射孔槍是油田開采作業(yè)能否順利完成的關(guān)鍵工具，是油田井下開孔的主要工具。針對(duì)射孔槍的工作原理，運(yùn)用ANSYS智能優(yōu)化軟件對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，不斷提高我國對(duì)于油田射孔槍的設(shè)計(jì)水平，對(duì)提高我國油田開采效率，滿足日益增加的原油需求量，具有非常重要的意義。
    射孔槍的工作原理
    石油射孔槍由槍頭、槍身、槍尾三部分組成，連接處均采用梯形螺紋來連接以保證具有較高的連接強(qiáng)度，槍身均勻分布外盲孔并嵌入定位銷釘來保證射孔與盲孔位置對(duì)正。目前國內(nèi)廣泛應(yīng)用的是聚能射孔彈對(duì)于射孔槍的強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求很高，不但要嚴(yán)格控制對(duì)輸油管道與水泥環(huán)的沖擊力，還需要具有良好的發(fā)射效率來保證射孔槍具有較高的工作效率，同時(shí)合理的盲孔深度設(shè)計(jì)能夠使得槍身具有較小的厚度與強(qiáng)度，更能夠有效提高發(fā)射率。
    射孔槍有限元分析
    2.1創(chuàng)建有限元的模型
    實(shí)際工作中多采用創(chuàng)建有限元模型來分析復(fù)雜的井下油田狀態(tài)參數(shù)，具體過程可以分為：建立數(shù)學(xué)幾何模型、定義結(jié)構(gòu)材料特點(diǎn)、設(shè)計(jì)功能單元、施加載荷并根據(jù)載荷數(shù)據(jù)求解及劃分邊界條件、處理運(yùn)算結(jié)果檢測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。創(chuàng)建有限元模型即根據(jù)作業(yè)內(nèi)容設(shè)定模型標(biāo)題；ANSYS軟件無系統(tǒng)單位制，因此需要技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際工作參數(shù)設(shè)定單位制，并保證在同一模型中具有統(tǒng)一單位制；ANSYS軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中儲(chǔ)存有不同類型的常用功能單元數(shù)據(jù)，且每種系統(tǒng)單元類型均具有特定編制符號(hào)，如OLID95、PLANE76；選定單元類型后需要嵌入與單元類型相符合的單元實(shí)常數(shù)，如BEAM3單元的截面面積；然后根據(jù)實(shí)際操作環(huán)境設(shè)定材料物理性能參數(shù)，如彈性模量數(shù)、材料密度、應(yīng)力狀態(tài)、線膨脹系數(shù)等；然后根據(jù)設(shè)定的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建幾何模型，并根據(jù)智能網(wǎng)格模擬功能產(chǎn)生物理分析模型。
    2.2對(duì)加載荷進(jìn)行有限次求解
    有限元模型創(chuàng)建好后，可直接利用SOLUTION處理器來規(guī)定結(jié)構(gòu)類型和分析操作選項(xiàng)，然后調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，對(duì)模型施加可控制調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)載荷數(shù)據(jù)，并根據(jù)載荷參數(shù)對(duì)有限元模型進(jìn)行有限次求解并可恢復(fù)初始化狀態(tài)。數(shù)據(jù)分析類型一般分為：靜態(tài)、瞬態(tài)、調(diào)諧等；在ANSYS軟件中對(duì)有限元模型施加的載荷可分為DOF(自由度)約束、體積載荷、慣性載荷、耦合場載荷等；求解初始化功能主要是從ANSYS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中選定相符的有限元模型以及載荷數(shù)據(jù)，來進(jìn)行運(yùn)算求解，然后將計(jì)算結(jié)果輸入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)起來以備調(diào)用。
    2.3查詢分析結(jié)果
    ANSYS程序完成數(shù)據(jù)運(yùn)算后，就能夠利用POST1或POST26處理器的數(shù)據(jù)來查詢并分析運(yùn)算結(jié)果；通用后處理器POST1功能是查詢?nèi)炕蛘卟糠謺r(shí)間段的運(yùn)算結(jié)果；時(shí)間歷程后處理器POST26主要功能是查詢選定區(qū)域在不同時(shí)間段內(nèi)的所有運(yùn)算結(jié)果。
    射孔槍的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析
    下面針對(duì)3000米礦井深度所使用的國產(chǎn)32CrMo的102型射孔槍為例進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其他型號(hào)射孔槍優(yōu)化設(shè)計(jì)原理與之相同。
    3.1射孔槍盲孔的優(yōu)化
   射孔槍材料性能以及實(shí)際施工中所用射孔槍型號(hào)不相同，槍身結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑、外徑以及所處的鉆井深度等都不相同，從而導(dǎo)致射孔槍盲孔各點(diǎn)的應(yīng)力分布狀態(tài)不一，因此射孔槍盲孔的深度與內(nèi)外徑大小需要設(shè)計(jì)計(jì)算人員根據(jù)實(shí)際的作業(yè)狀態(tài)與功能要求，經(jīng)過科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算來確定。射孔槍盲孔的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程為建立優(yōu)化數(shù)學(xué)分析模型，利用ANSYS軟件建立科學(xué)的參數(shù)分析模型、運(yùn)算求解、然后根據(jù)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行具體參數(shù)優(yōu)化改進(jìn)，生成具有指導(dǎo)意義的優(yōu)化分析文件，根據(jù)軟件系統(tǒng)智能優(yōu)化功能選定優(yōu)化變量，利用系統(tǒng)優(yōu)化工具箱中的優(yōu)化工具與優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化分析，最后得出優(yōu)化結(jié)果，最后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)射孔槍的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
    3.2射孔槍壁厚的優(yōu)化
    射孔槍壁厚的優(yōu)化主要受以下因素影響：射孔彈噴射爆炸時(shí)會(huì)瞬間產(chǎn)生很高的溫度與氣壓，如果射孔槍設(shè)計(jì)的強(qiáng)度過低，那么在作業(yè)中就會(huì)在高溫高壓環(huán)境中產(chǎn)生較大的塑性變形甚至發(fā)生斷裂。如果射孔槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度過高就會(huì)增加設(shè)備生產(chǎn)成本造成資源浪費(fèi)，因此為保障油田射孔槍能夠高效、科學(xué)地實(shí)施作業(yè)，對(duì)射孔槍壁厚進(jìn)行科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，具有非常重要的實(shí)際意義。對(duì)于射孔槍壁厚的優(yōu)化設(shè)計(jì)與盲孔基本相同，同樣是利用ANSYS軟件系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，針對(duì)特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)不斷調(diào)整，在保證作業(yè)功能要求的前提下，盡可能地節(jié)約預(yù)算成本。

    通過創(chuàng)建有限元模型對(duì)射孔槍不同部分有限元彈塑性分析比對(duì)，對(duì)射孔槍進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為我國油田射孔槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)工作提供科學(xué)的設(shè)計(jì)方法與指導(dǎo)意見，以不斷提高我國射孔槍設(shè)計(jì)研發(fā)技術(shù)與制造水平。