射孔器枪内压力测试系统研究及壳体防护

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇射孔器枪内压力测试系统研究及壳体防护范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

【摘要】油气井井下环空压力不能直观反映射孔过程，测取射孔/压裂过程中射孔器枪内压力对优化油气井射孔工艺及评估射孔弹威力有着直接联系，射孔器枪内环境和被测信号的特殊性对测压仪器的外壳及内部测试电路具有严格的要求。并结合实际使用的反馈效果对原有仪器壳体进行了弹塑性分析，针对由射孔弹轰爆导致的壳体形变做了进一步的防护措施。

【关键词】枪内压力；射孔器；测试电路；壳体防护

1.引言

国内外经过多年实践应用经验的积累，对射孔/压裂井下作用机理有了感性认识，能够进行定性的机理分析，但是实际施工设计中存在大量不确定因素，急需定量的井下实况信息的指导。到目前为止，射孔/压裂工具设计主要以地面靶试验结果和现场实施效果做参考[1]。实际应用中井下环境复杂多变，要具体指导射孔/压裂设计，尤其是压裂过程中使用的推进剂装药设计以及提高油气井开采率和产量，还需要准确测取油气井下射孔弹爆燃瞬态压力特性等信息。

为保证测试仪器可靠性，对仪器进行了多次实验环境模拟。测试发现，导致数据测量失准、丢失的根本原因是仪器壳体受损变形导致内部测试电路受损。针对这一问题，本文还对目前射孔器枪内压力测试仪器壳体防护进行了进一步的研究。

2.井下射孔过程压力信号分析

枪内一体式复合射孔器是通过导爆索将射孔弹按螺旋状连接起来，目前射孔器装弹密度一般为16弹/米，普遍使用的102射孔器弹架直径为62mm，射孔弹相位相差90°，其连接实物图如图1。

聚能弹和导爆索使用的炸药，一般为黑索金（RDX）、奥克托金（HMX）或太安（PETN），通过查资料可得：RDX炸药的传爆速度为7800～8000m/s[2]。

射孔弹螺旋线连接示意图如图2所示。螺旋线公式如式（1）所示：

由公式（1）得知相邻射孔弹间导爆索长度约79mm，在此设定RDX炸药的传爆速度7900m/s，可计算出相邻射孔弹间引爆时间差为：

射孔弹长度约为40mm，以爆轰波的传播速度为7500m/s，可以计算得出：单发射孔弹由导爆索点燃到爆轰完毕需要时间约为5.3μs。射孔弹爆炸时射孔器内压力信号频率接近200KHz。工程上采样频率取实验数据频率的7～10倍，即要测试并分辨射孔弹爆炸时射孔器内压力快速变化过程，射孔器内部测试系统的采样频率应达到2MHz。

3.枪内压力测试仪器总体设计

3.1 测试系统性能设计

射孔器枪内压力测试系统由传感器、信号调理电路、微处理器、电源管理电路和采样存储电路构成。传感器获取压力信号，经滤波、放大电路，然后在CPLD芯片的控制下经AD采集并存储到存储器中。系统框图如图3所示。

3.2 测试系统壳体耐高压设计

受结构的限制，测压系统的壳体的外径不能大于射孔弹的直径52mm，这里我们确定壳体的外径为51mm。内径的大小与电路、电池及传感器的大小有关，原则上要求尽可能的小，这里我们取内径a为30mm。设计18Ni马氏体时效钢作为壳体加工材料[3]，其屈服极限等于2000MPa。

受高压容器不允许产生过量的塑性变形，根据所查资料，在设计时建议弹塑性界面半径的最佳半径[4～5]，由式（3）可以求得，在上述条件下壳体的弹性极限压力为：

即当射孔时所产生的压力在小于755MPa时，壳体还处于弹性阶段。可以得出：

再由式（5）得出上述条件下壳体所能要求承受的极限压力：

满足1000MPa的耐压要求。

4.射孔器内压力测试系统防护研究

最初的防护结构是在测试系统和射孔弹之间安装了一个硬度比较高的圆平钢板。这种设计主要是为了防止射孔弹爆炸的破片直接伤害到测试器的外壳，导致外壳的破损，从而影响其使用次数和寿命。但是，这种防护结构在实验中暴露了一个新的问题，那就是挡板在外力的作用下与测试系统外壳挤压，导致了测试系统外壳结构发生了变形。经分析，是因为挡板平面与测试系统外壳的接触面很窄，在受高压过程中，产生应力集中，导致挡板和测试系统的外壳均发生比较大的变形。

经过理论分析和力学计算，我们改进了测试系统的防护结构，如图4所示。选用硬度较小的铝材，使两者作用过程中不会发生应力集中。同时在结构上，防护结构的外形设计成弧形，在压力作用一开始接触面积就比较大，避免产生应力集中。

参考文献

[1]李东传，石健，金成福，等.复合射孔器压裂能力评价方法的探讨[J].火工品，2008（3）：32-35.

[2]梁纯，孙新波，王海东.导爆索爆速的测定及影响因素分析[J].测井技术，2006，30（1）：98-100.

[3]陈建刚，张建福，卢凤双，等.18Ni马氏体时效钢强化方法概述[J].金属功能材料，2009，16（4）：46-49.

[4]Miklowitz J.The Theory of Elastic Waves And Waveg-uides[M].Amsterdam：North-Holland Publishing Company，1978.

[5]刘浪.一体化电子测压器的研究[D].硕士学位论文：中北大学，2010.

基金项目：山西省归国留学人员重点科研资助项目“石油井下多参数测试仪”（编号：2008003）。

作者简介：赵鼎（1987—），男，山西忻州人，中北大学硕士研究生，主要研究方向：动态测试与智能仪器。