深井、超深井射孔管串动态响应机理与安全性评估研究

The technologies of high charge perforator and high density perforator are used during perforating in deep and ultra-deep well, which causes the string bend, fracture and the packer releasing, broken in such bad working conditions. So this project is established to do some research work by applying the classical theory of impact dynamics and detonation, combined with the ANSYS/LS-DYNA finite element software, which includes the study of the output form and propagation law of perforating explosive load, the load characteristics of perforating string (including perforation gun, tubing and packer), the dynamic response of perforating string and the safety evaluation of perforating string. The study can provide scientific basis for the optimization of perforating parameters, string damage assessment and shock absorption design in deep and ultra-deep well. Through this study, the propagation law of the explosive load in the long and narrow boundary condition with the fluid-structure coupling effect of the perforating fluid and the string system is illustrated, the mechanics analysis model of perforating string in deep and ultra-deep well is established, the influence of perforation parameters (such as the perforating gun type and length, the charge, the phase and the shot density), the string structure and the formation environment on the dynamic behavior of the perforating string is explored, the dynamic damage mechanism and vulnerable link of perforating string are revealed, the safety assessment method for perforating string under different conditions is formed. The results are of great significance to the safety of perforating in deep and ultra-deep well.

深井、超深井射孔作业中，大威力射孔弹、高密度射孔器的使用导致射孔管串工作环境恶劣，易出现管柱屈曲、断裂以及封隔器解封、失效等事故。本项目拟应用冲击动力学和爆轰学理论，结合LS-DYNA有限元软件，着重进行射孔爆炸载荷输出形式和传播规律研究、射孔管串（包括射孔枪、油管及封隔器）受载特征分析、射孔管串动力学响应仿真以及射孔管串安全性评估研究，为深井、超深井射孔参数优选、管串损伤评估及减震方案设计提供科学依据。通过本项研究，阐明射孔弹爆炸载荷在井筒狭长边界约束、射孔液与管串系统流固耦合效应下的传播规律，建立深井、超深井射孔管串力学分析模型，探讨射孔参数（射孔枪型号和长度、装药量、相位、孔密等参数）、管柱结构以及地层环境等因素对射孔管串的动力学行为影响规律，揭示射孔管串动态损伤机理及易损环节，形成不同射孔条件下管串安全性评估方法。该研究成果对于解决深井、超深井射孔作业安全问题具有重要意义。

在深井、超深井射孔作业中，使用高密度射孔器、大威力射孔弹导致射孔管串受载环境恶劣，易出现管柱屈曲、断裂以及封隔器解封、失效等事故，经济损失巨大，安全威胁严重。为此，应用水下爆炸、冲击动力学等理论，结合有限元动力学软件，着重研究射孔爆炸载荷输出形式和传播规律、射孔管串受载特征和动力学响应仿真以及安全性评估等，主要研究成果如下：. 1.基于深井、超深井射孔实际工况，应用水下爆炸、冲击动力学等理论，分析了井筒内射孔动态载荷输出形式及传播特征，揭示了射孔冲击波在井筒流体中的形成机理，阐述了射孔爆炸冲击载荷的传播特征，解析了射孔爆炸冲击载荷的能量来源，明确了射孔爆炸冲击载荷的影响因素。. 2.根据深井、超深井现场射孔工艺、配套工具的规范，简化了射孔管串（包括射孔弹、射孔枪、减震器、油管、封隔器、套管等）系统，建立了射孔工况下爆炸冲击作用的射孔管柱变形计算模型；考虑到射孔冲击波反射和透射作用，对封隔器进行了受载分析，初步建立了射孔工况下封隔器安全距离预测模型。. 3.基于有限元动力学分析，针对深井、超深井实际射孔工况，展开了大量数值模拟计算，形成了深井、超深井射孔数值建模及计算方法。分析了深井、超深井射孔动态冲击压力的形成机理及传播过程，构建了射孔爆炸冲击载荷峰值预测模型。开展了射孔管柱及封隔器的动力学分析，揭示了深井、超深井射孔工况下管柱动态力学行为及易损部位，获得了不同因素下射孔管柱及封隔器动态响应规律。. 4.建立了深井、超深井射孔管柱强度校核模型，形成了深井、超深井射孔管柱动态变形计算方法，提出了深井、超深井射孔工况下管柱及封隔器安全判别流程，并对减震器安装位置及数量进行了减震优化设计。. 研究成果应用于深井、超深井现场射孔，为现场射孔参数优选、管串损伤评估及减震方案设计提供了科学依据，为现场解决深井、超深井射孔作业安全问题提供了技术对策，对于解决深井、超深井射孔作业安全问题具有重要意义。