Numerical modelling of shaped charges with an elliptical liner

• Autorzy: Hebda Kamil , Habera Łukasz

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2020.12.06

Warianty tytułu

PL

Modelowanie numeryczne ładunków kumulacyjnych z wkładkami eliptycznymi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article elaborates upon the numerical modelling of shaped charges equipped with various types of elliptical (trumpet-like) liners. Three various geometries of shaped charges with elliptical liners were modelled, which have been compared against a model of a traditional shaped charge with a conical liner. The charges were compared for maximum pressure during charge detonation, velocity of cumulative jet, kinetic energy obtained, as well as length of cumulative jet after a 15 µs interval. The modelling of shaped charges with elliptical liners was aimed at improvement of perforation job parameters in oil wells. Realization of the perforation job is a key element, enabling initialisation of production from a given reservoir of hydrocarbons. The purpose of perforation is the creation of a channel series, perpendicular to borehole axis, penetrating the wall(s) of the casing, cement layer and formation rock, in order to make a hydraulic connection of the borehole with the reservoir of hydrocarbons. The longest possible perforation channels are desired, which enable better completion of the reservoir. Currently, for a perforation job, shaped charges of axial symmetry equipped with conical liners made of copper powders are used, which enable achieving a cumulative jet velocity of 7000 m/s, which can penetrate up to 1 m of undisturbed rock in favourable conditions. The modelled shaped charges, featuring the elliptical liners, achieved much better values of pressure, maximum velocity, kinetic energy and channel length within the same time interval as compared to the results of modelling a cumulative jet created by standard shaped charge. However, it should be remembered that in order to confirm the effectiveness of target penetration by modelled shaped charges, their physical models should be fabricated and tested in ground-fields experiments.

PL

Artykuł został opracowany na podstawie wyników modelowania numerycznego ładunków kumulacyjnych z różnymi typami wkładek eliptycznych (trąbkowych). Zamodelowano trzy geometrie ładunków kumulacyjnych z wkładkami eliptycznymi, które porównano do modelu klasycznego ładunku kumulacyjnego z wkładką stożkową. Ładunki porównano pod względem maksymalnego ciśnienia podczas detonacji ładunku, prędkości strumienia kumulacyjnego, uzyskanej energii kinetycznej oraz długości strumienia kumulacyjnego po czasie 15 µs. Celem modelowania ładunków kumulacyjnych z wkładkami eliptycznymi była poprawa parametrów zabiegu perforacji w odwiertach naftowych. Wykonanie perforacji to kluczowy element, dzięki któremu możliwe jest zapoczątkowanie produkcji w danym złożu węglowodorów. Perforacja ma na celu wykonanie serii otworów prostopadłych do osi odwiertu, przebijających ścianki rur okładzinowych, cementu oraz skałę złożową, aby połączyć hydraulicznie otwór wiertniczy i złoże węglowodorów. Pożądane są jak najdłuższe otwory perforacyjne, które wraz ze wzrostem długości lepiej udostępniają złoże. Obecnie do perforacji wykorzystuje się ładunki osiowosymetryczne ze stożkowymi wkładkami kumulacyjnymi wykonanymi z proszków miedzi, które osiągają prędkość strumienia kumulacyjnego na poziomie 7000 m/s i penetrują do 1 m calizny skalnej przy sprzyjających warunkach. Zamodelowane ładunki kumulacyjne z wkładkami eliptycznymi osiągnęły znacznie lepsze wartości ciśnienia, prędkości maksymalnej, energii kinetycznej oraz długości po czasie dla strumienia kumulacyjnego w porównaniu do wyników modelowania strumienia powstałego z klasycznego ładunku kumulacyjnego. Należy jednak pamiętać, że aby potwierdzić skuteczność przebijania celów przez zamodelowane ładunki kumulacyjne, należałoby wykonać ich fizyczne modele i poddać je testom na poligonie doświadczalnym.

Słowa kluczowe

EN

perforation; shaped charges; elliptical liner; numerical modelling

PL

perforacja; ładunki kumulacyjne; wkładka eliptyczna; modelowanie numeryczne

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2020
• Tom: R. 76, nr 12
• Strony: 929--933
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz.

Twórcy

autor

Hebda Kamil

• Oil and Gas Institute – National Research Institute

autor

Habera Łukasz

• Oil and Gas Institute – National Research Institute

Bibliografia

• Cheng X., Huang G., Liu Ch., Feng S., 2018. Design of a Novel Linear Shaped Charge and Factors Influencing its Penetration Performance. Applied Sciences, 8(10), 1863, DOI: 10.3390/app8101863.
• Elbeih A., Elshenawy T., Zeman S., Akstein Z., 2018. Application of BCHMX in Shaped Charges against RHA Targets Compared to Different Nitramine Explosives. Central European Journal of Energetic Materials, 15(1): 3–17.
• Fedorov S.V., Bayanova Ya.M., Ladov S.V., 2015. Numerical Analysis of the Effect of the Geometric Parameters of a Combined ShapedCharge Liner on the Mass and Velocity of Explosively Formed Compact Elements. Combust. Explo. Shock Waves, 1: 130–142, DOI:10.1134/S0010508215010141.
• Feng D.L., Liu M.B., Li H.Q., Liu G.R., 2013. Smoothed practile hydrodynamics modelling of linear shaped charge with jet formation and penetration effects. Computers & Fluids, 86: 77–85, DOI: 10.1016/j.compfluid.2013.06.033.
• Frodyma A., Koślik P., 2016. Analiza numeryczna ładunków kumulacyjnych do inicjowania propelantów modyfikowanych. Nafta-Gaz, 10: 841–850, DOI: 10.18668/NG.2016.10.09.
• Frodyma A., Wilk Z., 2007. Metody perforacji kumulacyjnej w udostępnianiu złóż węglowodorów. Wiertnictwo, Nafta, Gaz, 24(2): 733–755.
• Habera Ł., Frodyma A., 2008. Zabieg perforacji otworu wiertniczego jako czynnik oddziałujący na wielkość skin-efektu. Wiertnictwo, Nafta, Gaz, 25(2): 305–310.
• Habera Ł., Frodyma A., Godzik A., 2011. Symulacja numeryczna procesu spalania paliwa o zróżnicowanych charakterystykach geometrycznych. Dokumentacja INiG – PIB, nr zlec. 0016/ST/2011, Archiwum Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego, Kraków.
• Kształt ładunków kumulacyjnych, 2020. Broszura Sieci Badawczej Łuksiewicz – Instytutu Przemysłu Organicznego, Oddział w Krupskim Młynie.
• Kupidura Z., Wilk Z., Zygmunt B., 1998. Zastosowanie wysokoenergetycznych kompozycji materiałów wybuchowych z policzterofluoroetylenem (PTFE) w dziedzinie kumulacji wybuchowej. Problemy Techniki Uzbrojenia i Radiolokacji, 65: 61–69.
• Nowak H., Smoleński D., 1974. Ładunki kumulacyjne w wojsku, górnictwie i przemyśle. Wydawnictwo MON, Warszawa.
• Perforating Services, 1993. Broszura Schlumberger.
• Shekhar H., 2012. Theoretical Modeling of Shaped Charges in the Last Two Decades (1990–2010): A Review. Central European Journal of Energetic Materials, 9(2): 155–185.
• Walter K., 1998. Shaped charges pierce the toughest targets. Science & Technology Review, 7: 17–19.
• Wilk Z., 2008. Opracowanie technologii i konstrukcji ładunków kumulacyjnych do efektywnej perforacji odwiertów geologicznych. Rozprawa doktorska. Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa.
• Zygmunt B., Wilk Z., Koślik P., 2014. Koncepcja technologii spiekanych wkładek metalicznych do ładunków EFP. Problemy Mechatroniki, Uzbrojenie, Lotnictwo, Inżynieria Bezpieczeństwa, 2(16): 63–76.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).