动力旋转定方位射孔工艺技术

2013-12-03贺红民路利军慕光华孙志忠吴少威平朋勃

测井技术 2013年4期

贺红民，路利军，慕光华，孙志忠，吴少威，平朋勃

（中国石油集团测井有限公司长庆事业部，陕西西安710201）

0 引言

在直井或井斜很小的定方位射孔作业中通常采用油管输送和电缆输送2种方式，作业中都需要使用陀螺仪测量井内参考键槽的方位，然后根据需要将射孔器的射孔方向调整到要求射孔的方位上。在井斜较大或水平井内进行定向射孔时，采用在射孔器上安装偏心配重块，依靠重力作用实现定向射孔。动力旋转定方位射孔工艺［1－3］结合了以上2种定向射孔工艺的优点，不仅可应用于定方位或定向射孔作业，而且可应用于其他特殊的射孔工程需要。

1 系统原理

根据测井井眼方位可以确定射孔段处射孔仪器串的方位。同时，斜井内仪器串高边或低边的方位与仪器的方位相一致。如果在仪器串的横截面上从中心点引1条直线连接仪器串的高边和低边（见图1），那么中心点向高边连线在水平面上的投影方位与井眼方位相同，与低边连线在水平面投影方位相差180°。所以在斜井内，如果将射孔器的射流方向与仪器串的高边或低边相关联，那么根据仪器串高边或低边的方位即可计算出射孔器的射流方位角。

动力旋转定向系统是地面可控的旋转定向仪器串。它主要是依靠仪器串上的电动旋转井下仪可在斜井内自动识别低边，而且可根据指令准确旋转一定角度的原理，电动旋转井下仪自动识别低边后，将射流调整到低边（或高边）方位，再根据要求射孔的方位角旋转一定角度，即可将射流调整到射孔方位。所以，将动力旋转定向系统和定向射孔器相结合，在斜井内可以实现定方位射孔。

图1 仪器串在水平面投影示意图

2 主要结构

2.1 井下仪动态控制器机械设计

井下仪动态控制器配置了高强度可伸缩的定位板，与电动旋转井下仪一起控制仪器串旋转。起、下井过程中定位板处于关闭位置，到达目的层后再打开，将仪器串上部锚定在井壁上，以便在旋转下部仪器串时提供摩擦力，避免仪器串旋转探测低边时发生晃动或位移。

2.2 电动旋转井下仪的设计原理

在仪器的内部有1个低边探测器和1个高分辨率编码器。低边探测器是由1个金属球和1个低边传感器组成。金属球放置在类似于碗状的腔体内，在斜井内，金属球在重力作用下始终处于仪器的低边。同时，在仪器外壳上有1条刻度线，它是仪器的低边参考面，仪器不供电时处于锁定状态，射孔器旋转的角度可以通过刻度线旋转的角度确定。仪器串上部在井内锚定后即可根据指令进行刻度和旋转定位。

首先，需要进行仪器刻度，其目的是将仪器低边参考面刻度线准确定位在仪器最低边。仪器第1次旋转刻度其内部的高精密的编码器和低边传感器，使仪器低边与外壳刻度线建立关系。然后再旋转至少3圈，检查仪器在旋转过程中是否产生了滑动，同时将仪器参考面刻度线准确定位在仪器最低边。刻度完成后，低边参考面可根据指令要求旋转一定角度，将定向射孔器的射流方位定位在要求射孔的方位角上。

2.3 电动旋转井下仪电路设计

它包括2个主要的电路板，电缆隔离板和电源与信号处理电路板，另外还有1个电机控制电路板，1个编码电路板和1个马达噪音衰减电路板。电缆隔离电路板的作用实际是1个电子开关，将电缆电源连接到电源与信号处理电路板上。电源电压的范围在－30～－130V之间（根据温度略有变化）。电源与信号处理板包含了所有的井下逻辑，在芯片内有电缆驱动电路，可以将仪器的脉冲信号传送到电缆上。编码电路板处理编码信号并发送到电源与信号处理板的输入端。电机控制电路板在逻辑电路控制下使电机顺时针方向旋转。

图2 电动旋转井下仪电路框图

3 安全辅助设计

3.1 可编址释放井下仪

可编址释放井下仪的主要作用是在井下仪器串遇卡时，通过地面仪控制，将被卡仪器串从可编制释放井下仪上脱离开，从而消除因为强行拉电缆导致的电缆损坏或断裂的危险，便于下一步打捞被卡仪器。另外，使用可编址释放井下仪时，电缆上不用做弱点。井下仪器串遇卡时可以提高电缆拉力，有利于电缆自动解卡。为避免井下炸枪事故影响后期作业，在电动旋转井下仪与射孔器之间连接可编址释放井下仪，必要时释放掉下部的射孔枪，取出上部连接的动力旋转定向系统。

3.2 电压传感开关井下仪

电压传感开关井下仪类似一个开关电路，目的是对连接在其下部的井下仪器串进行电气隔离。仪器串是由动力旋转定向仪器与定向射孔器2部分组成，虽然仪器用电与射孔器点火电压不同，但为了射孔作业安全，必须将两者隔离开。

3.2.1 工作原理

在电压超过30V时，开关切换，使上部和下部的电路断开。它主要有2个作用：①给上部仪器串供电（电压80V）时，开关断开，下部射孔器不会接收到任何电流，保证射孔器安全（只有在点火（电压20V）时，开关闭合，保证下部射孔器可顺利点火）；②射孔枪点火后，开关电路断开，保证上部仪器可正常工作。如不连接电压传感开关井下仪，在射孔枪点火后，枪身会造成短路，上部仪器供电时，电流过大。

3.2.2 电路设计

上端和下端通过开关元件进行连接，适用于低压选择点火开关。＋20VDC电压可通过静止状态的模块直接导通，一旦上端电压超过30～35VDC，继电器打开与下端连接断开。这可防止给电压传感开关井下仪上端连接的仪器串提供－82V的电压时，在下部连接的低阻抗可选址点火开关上发生短路。

减震器可减小射孔瞬间的爆炸力对上部仪器串的冲击。

在井下仪动态控制器上安装有安全失效保障机构，它由高强弹簧和剪切螺钉组成。当定位板不能收回时，可以增大电缆拉力，剪切掉螺钉，定位板在弹簧推力的作用下自动收回。所以电缆拉力的50%必须大于剪切力，上井前要测试电缆拉断力。

4 旋转角度计算

仪器在井内刻度完成后，低边参考面（仪器外壳上的刻度线）将处于仪器的最底边。可以确定刻度线的方位角为：井眼方位－180°（见图3）。若刻度线与射孔器孔眼的夹角为θ（俯视仪器串时，孔眼在刻度线的顺时针方向θ角），井眼方位为α，要求射孔的方位为β。那么刻度后工具旋转的角度（即将孔眼方位旋转到射孔方位角上）＝β－α－θ＋180°。若定向射孔器是180°相位时，可以不考虑式中的180°。