動力旋轉(zhuǎn)定方位射孔工藝技術(shù)

賀紅民，路利軍，慕光華，孫志忠，吳少威，平朋勃

（中國石油集團測井有限公司長慶事業(yè)部，陜西 西安710201）

0 引 言

在直井或井斜很小的定方位射孔作業(yè)中通常采用油管輸送和電纜輸送2種方式，作業(yè)中都需要使用陀螺儀測量井內(nèi)參考鍵槽的方位，然后根據(jù)需要將射孔器的射孔方向調(diào)整到要求射孔的方位上。在井斜較大或水平井內(nèi)進行定向射孔時，采用在射孔器上安裝偏心配重塊，依靠重力作用實現(xiàn)定向射孔。動力旋轉(zhuǎn)定方位射孔工藝［1－3］結(jié)合了以上2種定向射孔工藝的優(yōu)點，不僅可應(yīng)用于定方位或定向射孔作業(yè)，而且可應(yīng)用于其他特殊的射孔工程需要。

1 系統(tǒng)原理

根據(jù)測井井眼方位可以確定射孔段處射孔儀器串的方位。同時，斜井內(nèi)儀器串高邊或低邊的方位與儀器的方位相一致。如果在儀器串的橫截面上從中心點引1條直線連接儀器串的高邊和低邊（見圖1），那么中心點向高邊連線在水平面上的投影方位與井眼方位相同，與低邊連線在水平面投影方位相差180°。所以在斜井內(nèi)，如果將射孔器的射流方向與儀器串的高邊或低邊相關(guān)聯(lián)，那么根據(jù)儀器串高邊或低邊的方位即可計算出射孔器的射流方位角。

動力旋轉(zhuǎn)定向系統(tǒng)是地面可控的旋轉(zhuǎn)定向儀器串。它主要是依靠儀器串上的電動旋轉(zhuǎn)井下儀可在斜井內(nèi)自動識別低邊，而且可根據(jù)指令準確旋轉(zhuǎn)一定角度的原理，電動旋轉(zhuǎn)井下儀自動識別低邊后，將射流調(diào)整到低邊（或高邊）方位，再根據(jù)要求射孔的方位角旋轉(zhuǎn)一定角度，即可將射流調(diào)整到射孔方位。所以，將動力旋轉(zhuǎn)定向系統(tǒng)和定向射孔器相結(jié)合，在斜井內(nèi)可以實現(xiàn)定方位射孔。

圖1 儀器串在水平面投影示意圖

2 主要結(jié)構(gòu)

2.1 井下儀動態(tài)控制器機械設(shè)計

井下儀動態(tài)控制器配置了高強度可伸縮的定位板，與電動旋轉(zhuǎn)井下儀一起控制儀器串旋轉(zhuǎn)。起、下井過程中定位板處于關(guān)閉位置，到達目的層后再打開，將儀器串上部錨定在井壁上，以便在旋轉(zhuǎn)下部儀器串時提供摩擦力，避免儀器串旋轉(zhuǎn)探測低邊時發(fā)生晃動或位移。

2.2 電動旋轉(zhuǎn)井下儀的設(shè)計原理

在儀器的內(nèi)部有1個低邊探測器和1個高分辨率編碼器。低邊探測器是由1個金屬球和1個低邊傳感器組成。金屬球放置在類似于碗狀的腔體內(nèi)，在斜井內(nèi)，金屬球在重力作用下始終處于儀器的低邊。同時，在儀器外殼上有1條刻度線，它是儀器的低邊參考面，儀器不供電時處于鎖定狀態(tài)，射孔器旋轉(zhuǎn)的角度可以通過刻度線旋轉(zhuǎn)的角度確定。儀器串上部在井內(nèi)錨定后即可根據(jù)指令進行刻度和旋轉(zhuǎn)定位。

首先，需要進行儀器刻度，其目的是將儀器低邊參考面刻度線準確定位在儀器最低邊。儀器第1次旋轉(zhuǎn)刻度其內(nèi)部的高精密的編碼器和低邊傳感器，使儀器低邊與外殼刻度線建立關(guān)系。然后再旋轉(zhuǎn)至少3圈，檢查儀器在旋轉(zhuǎn)過程中是否產(chǎn)生了滑動，同時將儀器參考面刻度線準確定位在儀器最低邊?？潭韧瓿珊?，低邊參考面可根據(jù)指令要求旋轉(zhuǎn)一定角度，將定向射孔器的射流方位定位在要求射孔的方位角上。

2.3 電動旋轉(zhuǎn)井下儀電路設(shè)計

它包括2個主要的電路板，電纜隔離板和電源與信號處理電路板，另外還有1個電機控制電路板，1個編碼電路板和1個馬達噪音衰減電路板。電纜隔離電路板的作用實際是1個電子開關(guān)，將電纜電源連接到電源與信號處理電路板上。電源電壓的范圍在－30～－130V之間（根據(jù)溫度略有變化）。電源與信號處理板包含了所有的井下邏輯，在芯片內(nèi)有電纜驅(qū)動電路，可以將儀器的脈沖信號傳送到電纜上。編碼電路板處理編碼信號并發(fā)送到電源與信號處理板的輸入端。電機控制電路板在邏輯電路控制下使電機順時針方向旋轉(zhuǎn)。

圖2 電動旋轉(zhuǎn)井下儀電路框圖

3 安全輔助設(shè)計

3.1 可編址釋放井下儀

可編址釋放井下儀的主要作用是在井下儀器串遇卡時，通過地面儀控制，將被卡儀器串從可編制釋放井下儀上脫離開，從而消除因為強行拉電纜導(dǎo)致的電纜損壞或斷裂的危險，便于下一步打撈被卡儀器。另外，使用可編址釋放井下儀時，電纜上不用做弱點。井下儀器串遇卡時可以提高電纜拉力，有利于電纜自動解卡。為避免井下炸槍事故影響后期作業(yè)，在電動旋轉(zhuǎn)井下儀與射孔器之間連接可編址釋放井下儀，必要時釋放掉下部的射孔槍，取出上部連接的動力旋轉(zhuǎn)定向系統(tǒng)。

3.2 電壓傳感開關(guān)井下儀

電壓傳感開關(guān)井下儀類似一個開關(guān)電路，目的是對連接在其下部的井下儀器串進行電氣隔離。儀器串是由動力旋轉(zhuǎn)定向儀器與定向射孔器2部分組成，雖然儀器用電與射孔器點火電壓不同，但為了射孔作業(yè)安全，必須將兩者隔離開。

3.2.1 工作原理

在電壓超過30V時，開關(guān)切換，使上部和下部的電路斷開。它主要有2個作用：①給上部儀器串供電（電壓80V）時，開關(guān)斷開，下部射孔器不會接收到任何電流，保證射孔器安全（只有在點火（電壓20V）時，開關(guān)閉合，保證下部射孔器可順利點火）；②射孔槍點火后，開關(guān)電路斷開，保證上部儀器可正常工作。如不連接電壓傳感開關(guān)井下儀，在射孔槍點火后，槍身會造成短路，上部儀器供電時，電流過大。

3.2.2 電路設(shè)計

上端和下端通過開關(guān)元件進行連接，適用于低壓選擇點火開關(guān)。＋20VDC電壓可通過靜止狀態(tài)的模塊直接導(dǎo)通，一旦上端電壓超過30～35VDC，繼電器打開與下端連接斷開。這可防止給電壓傳感開關(guān)井下儀上端連接的儀器串提供－82V的電壓時，在下部連接的低阻抗可選址點火開關(guān)上發(fā)生短路。

減震器可減小射孔瞬間的爆炸力對上部儀器串的沖擊。

在井下儀動態(tài)控制器上安裝有安全失效保障機構(gòu)，它由高強彈簧和剪切螺釘組成。當定位板不能收回時，可以增大電纜拉力，剪切掉螺釘，定位板在彈簧推力的作用下自動收回。所以電纜拉力的50%必須大于剪切力，上井前要測試電纜拉斷力。

4 旋轉(zhuǎn)角度計算

儀器在井內(nèi)刻度完成后，低邊參考面（儀器外殼上的刻度線）將處于儀器的最底邊。可以確定刻度線的方位角為：井眼方位－180°（見圖3）。若刻度線與射孔器孔眼的夾角為θ（俯視儀器串時，孔眼在刻度線的順時針方向θ角），井眼方位為α，要求射孔的方位為β。那么刻度后工具旋轉(zhuǎn)的角度（即將孔眼方位旋轉(zhuǎn)到射孔方位角上）＝β－α－θ＋180°。若定向射孔器是180°相位時，可以不考慮式中的180°。

圖3 定向射孔系統(tǒng)井內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度計算示意圖

5 應(yīng)用實例

井下儀器串（自上向下）結(jié)構(gòu)依次為馬籠頭、井下儀動態(tài)控制器、電動旋轉(zhuǎn)井下儀、可編址釋放井下儀、電壓傳感開關(guān)井下儀、減震短接、轉(zhuǎn)換接頭、磁定位器、點火轉(zhuǎn)換接頭、炮頭、定向射孔器、炮尾。

作業(yè)步驟：①首先將組裝好的定向射孔器與動力旋轉(zhuǎn)定向系統(tǒng)在井口對接；②測量出儀器刻度線與射孔器射孔方向的夾角；③通過電纜將射孔器下放到射孔位置，校深、確定射孔深度；④動態(tài)控制器錨定；⑤電動旋轉(zhuǎn)井下儀刻度；⑥電動旋轉(zhuǎn)井下儀旋轉(zhuǎn)定位；⑦射孔器點火；⑧動態(tài)控制器收回定位板，起出射孔槍。

施工情況：長慶事業(yè)部采用動力旋轉(zhuǎn)定方位射孔工藝技術(shù)共施工4口井，完成了3口井的旋轉(zhuǎn)定方位射孔作業(yè)任務(wù)（見表1）。其中元×1井由于動力旋轉(zhuǎn)儀刻度失敗，所以不能定方位。后期通過改進刻度軟件，順利完成了另外2口井定向射孔作業(yè)。

表1 射孔施工作業(yè)數(shù)據(jù)

6 結(jié) 論

（1）動力旋轉(zhuǎn)定方位射孔工藝定位準確，操作簡單，一次下井即可完成定方位和射孔作業(yè)，提高了定方位射孔效率。

（2）將該工藝與多級點火系統(tǒng)相結(jié)合，可實現(xiàn)夾層距離較遠、射孔層位不厚的多層段定方位射孔。與采用陀螺儀定向射孔相比有更明顯的優(yōu)勢。

（3）采用該工藝施工時必須有測井井斜和方位數(shù)據(jù)，在不清楚這些數(shù)據(jù)時需要用陀螺儀進行測量。

［1］ 王化偉，王國興，侯衛(wèi)東，等.定方位射孔技術(shù)在河南油田的應(yīng)用 ［J］.石油儀器，2010，24（5）：23－25.

［2］ 趙春輝.定方位射孔工藝技術(shù)研究 ［D］.北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2009.

［3］ 張少程，張鋒，周曌，等.定射角定方位射孔新技術(shù)［J］.測井技術(shù)，2012，36（1）：68－72.