定射角定方位射孔新技術(shù)

張少程，張鋒，周曌，張建峰，周虓彬

（西安物華巨能爆破器材有限責(zé)任公司，陜西西安710061）

定射角定方位射孔新技術(shù)

張少程，張鋒，周曌，張建峰，周虓彬

（西安物華巨能爆破器材有限責(zé)任公司，陜西西安710061）

介紹了定方位射孔技術(shù)的原理及其增產(chǎn)效果不明顯的原因。研究開發(fā)了可獲得明顯增產(chǎn)效果的定射角定方位射孔器，它能使槍里每發(fā)射孔彈都能按調(diào)定的角度射向油、氣層的主應(yīng)力方向。地面模擬試驗(yàn)證明，射角在40°以內(nèi)時(shí)，定射角定方位射孔是可行的。給出了調(diào)角彈架的示意圖，詳細(xì)說明了調(diào)節(jié)角度的方法步驟。介紹了定射角槍體與一般定方位槍體的3點(diǎn)不同：孔密降低，盲孔拉長，每支槍裝彈都是偶數(shù)。詳細(xì)說明了定射角定方位射孔器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。分析了油管輸送直井、油管輸送斜井和電纜輸送斜井定射角定方位射孔器的應(yīng)用及其槍柱特點(diǎn)。認(rèn)為我國的定方位射孔技術(shù)還處于發(fā)展、完善階段，指出了今后的研究發(fā)展方向。

射孔技術(shù)；射孔器；主應(yīng)力；射角；槍柱；模擬實(shí)驗(yàn)

0 引 言

中國的油氣田多數(shù)是陸相沉積，儲(chǔ)層薄、巖性細(xì)、含膠結(jié)物多、夾層多，很多屬于低孔隙度、低滲透率、低產(chǎn)油氣層，必須采取增產(chǎn)措施才能達(dá)到工業(yè)性開發(fā)產(chǎn)能。目前國內(nèi)外已經(jīng)有了直井、斜井的油管輸送和電纜輸送等多種定方位方法。但所有射孔器的彈射方向都垂直于槍體，而絕大多數(shù)井軸都是與油、氣地層斜交。為此，西安物華巨能爆破器材有限責(zé)任公司研發(fā)了定射角定方位射孔器，能使槍里每發(fā)射孔彈都能按調(diào)定的角度射向油氣層的主應(yīng)力方向，從而獲得明顯的增產(chǎn)效果［1－5］。本文就定射角定方位射孔新技術(shù)，從原理、結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)、作業(yè)方法、使用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)等進(jìn)行較為詳細(xì)地介紹。

1 定方位射孔理論基礎(chǔ)

1.1 地層主應(yīng)力

進(jìn)行射孔作業(yè)時(shí)，射孔彈射向地層主應(yīng)力方向的穿深將比其他方向要大得多。而且，沿主應(yīng)力方向射孔，射流更容易破碎地層的巖體，改善孔眼周圍的滲透性，提高射孔效率，獲得較高的產(chǎn)能。

每個(gè)油氣存儲(chǔ)構(gòu)造都有構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和沉積環(huán)境構(gòu)成的主應(yīng)力方向，油田地質(zhì)部門能夠提供區(qū)域性地層主應(yīng)力資料。測過地層傾角的井可以由測井解釋資料獲取射孔層位的地層主應(yīng)力資料。地層傾角測井解釋資料還能提供射孔目的層段的地層傾斜角度和地層傾斜方向以及井身傾斜角度和傾斜方向的資料。

1.2 定方位射孔原理

由于井軸與地層相交處主應(yīng)力方向呈相差180°的2個(gè)方向，定方位射孔器的相位必須是180°／180°。槍間連接要能夠定準(zhǔn)方向或按一定的角度調(diào)定方向。

已知的定方位射孔器及其定方位原理可歸納為6種。① 油管輸送直井定方位射孔器：陀螺儀測向，旋轉(zhuǎn)管柱定向；② 油管輸送斜井定方位射孔器：下井前調(diào)向，重力自動(dòng)定向；③ 電纜輸送直井定方位射孔器：陀螺儀測向，重力軌跡定向；④ 電纜輸送斜井定方位射孔器：下井前調(diào)向，重力自動(dòng)定向；⑤引進(jìn)電纜輸送斜井定方位器：低邊探測器測向，錨定定向；⑥ 電纜輸送斜井內(nèi)定向射孔器：編碼測向，步進(jìn)轉(zhuǎn)彈架定向。

上述定方位射孔器都只解決了射孔器在井中的彈射方向。實(shí)際上射孔彈只是射向了油氣層主應(yīng)力在垂直于槍身的平面上的投影方向。這中間差了1個(gè)主應(yīng)力與井軸相交的角度，并沒有真正對(duì)準(zhǔn)主應(yīng)力方向射出。這正是目前定方位射孔增產(chǎn)效果不夠明顯的主要原因。

2 定射角定方位射孔器

2.1 定射角射孔原理

絕大多數(shù)油氣層都不是水平的，它有傾斜角度和傾斜方向2個(gè)參數(shù)，簡稱傾角和傾向。鉆穿油氣層的井軸也多數(shù)不與油氣層垂直。主應(yīng)力與油氣層雖處在同一平面，但主向與傾向多數(shù)卻不相同。但主應(yīng)力方向與水平面間也有1個(gè)夾角，稱為主角。

其中傾向、傾角和主向都能從測井解釋資料中獲取。主角則需要由傾向、傾角和主向通過計(jì)算得出。從圖1可見，當(dāng)主向平行于傾向時(shí)，主角＝傾角；當(dāng)主向垂直于傾向時(shí)，主角＝90°；當(dāng)主向與傾向之間的夾角在0°～90°時(shí)，主角＝傾角×（90°－傾向與主向夾角）÷90。

圖1 井軸與地層相交示意圖

此前，所有射孔器的裝彈都是與槍身垂直的，定方位射孔器射孔彈的射流實(shí)際上是射向了主應(yīng)力在水平面上的投影方向，差了主角這樣1個(gè)角度，沒能真正對(duì)準(zhǔn)主應(yīng)力方向。這和用斧頭斜著劈柴的道理一樣，不能真正達(dá)到定方位射孔的目的。如能按主角的大小調(diào)定槍內(nèi)每發(fā)射孔彈的射角，就能讓射孔彈的射流真正對(duì)準(zhǔn)主應(yīng)力方向射出。新設(shè)計(jì)的調(diào)角彈架結(jié)構(gòu)裝配在直井和斜井定方位射孔器中，就構(gòu)成了定射角定方位射孔器。只有定射角定方位射孔器才能真正準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)地層主應(yīng)力方向射孔。

大炮的炮彈射擊存在著著靶角度問題，稱之為著角。比如打坦克，垂直著靶穿透最深，斜著打上去穿深就淺。同樣，射角大了會(huì)不會(huì)影響穿深就是首先遇到的難題。因?yàn)樯淇讖椥鄙涑鋈ゲ粌H在穿透槍體和套管時(shí)受著角的影響，而且射到地層后，孔眼在地層污染帶里的行程也要加大，定射角的可行性成了疑問。為此，按102槍裝DP40射孔彈在5?2in＊套管里射孔的數(shù)據(jù)，計(jì)算出了在0°～40°時(shí)不同射角的槍內(nèi)炸高和槍外間隙，用8mm鋼板模擬套管、3.5mm鋼板模擬槍的盲孔，加工了12套尺寸、角度精準(zhǔn)的模擬試驗(yàn)鋼架，打了12塊鋼靶和柱狀砂巖靶（見表1）。

從地面模擬試驗(yàn)的結(jié)果看，射角在0°～40°范圍內(nèi)由于射角增大，槍內(nèi)炸高和槍外間隙也隨之增大，從而提高了射孔彈的穿深。在一定程度上彌補(bǔ)了著角的影響。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，射角在40°以內(nèi)，定射角定方位射孔是可行的。

2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

定射角定方位射孔器與前述定方位射孔器的不同之處只是在槍體和彈架的結(jié)構(gòu)上。其他并無不同之處。

圖2是調(diào)角彈架的示意圖。圖2中每個(gè)彈孔的上、下兩側(cè)開有方孔，前、后2側(cè)各鉆有3個(gè)孔，每個(gè)彈孔配裝1個(gè)彈套和2個(gè)彈套補(bǔ)心。裝彈后用專用的調(diào)角工具調(diào)定射角并用頂絲固定。為準(zhǔn)確調(diào)定每發(fā)彈的射角，特別配備了專用的調(diào)角工具（見圖3）。

表1 著靶角度地面模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 調(diào)角彈架示意圖

圖3 射孔彈調(diào)角工具

調(diào)角時(shí)，先調(diào)定指針的轉(zhuǎn)角＝射角，擰緊緊盤柱。將調(diào)角工具放在側(cè)放的彈架管上，用手轉(zhuǎn)動(dòng)裝好射孔彈的彈套，使彈套口部的小尖對(duì)準(zhǔn)指針尖，擰緊2個(gè)頂絲即可。

定射角槍體與一般定方位槍體有3點(diǎn)不同：① 孔密降低，因?yàn)樯淇讖椧跇尷锟v向轉(zhuǎn)動(dòng)，原來的孔密就不行了，102定射角槍孔密只能達(dá)到13孔／m；89定射角槍孔密可以達(dá)到16孔／m；②盲孔拉長，為保證彈的射流不超出盲孔，盲孔做成了長圓形；③ 為了不讓射流傷及定位盤，兩端頭的彈都只能向中間方向斜射，故而每支槍裝彈都須是偶數(shù)，例如2m槍裝26發(fā)，3m槍須設(shè)計(jì)裝彈40發(fā)，因而槍的長度不夠規(guī)范。

2.3 實(shí)物、試驗(yàn)照片與分析

加工了裝8發(fā)彈的試驗(yàn)槍，進(jìn)行了地面混凝土環(huán)靶射孔試驗(yàn)。

試驗(yàn)用的是1塊放了多年的舊靶，靶的硬度很高，靶的直徑只有1.3m，試驗(yàn)結(jié)果孔眼全部透靶，但射孔孔眼規(guī)則、孔道清晰、方向準(zhǔn)確，穿深均在550mm以上。

圖4是定射角槍在井下射孔穿透地層污染帶的示意圖。圖6中射孔彈的射角分別為10°、20°、30°、40°。地層污染帶厚度為150mm時(shí)，4種射角在污染帶里形成的孔眼長度則分別為152.31、159.63、173.21、195.81mm。最大射角為40°時(shí)，污染帶里孔眼長度為195.81÷150＝130%，只增長了30%。當(dāng)前國內(nèi)射孔彈穿深都在700mm以上，再深些的污染帶也能穿透。所以，0°～40°的調(diào)角范圍基本上能滿足一般井定方位射孔的要求。

定射角定方位射孔器的優(yōu)點(diǎn)：① 能使射孔彈真正對(duì)準(zhǔn)油氣層主應(yīng)力方向，增加穿透深度，更好地溝通油氣層高滲透區(qū)域到射孔孔眼的油流通道，達(dá)到增產(chǎn)的目的；② 定射角槍外部定方位結(jié)構(gòu)、連接部位結(jié)構(gòu)都和定方位槍相同，所以它不僅能用在油管輸送直井定方位射孔器、油管輸送斜井定方位射孔器、電纜輸送斜井定方位射孔器里，還能用于正在引進(jìn)和研發(fā)的電纜輸送內(nèi)定方位射孔器；③ 定射角定方位射孔器對(duì)于油、水層相距很近的薄互油層射孔很有利。因?yàn)槎ㄉ浣悄茏審椀纳淞黜樦蛯有纬煽椎?，不?huì)透射到臨近的出水層位；④ 定射角槍雖然彈架加工難度增大，每發(fā)彈都增加了彈套和補(bǔ)心，但由于孔密降低，少用了射孔彈和導(dǎo)爆索，每米的射孔成本將和原來的定方位槍持平。

圖4 定射角射孔器穿透地層污染帶示意圖

定射角定方位射孔器的缺點(diǎn)：① 降低了孔密；② 盲孔加長，斜射角度大時(shí)，射后槍外盲孔處的外毛刺會(huì)稍高；③ 因?yàn)檠b彈時(shí)每發(fā)彈都要用調(diào)角工具調(diào)定和固定，增加了裝彈操作的工作量；④ 主角太大時(shí)依然無法對(duì)準(zhǔn)地層主應(yīng)力方向射孔；⑤ 沒有射孔層段地層傾角資料的井不方便使用。

3 定射角槍與定方位射孔器的配合應(yīng)用

3.1 油管輸送直井定射角定方位射孔器

油管輸送直井定方位射孔是目前國內(nèi)油田應(yīng)用最為廣泛的定方位射孔技術(shù)，它不需調(diào)向，可用投棒引爆。要想定射角只需將原來的定方位射孔槍改為定射角槍，其他結(jié)構(gòu)不變。槍柱見圖5。

油管輸送直井定射角定方位射孔器，若采用西安物華巨能公司的外鍵定向結(jié)構(gòu)和井口管柱轉(zhuǎn)盤進(jìn)行射孔作業(yè)將更為方便、快捷。

如果其他油田的油管輸送直井定方位射孔器配接定射角槍，需注意西安物華巨能公司的102定射角槍由于采用外鍵定向結(jié)構(gòu)的原因，槍管絲扣采用Tr88×4扣型，密封面為Φ89，配接時(shí)需要統(tǒng)一。

3.2 油管輸送斜井定射角定方位射孔器

油管輸送斜井定射角定方位射孔器只需將西安物華巨能公司的管輸斜井定方位射孔器里的定方位槍更換為定射角槍即可。其槍柱圖見圖8。圖8中的旋轉(zhuǎn)接頭、上、下偏靠器、槍頭。偏靠器尾、外定向鍵以及配用的機(jī)械起爆器或者壓力起爆器等都和管輸斜井定方位射孔器相同。

因?yàn)樾本ǚ轿簧淇仔枰粗鲬?yīng)力方位與井斜方位間的夾角在下井前調(diào)向，調(diào)向的方法有3種：①按已知的主應(yīng)力方位與井斜方位間的夾角在定位盤上調(diào)向。該方法適合在槍廠做，在現(xiàn)場不方便；②在接頭上做好8個(gè)螺孔，槍管口上加工9個(gè)橢圓孔，按主應(yīng)力方位與井斜方位間的夾角查表調(diào)向。能在現(xiàn)場調(diào)向，但至少有5°的誤差；③ 用調(diào)角工具調(diào)向。圖7就是調(diào)角工具調(diào)向時(shí)的示意圖。

圖7 調(diào)角工具調(diào)向示意圖

調(diào)角工具是2個(gè)有底的環(huán)，中心部分套起來用檔圈銷住。外環(huán)左邊銑掉一塊，用時(shí)將鍵對(duì)準(zhǔn)槍管口的豁槽套在槍管上，內(nèi)環(huán)外側(cè)刻有角度，能按需調(diào)角度（主應(yīng)力方位與井斜方位之差）轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)環(huán)在外環(huán)的視窗里對(duì)準(zhǔn)視窗中心線，擰緊頂絲后用角磨機(jī)在內(nèi)環(huán)豁槽處將槍管口部打磨出一個(gè)新豁槽，連接時(shí)將此槍管口上的新豁槽對(duì)準(zhǔn)接頭上的鍵槽裝上外定向鍵即可。內(nèi)環(huán)上的刻度線間距為2°，并在對(duì)應(yīng)于頂絲尖的環(huán)上每2°鉆有1個(gè)小孔。這樣，不僅能夠在現(xiàn)場調(diào)向，而且調(diào)向精度也提高了。

3.3 電纜輸送斜井定射角定方位射孔器

電纜輸送斜井定射角定方位射孔器只需將西安物華巨能公司的電纜輸送斜井定方位射孔器里的定方位槍更換為定射角槍即可。其槍柱圖見圖8。

3.4 定射角槍與其他定方位射孔器的組合

與引進(jìn)的電纜輸送斜井定方位器錨定裝置組合，只需在測方位錨定后再下射孔槍時(shí)用定射角槍與錨定裝置碰接即可；電纜輸送斜井定射角內(nèi)定方位射孔器，因其彈架要能旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)將更加復(fù)雜，有待進(jìn)一步研發(fā)。

圖8 電纜輸送斜井定射角定方位射孔器

4 結(jié)束語

中國的定方位射孔技術(shù)經(jīng)過近10年發(fā)展取得了一定的成果，認(rèn)識(shí)逐步提高，設(shè)備、器材逐漸完善，現(xiàn)場操作技術(shù)也有明顯改進(jìn)。但總體來說我國的定方位射孔技術(shù)仍不夠成熟，目前還處于研發(fā)、改進(jìn)、提高、完善階段。

（1）大力推廣定射角技術(shù)，實(shí)現(xiàn)真正對(duì)準(zhǔn)主應(yīng)力方向射孔。

（2）取全、取準(zhǔn)射孔層段的主應(yīng)力、井斜、傾角、傾向等資料。

（3）要與油田地質(zhì)、采油技術(shù)人員密切配合，搞好射孔設(shè)計(jì)。

（4）改進(jìn)和完善上述定方位射孔器的結(jié)構(gòu)、加工質(zhì)量和操作技巧。

（5）加緊研發(fā)電纜輸送內(nèi)定方位射孔器的研發(fā)，以滿足小斜度井的需要。

［1］ 張少程.射孔槍：中國，ZL95218291.2［P］.1995－08－09.

［2］ 張少程.射孔彈套：中國，ZL200520016126.4［P］.2005－04－14.

［3］ 張少程.射孔槍串的外鍵定方位結(jié)構(gòu)：中國，ZL200920034881.3［P］.2009－10－09.

［4］ 張少程.射孔槍用調(diào)射角彈架：中國，ZL200920034880.9［P］.2009－10－09.

［5］ 張少程.射孔管柱轉(zhuǎn)盤：中國，ZL200920034882.8［P］.2009－10－09.

On Set Shoot Angle Compass Perforating Technology

ZHANG Shaocheng，ZHANG Feng，ZHOU Zhao，ZHANG Jianfeng，ZHOU Xiaobin
（Xi’an Wuhua Energy Exploding Equipment Company of Limited Liability，Xi’an，Shaanxi 710061，China）

Introduced are the principle of compass perforating technology and causes for its unsatisfied production increments.Developed is a new kind of set shoot angle compass perforator，which could shoot at the payzone principal stress direction and help us gain obvious production increments.Simulation test on the ground proves that it is feasible to perform set shoot angle compass perforating when the shooting angle is within 40°.Presented are the sketch figure for adjustable gun carrier and procedures for adjusting angles.Introduced are 3different points between the set shoot angle perforating gun and compass perforating gun，that is，the former has less hole density，longer blind hole and even number charges.Advantages and disadvantages of set shoot angle compass perforator are illustrated in detail.Analyzed are applications of the perforator to pipe－conveying vertical well，pipe－conveying deviated well and cable－conveying deviated well.And also，the gun string characteristics are described.It is believed that the compass perforating technology in china is still in a development stage，and we still have many things to do.And pointed out is future research and development direction for the perforation technique.

perforation technology，perforator，principal stress，shooting angle，gun string，simulation test

TE243 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

2011－09－19 本文編輯 王小寧）