定射角定方位射孔新技术

张少程，张锋，周曌，张建峰，周虓彬

（西安物华巨能爆破器材有限责任公司，陕西西安710061）

定射角定方位射孔新技术

张少程，张锋，周曌，张建峰，周虓彬

（西安物华巨能爆破器材有限责任公司，陕西西安710061）

介绍了定方位射孔技术的原理及其增产效果不明显的原因。研究开发了可获得明显增产效果的定射角定方位射孔器，它能使枪里每发射孔弹都能按调定的角度射向油、气层的主应力方向。地面模拟试验证明，射角在40°以内时，定射角定方位射孔是可行的。给出了调角弹架的示意图，详细说明了调节角度的方法步骤。介绍了定射角枪体与一般定方位枪体的3点不同：孔密降低，盲孔拉长，每支枪装弹都是偶数。详细说明了定射角定方位射孔器的优点和缺点。分析了油管输送直井、油管输送斜井和电缆输送斜井定射角定方位射孔器的应用及其枪柱特点。认为我国的定方位射孔技术还处于发展、完善阶段，指出了今后的研究发展方向。

射孔技术；射孔器；主应力；射角；枪柱；模拟实验

0 引 言

中国的油气田多数是陆相沉积，储层薄、岩性细、含胶结物多、夹层多，很多属于低孔隙度、低渗透率、低产油气层，必须采取增产措施才能达到工业性开发产能。目前国内外已经有了直井、斜井的油管输送和电缆输送等多种定方位方法。但所有射孔器的弹射方向都垂直于枪体，而绝大多数井轴都是与油、气地层斜交。为此，西安物华巨能爆破器材有限责任公司研发了定射角定方位射孔器，能使枪里每发射孔弹都能按调定的角度射向油气层的主应力方向，从而获得明显的增产效果［1－5］。本文就定射角定方位射孔新技术，从原理、结构、性能特点、作业方法、使用范围和优缺点等进行较为详细地介绍。

1 定方位射孔理论基础

1.1 地层主应力

进行射孔作业时，射孔弹射向地层主应力方向的穿深将比其他方向要大得多。而且，沿主应力方向射孔，射流更容易破碎地层的岩体，改善孔眼周围的渗透性，提高射孔效率，获得较高的产能。

每个油气存储构造都有构造运动和沉积环境构成的主应力方向，油田地质部门能够提供区域性地层主应力资料。测过地层倾角的井可以由测井解释资料获取射孔层位的地层主应力资料。地层倾角测井解释资料还能提供射孔目的层段的地层倾斜角度和地层倾斜方向以及井身倾斜角度和倾斜方向的资料。

1.2 定方位射孔原理

由于井轴与地层相交处主应力方向呈相差180°的2个方向，定方位射孔器的相位必须是180°／180°。枪间连接要能够定准方向或按一定的角度调定方向。

已知的定方位射孔器及其定方位原理可归纳为6种。① 油管输送直井定方位射孔器：陀螺仪测向，旋转管柱定向；② 油管输送斜井定方位射孔器：下井前调向，重力自动定向；③ 电缆输送直井定方位射孔器：陀螺仪测向，重力轨迹定向；④ 电缆输送斜井定方位射孔器：下井前调向，重力自动定向；⑤引进电缆输送斜井定方位器：低边探测器测向，锚定定向；⑥ 电缆输送斜井内定向射孔器：编码测向，步进转弹架定向。

上述定方位射孔器都只解决了射孔器在井中的弹射方向。实际上射孔弹只是射向了油气层主应力在垂直于枪身的平面上的投影方向。这中间差了1个主应力与井轴相交的角度，并没有真正对准主应力方向射出。这正是目前定方位射孔增产效果不够明显的主要原因。

2 定射角定方位射孔器

2.1 定射角射孔原理

绝大多数油气层都不是水平的，它有倾斜角度和倾斜方向2个参数，简称倾角和倾向。钻穿油气层的井轴也多数不与油气层垂直。主应力与油气层虽处在同一平面，但主向与倾向多数却不相同。但主应力方向与水平面间也有1个夹角，称为主角。

其中倾向、倾角和主向都能从测井解释资料中获取。主角则需要由倾向、倾角和主向通过计算得出。从图1可见，当主向平行于倾向时，主角＝倾角；当主向垂直于倾向时，主角＝90°；当主向与倾向之间的夹角在0°～90°时，主角＝倾角×（90°－倾向与主向夹角）÷90。

图1 井轴与地层相交示意图

此前，所有射孔器的装弹都是与枪身垂直的，定方位射孔器射孔弹的射流实际上是射向了主应力在水平面上的投影方向，差了主角这样1个角度，没能真正对准主应力方向。这和用斧头斜着劈柴的道理一样，不能真正达到定方位射孔的目的。如能按主角的大小调定枪内每发射孔弹的射角，就能让射孔弹的射流真正对准主应力方向射出。新设计的调角弹架结构装配在直井和斜井定方位射孔器中，就构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准确地对准地层主应力方向射孔。

大炮的炮弹射击存在着着靶角度问题，称之为着角。比如打坦克，垂直着靶穿透最深，斜着打上去穿深就浅。同样，射角大了会不会影响穿深就是首先遇到的难题。因为射孔弹斜射出去不仅在穿透枪体和套管时受着角的影响，而且射到地层后，孔眼在地层污染带里的行程也要加大，定射角的可行性成了疑问。为此，按102枪装DP40射孔弹在5⅟2in＊套管里射孔的数据，计算出了在0°～40°时不同射角的枪内炸高和枪外间隙，用8mm钢板模拟套管、3.5mm钢板模拟枪的盲孔，加工了12套尺寸、角度精准的模拟试验钢架，打了12块钢靶和柱状砂岩靶（见表1）。

从地面模拟试验的结果看，射角在0°～40°范围内由于射角增大，枪内炸高和枪外间隙也随之增大，从而提高了射孔弹的穿深。在一定程度上弥补了着角的影响。这项实验表明，射角在40°以内，定射角定方位射孔是可行的。

2.2 结构特点

定射角定方位射孔器与前述定方位射孔器的不同之处只是在枪体和弹架的结构上。其他并无不同之处。

图2是调角弹架的示意图。图2中每个弹孔的上、下两侧开有方孔，前、后2侧各钻有3个孔，每个弹孔配装1个弹套和2个弹套补心。装弹后用专用的调角工具调定射角并用顶丝固定。为准确调定每发弹的射角，特别配备了专用的调角工具（见图3）。

表1 着靶角度地面模拟实验数据

图2 调角弹架示意图

图3 射孔弹调角工具

调角时，先调定指针的转角＝射角，拧紧紧盘柱。将调角工具放在侧放的弹架管上，用手转动装好射孔弹的弹套，使弹套口部的小尖对准指针尖，拧紧2个顶丝即可。

定射角枪体与一般定方位枪体有3点不同：① 孔密降低，因为射孔弹要在枪里纵向转动，原来的孔密就不行了，102定射角枪孔密只能达到13孔／m；89定射角枪孔密可以达到16孔／m；②盲孔拉长，为保证弹的射流不超出盲孔，盲孔做成了长圆形；③ 为了不让射流伤及定位盘，两端头的弹都只能向中间方向斜射，故而每支枪装弹都须是偶数，例如2m枪装26发，3m枪须设计装弹40发，因而枪的长度不够规范。

2.3 实物、试验照片与分析

加工了装8发弹的试验枪，进行了地面混凝土环靶射孔试验。

试验用的是1块放了多年的旧靶，靶的硬度很高，靶的直径只有1.3m，试验结果孔眼全部透靶，但射孔孔眼规则、孔道清晰、方向准确，穿深均在550mm以上。

图4是定射角枪在井下射孔穿透地层污染带的示意图。图6中射孔弹的射角分别为10°、20°、30°、40°。地层污染带厚度为150mm时，4种射角在污染带里形成的孔眼长度则分别为152.31、159.63、173.21、195.81mm。最大射角为40°时，污染带里孔眼长度为195.81÷150＝130%，只增长了30%。当前国内射孔弹穿深都在700mm以上，再深些的污染带也能穿透。所以，0°～40°的调角范围基本上能满足一般井定方位射孔的要求。

定射角定方位射孔器的优点：① 能使射孔弹真正对准油气层主应力方向，增加穿透深度，更好地沟通油气层高渗透区域到射孔孔眼的油流通道，达到增产的目的；② 定射角枪外部定方位结构、连接部位结构都和定方位枪相同，所以它不仅能用在油管输送直井定方位射孔器、油管输送斜井定方位射孔器、电缆输送斜井定方位射孔器里，还能用于正在引进和研发的电缆输送内定方位射孔器；③ 定射角定方位射孔器对于油、水层相距很近的薄互油层射孔很有利。因为定射角能让弹的射流顺着油层形成孔道，不会透射到临近的出水层位；④ 定射角枪虽然弹架加工难度增大，每发弹都增加了弹套和补心，但由于孔密降低，少用了射孔弹和导爆索，每米的射孔成本将和原来的定方位枪持平。

图4 定射角射孔器穿透地层污染带示意图

定射角定方位射孔器的缺点：① 降低了孔密；② 盲孔加长，斜射角度大时，射后枪外盲孔处的外毛刺会稍高；③ 因为装弹时每发弹都要用调角工具调定和固定，增加了装弹操作的工作量；④ 主角太大时依然无法对准地层主应力方向射孔；⑤ 没有射孔层段地层倾角资料的井不方便使用。

3 定射角枪与定方位射孔器的配合应用

3.1 油管输送直井定射角定方位射孔器

油管输送直井定方位射孔是目前国内油田应用最为广泛的定方位射孔技术，它不需调向，可用投棒引爆。要想定射角只需将原来的定方位射孔枪改为定射角枪，其他结构不变。枪柱见图5。

油管输送直井定射角定方位射孔器，若采用西安物华巨能公司的外键定向结构和井口管柱转盘进行射孔作业将更为方便、快捷。

如果其他油田的油管输送直井定方位射孔器配接定射角枪，需注意西安物华巨能公司的102定射角枪由于采用外键定向结构的原因，枪管丝扣采用Tr88×4扣型，密封面为Φ89，配接时需要统一。

3.2 油管输送斜井定射角定方位射孔器

油管输送斜井定射角定方位射孔器只需将西安物华巨能公司的管输斜井定方位射孔器里的定方位枪更换为定射角枪即可。其枪柱图见图8。图8中的旋转接头、上、下偏靠器、枪头。偏靠器尾、外定向键以及配用的机械起爆器或者压力起爆器等都和管输斜井定方位射孔器相同。

因为斜井定方位射孔需要按主应力方位与井斜方位间的夹角在下井前调向，调向的方法有3种：①按已知的主应力方位与井斜方位间的夹角在定位盘上调向。该方法适合在枪厂做，在现场不方便；②在接头上做好8个螺孔，枪管口上加工9个椭圆孔，按主应力方位与井斜方位间的夹角查表调向。能在现场调向，但至少有5°的误差；③ 用调角工具调向。图7就是调角工具调向时的示意图。

图7 调角工具调向示意图

调角工具是2个有底的环，中心部分套起来用档圈销住。外环左边铣掉一块，用时将键对准枪管口的豁槽套在枪管上，内环外侧刻有角度，能按需调角度（主应力方位与井斜方位之差）转动内环在外环的视窗里对准视窗中心线，拧紧顶丝后用角磨机在内环豁槽处将枪管口部打磨出一个新豁槽，连接时将此枪管口上的新豁槽对准接头上的键槽装上外定向键即可。内环上的刻度线间距为2°，并在对应于顶丝尖的环上每2°钻有1个小孔。这样，不仅能够在现场调向，而且调向精度也提高了。

3.3 电缆输送斜井定射角定方位射孔器

电缆输送斜井定射角定方位射孔器只需将西安物华巨能公司的电缆输送斜井定方位射孔器里的定方位枪更换为定射角枪即可。其枪柱图见图8。

3.4 定射角枪与其他定方位射孔器的组合

与引进的电缆输送斜井定方位器锚定装置组合，只需在测方位锚定后再下射孔枪时用定射角枪与锚定装置碰接即可；电缆输送斜井定射角内定方位射孔器，因其弹架要能旋转，结构将更加复杂，有待进一步研发。

图8 电缆输送斜井定射角定方位射孔器

4 结束语

中国的定方位射孔技术经过近10年发展取得了一定的成果，认识逐步提高，设备、器材逐渐完善，现场操作技术也有明显改进。但总体来说我国的定方位射孔技术仍不够成熟，目前还处于研发、改进、提高、完善阶段。

（1）大力推广定射角技术，实现真正对准主应力方向射孔。

（2）取全、取准射孔层段的主应力、井斜、倾角、倾向等资料。

（3）要与油田地质、采油技术人员密切配合，搞好射孔设计。

（4）改进和完善上述定方位射孔器的结构、加工质量和操作技巧。

（5）加紧研发电缆输送内定方位射孔器的研发，以满足小斜度井的需要。

［1］ 张少程.射孔枪：中国，ZL95218291.2［P］.1995－08－09.

［2］ 张少程.射孔弹套：中国，ZL200520016126.4［P］.2005－04－14.

［3］ 张少程.射孔枪串的外键定方位结构：中国，ZL200920034881.3［P］.2009－10－09.

［4］ 张少程.射孔枪用调射角弹架：中国，ZL200920034880.9［P］.2009－10－09.

［5］ 张少程.射孔管柱转盘：中国，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 文献标识码：A

2011－09－19 本文编辑 王小宁）