CN1737329A - 一种石油射孔枪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石油射孔枪，其是由枪头、枪尾、枪身、射孔弹、弹架、导线所组成，其中枪头、枪尾位于枪身的两端，射孔弹由弹架固定并置于枪身中，导线与各射孔弹连接并从枪头处引出，枪身的侧壁外在相对于射孔弹的发射口位置处开设有盲孔，其特征在于，盲孔的壁厚由以下公式确定：

，公式中，δ_i为对应材料的盲孔优化壁厚，[σ]为30CrMo材料的102型石油射孔枪的许用应力，δ为30CrMo材料的102型石油射孔枪对应的盲孔优化壁厚，[σ_i]为欲计算的材料的许用应力，D＝102mm，D_i为欲求壁厚之型号的石油射孔枪的外径尺寸(单位为mm)。

Description

一种石油射孔枪

技术领域

本发明涉及一种石油射孔枪。

背景技术

石油生产井钻好井后，在井眼中下入一根根互相连接的无缝钢管，此即下套管。然后在井壁与套管之间压注水泥进行固井。固井完成的同时，也把油、气层与井壁都封隔起来了。要采油，就要将装好射孔弹的射孔枪沿套管下到含油层处，向四周射孔，将套管、水泥套管射穿，并射入油层中，方可使原油经射出的孔道流入套管内，此即射孔作业。油井的射孔是一项非常重要的完井作业，射孔作业的质量直接影响着油井的产油率和生产成本，射孔作业的事故常给生产带来颇大麻烦，并导致重大经济损失。保证高质量低成本射孔的关键之一就是：提供性能优良、成本低廉的射孔枪，然而，目前在石油射孔枪的设计与生产方面，还处于一种没有经过现代设计计算且缺乏严格科学依据的状态，因而在射孔枪的结构设计方面，存在着严重的不合理和不科学现象，例如，在现有的石油射孔枪对应的发射口处开设盲孔或简单铣个平面，可提高射孔枪的安全性，然而，到目前为止，对盲孔(或铣平面)的壁厚设计很随意，不论在何种井深下工作的同型号的石油射孔枪，其盲孔深度大致都相同，而且因为没有任何科学计算，所以盲孔深度一般都很浅，致使起不到应有的作用。

发明内容

本发明的目的是要解决上述石油射孔枪的盲孔设计不合理的问题，而提供一种其盲孔设计合理的石油射孔枪。

本发明之石油射孔枪是由枪头、枪尾、枪身、射孔弹、弹架、导线所组成，其中枪头、枪尾位于枪身的两端，射孔弹由弹架固定并置于枪身中，导线与各射孔弹连接并从枪头处引出，枪身的侧壁外在相对于射孔弹的发射口位置处开设有盲孔。石油射孔枪装好射孔弹后，要放到几千米下的泥浆介质中，其盲孔削弱处应能承受井下介质压力而不泄漏，然而油井的深度是随地域变化的，所以其外压条件有很大的区别，这就要求盲孔处的强度应能安全承受井下介质的外压，在满足该条件下，盲孔处的强度越低，一方面可减少射孔弹的能量损失，从而提高射孔深度，增加产油率；另一方面，可加快射孔弹爆炸时的泄压速度，从而减少膛内压力，提高石油射孔枪的安全性，所以，井下介质的外压是确定盲孔壁厚的主要外载荷，针对上述特点，本发明将现代设计计算方法有限元法引进到对石油射孔枪进行现代设计计算中，并根据盲孔的作用，提出了对石油射孔枪盲孔壁厚进行优化设计的弹性设计准则及随井深变化的可操作的外载荷。按上述技术，能精确确定在不同井深下采用不同材质时石油射孔枪盲孔的最佳壁厚尺寸；为了得到在不同井深时最佳盲孔壁厚尺寸，先建立有限元模型，然后在石油射孔枪外表面施加压力p(p为井下介质压力)，对石油射孔枪盲孔壁厚进行有限元优化设计，其理论依据为有限元结构优化设计方法，这里选取盲孔深度为设计变量，盲孔处最大相当应力(按第四强度理论计算相当应力)为状态变量，要求其小于石油射孔枪的许用应力[σ]，这里[σ]为材料的屈服极限除以安全系数(取安全系数为1.5)，目标函数为盲孔总体积的倒数，这里倒数的选取是根据目标函数的定义以减少为目的的。这里按经调质处理的国产材料30CrMo来进行优化计算，其屈服极限按σ_s＝785Mpa，[σ]＝785/1.5＝520Mpa，按102型石油射孔枪对盲孔(直径为24mm)进行壁厚优化，其结果列于表1。

表1 102型射孔枪(30CrMo)用于不同井深时盲孔的优化壁厚

井深(米)	外压(Mpa)	盲孔优化壁厚δ(毫米)
			≤1500	≤15	3
≤2500	≤25	4
			≤3000	≤30	5
≤4500	≤45	6

对于不同材质和型号的石油射孔枪的盲孔优化壁厚，由以下公式来确定：

${\mathrm{\δ}}_i=\frac{\left[\mathrm{\σ}\right]}{\left[{\mathrm{\σ}}_i\right]}\·\mathrm{\δ}+\mathrm{Int}[0.1\×(D_i-D)]$

公式中，δ_i为对应材料的盲孔优化壁厚，[σ]为30CrMo材料的102型石油射孔枪的许用应力，δ为30CrMo材料的102型石油射孔枪对应的盲孔优化壁厚，[σ_i]为欲计算的材料的许用应力，D＝102mm，D_i为欲求壁厚之型号的石油射孔枪的外径尺寸(单位为mm)。

该公式适合陆地油田使用的石油射孔枪系列型号，即73、89、102、114、127等型号。

该发明对石油射孔枪的设计者和使用者都十分重要，应用该发明之方法可实现对系列石油射孔枪在不同井深服役时发射口处盲孔壁厚的优化设计，该发明提高了石油射孔枪结构设计水平与石油射孔枪的安全可靠性及射孔效率，对石油开采将起到积极的促进作用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明之石油射孔枪是由枪头1、枪尾2、枪身3、射孔弹4、弹架5、导线6所组成，其中，枪头1、枪尾2位于枪身3的两端，射孔弹4由弹架5固定并置于枪身3中，导线6与各射孔弹4连接并从枪头1处引出，枪身3的侧壁外在相对于射孔弹4的发射口位置处开设有盲孔7，该实施例以102型石油射孔枪为例，以经调质处理的国产材料30CrMo来进行优化计算，其屈服极限按σ_s＝785Mpa，[σ]785/1.5＝520Mpa，对102型石油射孔枪盲孔(直径为24mm)进行壁厚优化，其结果列于表1。

表1 102型枪(30CrMo)用于不同井深时盲孔的优化壁厚

井深(米)	外压(Mpa)	盲孔优化壁厚δ(毫米)
			≤1500	≤15	3
≤2500	≤25	4
			≤3000	≤30	5
≤4500	≤45	6

对于不同材质和型号的石油射孔枪的盲孔优化壁厚，由以下公式来确定：

${\mathrm{\δ}}_i=\frac{\left[\mathrm{\σ}\right]}{\left[{\mathrm{\σ}}_i\right]}\·\mathrm{\δ}+\mathrm{Int}[0.1\×(D_i-D)]$

公式中，δ_i为对应材料的盲孔优化壁厚，[σ]为30CrMo材料的102型石油射孔枪的许用应力，δ为30CrMo材料的102型石油射孔枪对应的盲孔优化壁厚，[σ_i]为欲计算的材料的许用应力，D＝102mm，D_i为欲求壁厚之型号的石油射孔枪的外径尺寸(单位为mm)。

该公式适合陆地油田使用的石油射孔枪系列型号，即73、89、102、114、127等型号。

该发明对石油射孔枪的设计者和使用者都十分重要，应用该发明之方法可实现对系列石油射孔枪在不同井深服役时发射口处盲孔壁厚的优化设计，该发明提高了石油射孔枪结构设计水平与石油射孔枪的安全可靠性及射孔效率，对石油开采将起到积极的促进作用。

Claims (1)

1、一种石油射孔枪，其是由枪头、枪尾、枪身、射孔弹、弹架、导线所组成，其中枪头、枪尾位于枪身的两端，射孔弹由弹架固定并置于枪身中，导线与各射孔弹连接并从枪头处引出，枪身的侧壁外在相对于射孔弹的发射口位置处开设有盲孔，其特征在于：盲孔的壁厚由以下公式确定：

${\mathrm{\δ}}_i=\frac{\left[\mathrm{\σ}\right]}{\left[{\mathrm{\σ}}_i\right]}\·\mathrm{\δ}+\mathrm{Int}[0.1\×(D_i-D)]$

公式中，δ_i为对应材料的盲孔优化壁厚，[σ]为30 CrMo材料的102型石油射孔枪的许用应力，δ为30 CrMo材料的102型石油射孔枪对应的盲孔优化壁厚，[σ_i]为欲计算的材料的许用应力，D＝102mm，D_i为欲求壁厚之型号的石油射孔枪的外径尺寸(单位为mm)，其中，材料为30 CrMo的102型石油射孔枪盲孔的壁厚如下：井深≤1500米、外压≤15Mpa时为3毫米；井深≤2500米、外压≤25Mpa时为4毫米；井深≤3000米、外压≤30Mpa时为5毫米；井深≤4500米、外压≤45Mpa时为6毫米。

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