3.2 射孔枪壁厚的优化

射孔枪壁厚的优化主要受以下因素影响：射孔弹喷射爆炸时会瞬间产生很高的温度与气压，如果射孔枪设计的强度过低，那么在作业中就会在高温高压环境中产生较大的塑性变形甚至发生断裂。如果射孔枪结构设计强度过高就会增加设备生产成本造成资源浪费，因此为保障油田射孔枪能够高效、科学地实施作业，对射孔枪壁厚进行科学的优化设计计算，具有非常重要的实际意义。对于射孔枪壁厚的优化设计与盲孔基本相同，同样是利用ANSYS软件系统优化设计模型，针对特定的结构参数不断调整，在保证作业功能要求的前提下，尽可能地节约预算成本。

4.结语： 通过创建有限元模型对射孔枪不同部分有限元弹塑性分析比对，对射孔枪进行结构的优化设计，为我国油田射孔枪结构设计研发工作提供科学的设计方法与指导意见，以不断提高我国射孔枪设计研发技术与制造水平。

5.参考文献：

[1]韩秀清、曲永奎等，石油射孔枪的弹塑性有限元结构分析方法，吉林大学学报(工学版)，246―248，2003[3]油井射孔，大庆油井射孔编写组，科学出版社.

[2]张志全、彭义成，射孔技术在江汉油F只的应用研究，江汉石油学院石油工程系，2001年04期.

[3]陈家猛、杨国、魏光辉，高孔密射孔技术在大港油田的应用分析，测井技术，2005年S1期.

[4]史慧生、王志信，增效射孔中装弹的优化设计，测井技术20024(2)140―144.

[5]刘良、苏督芳，油气井用射孔枪，石油工业出版社，1993年.

[6]张胜民，基于ANSYS进行结构动力学分析的步骤，清华大学出版社，2003年6月.