定射角定方位射孔新技術

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任公司，陜西西安710061）

定射角定方位射孔新技術

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任公司，陜西西安710061）

介紹了定方位射孔技術的原理及其增產效果不明顯的原因。研究開發了可獲得明顯增產效果的定射角定方位射孔器，它能使槍里每發射孔彈都能按調定的角度射向油、氣層的主應力方向。地面模擬試驗證明，射角在40°以內時，定射角定方位射孔是可行的。給出了調角彈架的示意圖，詳細說明了調節角度的方法步驟。介紹了定射角槍體與一般定方位槍體的3點不同：孔密降低，盲孔拉長，每支槍裝彈都是偶數。詳細說明了定射角定方位射孔器的優點和缺點。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用及其槍柱特點。認為我國的定方位射孔技術還處于發展、完善階段，指出了今后的研究發展方向。

射孔技術；射孔器；主應力；射角；槍柱；模擬實驗

0 引 言

中國的油氣田多數是陸相沉積，儲層薄、巖性細、含膠結物多、夾層多，很多屬于低孔隙度、低滲透率、低產油氣層，必須采取增產措施才能達到工業性開發產能。目前國內外已經有了直井、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任公司研發了定射角定方位射孔器，能使槍里每發射孔彈都能按調定的角度射向油氣層的主應力方向，從而獲得明顯的增產效果［1－5］。本文就定射角定方位射孔新技術，從原理、結構、性能特點、作業方法、使用范圍和優缺點等進行較為詳細地介紹。

1 定方位射孔理論基礎

1.1 地層主應力

進行射孔作業時，射孔彈射向地層主應力方向的穿深將比其他方向要大得多。而且，沿主應力方向射孔，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，獲得較高的產能。

每個油氣存儲構造都有構造運動和沉積環境構成的主應力方向，油田地質部門能夠提供區域性地層主應力資料。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力方向呈相差180°的2個方向，定方位射孔器的相位必須是180°／180°。槍間連接要能夠定準方向或按一定的角度調定方向。

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，旋轉管柱定向；② 油管輸送斜井定方位射孔器：下井前調向，重力自動定向；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：下井前調向，重力自動定向；⑤引進電纜輸送斜井定方位器：低邊探測器測向，錨定定向；⑥ 電纜輸送斜井內定向射孔器：編碼測向，步進轉彈架定向。

上述定方位射孔器都只解決了射孔器在井中的彈射方向。實際上射孔彈只是射向了油氣層主應力在垂直于槍身的平面上的投影方向。這中間差了1個主應力與井軸相交的角度，并沒有真正對準主應力方向射出。這正是目前定方位射孔增產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

絕大多數油氣層都不是水平的，它有傾斜角度和傾斜方向2個參數，簡稱傾角和傾向。鉆穿油氣層的井軸也多數不與油氣層垂直。主應力與油氣層雖處在同一平面，但主向與傾向多數卻不相同。但主應力方向與水平面間也有1個夾角，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、傾角和主向通過計算得出。從圖1可見，當主向平行于傾向時，主角＝傾角；當主向垂直于傾向時，主角＝90°；當主向與傾向之間的夾角在0°～90°時，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際上是射向了主應力在水平面上的投影方向，差了主角這樣1個角度，沒能真正對準主應力方向。這和用斧頭斜著劈柴的道理一樣，不能真正達到定方位射孔的目的。如能按主角的大小調定槍內每發射孔彈的射角，就能讓射孔彈的射流真正對準主應力方向射出。新設計的調角彈架結構裝配在直井和斜井定方位射孔器中，就構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確地對準地層主應力方向射孔。

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，射角大了會不會影響穿深就是首先遇到的難題。因為射孔彈斜射出去不僅在穿透槍體和套管時受著角的影響，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＊套管里射孔的數據，計算出了在0°～40°時不同射角的槍內炸高和槍外間隙，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、角度精準的模擬試驗鋼架，打了12塊鋼靶和柱狀砂巖靶（見表1）。

從地面模擬試驗的結果看，射角在0°～40°范圍內由于射角增大，槍內炸高和槍外間隙也隨之增大，從而提高了射孔彈的穿深。在一定程度上彌補了著角的影響。這項實驗表明，射角在40°以內，定射角定方位射孔是可行的。

2.2 結構特點

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構上。其他并無不同之處。

圖2是調角彈架的示意圖。圖2中每個彈孔的上、下兩側開有方孔，前、后2側各鉆有3個孔，每個彈孔配裝1個彈套和2個彈套補心。裝彈后用專用的調角工具調定射角并用頂絲固定。為準確調定每發彈的射角，特別配備了專用的調角工具（見圖3）。

表1 著靶角度地面模擬實驗數據

圖2 調角彈架示意圖

圖3 射孔彈調角工具

調角時，先調定指針的轉角＝射角，擰緊緊盤柱。將調角工具放在側放的彈架管上，用手轉動裝好射孔彈的彈套，使彈套口部的小尖對準指針尖，擰緊2個頂絲即可。

定射角槍體與一般定方位槍體有3點不同：① 孔密降低，因為射孔彈要在槍里縱向轉動，原來的孔密就不行了，102定射角槍孔密只能達到13孔／m；89定射角槍孔密可以達到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，例如2m槍裝26發，3m槍須設計裝彈40發，因而槍的長度不夠規范。

2.3 實物、試驗照片與分析

加工了裝8發彈的試驗槍，進行了地面混凝土環靶射孔試驗。

試驗用的是1塊放了多年的舊靶，靶的硬度很高，靶的直徑只有1.3m，試驗結果孔眼全部透靶，但射孔孔眼規則、孔道清晰、方向準確，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，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，污染帶里孔眼長度為195.81÷150＝130%，只增長了30%。當前國內射孔彈穿深都在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點：① 能使射孔彈真正對準油氣層主應力方向，增加穿透深度，更好地溝通油氣層高滲透區域到射孔孔眼的油流通道，達到增產的目的；② 定射角槍外部定方位結構、連接部位結構都和定方位槍相同，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，還能用于正在引進和研發的電纜輸送內定方位射孔器；③ 定射角定方位射孔器對于油、水層相距很近的薄互油層射孔很有利。因為定射角能讓彈的射流順著油層形成孔道，不會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，每發彈都增加了彈套和補心，但由于孔密降低，少用了射孔彈和導爆索，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：① 降低了孔密；② 盲孔加長，斜射角度大時，射后槍外盲孔處的外毛刺會稍高；③ 因為裝彈時每發彈都要用調角工具調定和固定，增加了裝彈操作的工作量；④ 主角太大時依然無法對準地層主應力方向射孔；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油田應用最為廣泛的定方位射孔技術，它不需調向，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，其他結構不變。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構和井口管柱轉盤進行射孔作業將更為方便、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構的原因，槍管絲扣采用Tr88×4扣型，密封面為Φ89，配接時需要統一。

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中的旋轉接頭、上、下偏靠器、槍頭。偏靠器尾、外定向鍵以及配用的機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。

因為斜井定方位射孔需要按主應力方位與井斜方位間的夾角在下井前調向，調向的方法有3種：①按已知的主應力方位與井斜方位間的夾角在定位盤上調向。該方法適合在槍廠做，在現場不方便；②在接頭上做好8個螺孔，槍管口上加工9個橢圓孔，按主應力方位與井斜方位間的夾角查表調向。能在現場調向，但至少有5°的誤差；③ 用調角工具調向。圖7就是調角工具調向時的示意圖。

圖7 調角工具調向示意圖

調角工具是2個有底的環，中心部分套起來用檔圈銷住。外環左邊銑掉一塊，用時將鍵對準槍管口的豁槽套在槍管上，內環外側刻有角度，能按需調角度（主應力方位與井斜方位之差）轉動內環在外環的視窗里對準視窗中心線，擰緊頂絲后用角磨機在內環豁槽處將槍管口部打磨出一個新豁槽，連接時將此槍管口上的新豁槽對準接頭上的鍵槽裝上外定向鍵即可。內環上的刻度線間距為2°，并在對應于頂絲尖的環上每2°鉆有1個小孔。這樣，不僅能夠在現場調向，而且調向精度也提高了。

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用定射角槍與錨定裝置碰接即可；電纜輸送斜井定射角內定方位射孔器，因其彈架要能旋轉，結構將更加復雜，有待進一步研發。

圖8 電纜輸送斜井定射角定方位射孔器

4 結束語

中國的定方位射孔技術經過近10年發展取得了一定的成果，認識逐步提高，設備、器材逐漸完善，現場操作技術也有明顯改進。但總體來說我國的定方位射孔技術仍不夠成熟，目前還處于研發、改進、提高、完善階段。

（1）大力推廣定射角技術，實現真正對準主應力方向射孔。

（2）取全、取準射孔層段的主應力、井斜、傾角、傾向等資料。

（3）要與油田地質、采油技術人員密切配合，搞好射孔設計。

（4）改進和完善上述定方位射孔器的結構、加工質量和操作技巧。

（5）加緊研發電纜輸送內定方位射孔器的研發，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構：中國，ZL200920034881.3［P］.2009－10－09.

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

［5］ 張少程.射孔管柱轉盤：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 文獻標識碼：A

2011－09－19 本文編輯 王小寧）