【军工应用】新型双层复合罩石油射孔弹的数值模拟分析

一、研究背景

随着石油天然气开采技术的深入发展，新勘探油气井的质量不断下降，油气层类型更加复杂，低渗透油层、致密砂岩油层在油气储量中将占较大的比例，并且泥浆污染带越来越厚。为了提高油气井的产能，就必须进一步沟通油层和套管之间的通道，提高射孔弹的侵彻深度性能，彻底解决泥浆污染带对油气田开采的影响，以降低油气井注水压力，改善井底附近的污染，达到节约资金、提高油气井产能的目的。

因此，能够达到深穿透且无杵堵的目的的新型石油射孔弹的开发十分必要，其设计原理及侵彻数值分析也尤为重要。

二、新型双层复合罩设计

2.1 设计原理

本研究设计了一种由两层药型罩组合而成的新型双层复合罩。这种新型药型罩是由一个主装药和两个药型罩组成，结合了传统单层罩和双层罩的优点，在保证深穿透能力的同时，有效减少了杵堵现象的发生。

2.2 药型罩结构参数

新型双层复合罩的关键参数包括：

• 主装药直径和高度
• 内外层药型罩的材料选择（紫铜/铝材等）
• 内外层药型罩的锥角和壁厚
• 药型罩中心圆柱高度
• 药型罩与装药的距离

三、TrueGrid有限元建模

3.1 模型建立

应用TrueGrid建立有限元模型，对不同药型罩模型进行数值分析。建模过程中充分利用TrueGrid的参数化功能，通过变量控制实现不同设计方案的快速生成和对比分析。

3.2 数值计算方法

数值计算中，采用多物质ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）格式来模拟炸药的爆轰和药型罩的压垮及射流的形成过程，且空气范围足以覆盖爆轰产物和射流流动的空间。网格单元选用Solid 164八节点六面体单元。在模型的边界节点上施加压力流出边界条件，避免压力反射对计算结果的影响。

四、数值模拟结果

4.1 金属射流参数对比

通过数值模拟，比较了新型双层复合罩与单层罩的金属射流参数，包括：

• 射流速度：最大射流头部速度和梯度
• 射流长度：连续射流的长度和断裂时间
• 杵堵率：杵体形成情况和杵堵概率
• 侵彻深度：对不同靶板的穿深
• 孔径大小：入口和出口孔径

4.2 结果分析

数值模拟结果表明，新型双层复合罩在深穿透性能方面具有显著优势，同时能够有效降低杵堵率，为新型石油射孔弹的设计提供了有力依据。

五、结论

本研究通过TrueGrid建立有限元模型，对不同药型罩模型进行了系统的数值分析，为新型石油射孔弹的设计提供了重要参考。研究成果对于提高油气井产能、保护油气层具有重要的工程应用价值。

六、涉及图片

• 图1：新型双层复合罩结构示意图 — 主装药和两个药型罩的组合结构
• 图2：多物质ALE算法示意图 — 炸药爆轰、药型罩压垮、射流形成全过程
• 图3：Solid 164八节点六面体单元示意图 — 边界条件设置
• 图4：射流成型过程序列图 — 不同药型罩的射流形态对比
• 图5：穿深-孔径对比图 — 双层复合罩与单层罩性能对比曲线