水平井重力定向射孔方式研究测井技术WELL LOGGING TECHNOLOGY1999年第23卷第1期vol.23 No.1 1999--------------------------------------------------------------------------------袁吉诚陈锋摘要介绍了内定向和外定向两种水平井重力定向射孔方式，从运用范围、定向精度的定量分析以及定向射孔的检测手段方面比较了两者的优缺点，列举了该技术在国内的使用情况，并讨论了特殊井况下水平井定向射孔方式的优选方法。
主题词：水平井定向射孔精度优选法On Oriented Gravity Perforating Modes in Horizontal Well．Yuan Jicheng, Chen Feng.ABSTRACT Internal and external oriented gravity perforating modes for horizontal well are introduced herein.The advantage and disvantage of the two modes are compared in terms of application range,orientating accuracy and the checking means to examine the oriented perforating results.Their application status in China is enumerated and the optimization of oriented perforating in horizontal well is summarized too.Subject Terms：horizontal well oriented perforating accuracy optimization引言水平井射孔一般要求向水平两侧或两侧以下30°方向射孔以免造成地层砂向井筒内沉降和底水突进。
目前，国内外的水平井重力定向方式大致有两种：一种是采用在枪身外焊翼翅，配合转动接头，靠翼翅与井壁摩擦阻力不平衡，在偏心重力作用下实现枪串的整体转动来进行射孔定位(称外定向)；另一种是在枪身内采用弹架偏心设置，配合偏心支撑体，在偏心重力作用下弹架旋转实现每根枪射孔定位(称内定向)。
经过长时间的使用和研究对比，我们认为，在水平井射孔中采用内定向方式的优点更多，在一般条件下，应优先采用内定向方式。
在特殊井况下则要经过研究对比，方能决定采用哪一种定向方式。
内定向方式的优越性1．在相同套管尺寸下内定向方式可选择更大外径的射孔枪无论采用何种定向方式，安全是第一重要的。
由于水平井射孔井段很长，为了不发生卡井事故，根据经验我们将枪体的包容外径与套管内径的尺寸之差(间隙)确定为≥10mm，在此基础上来讨论这两种定向方式。
表1为3种套管尺寸的枪体外径选择表。
表1重力定向射孔枪枪体外径选择表套管尺寸外定向内定向外径mm 内径mm 枪体外径mm 翼翅高度mm 枪整体与套管间隙mm 定向精度±°枪体外径mm 扶正器外径mm 扶正器与套管间隙mm 定向精度±°139.7（5 1／2in*）121．4 85．7 25．4 10．3 15．1102 111 10．4 1．088．9 22 10．5 16．5 88．998 23．4 1．2118．6 85．7 22 10．9 15．9 88．9 98 20．6 1．288．9 19 10．7 17．5127（5in*）112 79．4 22 10．6 15．2 88．9 98 14 1．2108．6 79．4 19 10．2 16．4 88．9 9810．61．285．7 95 13．6 1．6114．3（41／2in*）99．6 69．85 19 10．7 14．8 7384 15．697．2 69．85 17 10．3 15．7 73 84 13．2 1．6非法定计量单位，1in＝2．54cm，下同从表1中可以看出，采用内定向方式进行水平井射孔可选择更大直径的射孔枪，从而可选择更大药量的射孔弹以改善射孔完井的效果。
两种定向射孔的结构示意图见图1和图2。
图1内定向射孔示意图图2外定向射孔示意图由于内定向在接头、枪尾处采用扶正器方式，便于射孔管柱的起下(在塔里木水平3井等井的作业中下放、提取管柱的张力几乎相同)。
内定向射孔比外定向射孔时枪身在套管中更居中，这不仅有利于提高穿深，而且孔眼轨迹好，有利于保护套管。
2．内定向射孔的定向精度更高（1）定向精度的度量定向精度误差是指射孔器在水平井定向发射时，射孔弹的设计发射方向与实际发射方向之间的角度差，该角度差越小，则定向精度越高，其大小可用枪体截面的对称轴与铅垂线的夹角Φ度量。
(2)外定向射孔定向精度分析①定向精度的影响因素：枪体与套管和几何尺寸；枪体长度及重量；翼翅高度；枪体与套管的摩擦系数；枪体两端旋转接头的摩擦力偶；井眼的方位变化率等。
井眼方位变化率为零时，角Φ可通过解析求解；方位变化率不为零时只能采用数值方法求解。
但是，大多数水平井的方位变化率较小，可忽略方位变化率的影响。
②小方位变化率时的精度计算：因为枪体的轴线接近直线，可将枪体的运动简化为刚体的平面运动，受力如图3所示。
在合力R作用下，枪体将沿井壁向下滑动，在合力偶MB 作用下枪体将绕B点摆动，在合力偶Mo作用下枪体将绕轴线转动。
这3种运动的极限状态分别由3个平衡方程确定。
图3外定向枪体受力图.沿井壁向下滑动的极限状态由Ry＝∑Fy＝0，NsinΦ－FcosΦ＝0，F＝fN，其中f为枪体与套管的摩擦系数，可得Φ1＝arctg（f）。
f＝0．05～0．1时，Φ1＝2．86°～5．71°.绕B点摆动由MB＝∑mB＝0，G1（R－R1）sinΦ＋G2（R0－R2）sinΦ＝Nδ＋Mf，且Rn＝∑Fn＝0，N＝（G1＋G2）cos Φ，可得［G1（R－R1）＋G2（R0－R2）］sinΦ－（G1＋G2）δcosΦ＝Mf其中，G1为枪体的重量；G2为弹的重量；δ为枪体与套管的滚动摩擦系数，δ＝0．01～0．05 mm；Mf为枪体接头摩擦力偶；R为套管内半径；R0为枪体外半径，R1＝R－R0；R2为弹体质量在枪体内的偏心距。
Φ＝arcsin｛［Mf＋δ（G1＋G2）cosΦ］／［G1（R－R1）＋G（R0－R2）］｝若取cosΦ接近于1，则可得Φ2＝arcsin｛［Mf＋δ（G1＋G2）］／［G1（R－R1）＋G（R0－R2］｝.绕轴线转动由Mo＝∑mo＝0，得G1R1sinΦ＋G2（R1＋R2）sinΦ＝Mf＋fNR＝Mf＋fR（G1＋G2）cosΦ即［G1R1＋G2（R1＋R2）］sinΦ－fR（G1＋G2）cosΦ＝Mf得Φ＝arcsin｛［Mf＋fR（G1＋G2）cosΦ］／［G1R1＋G2（R1＋R2）］｝绕轴线转动的极限平衡状态确定的偏差角Φ3为Φ3＝arcsin｛［Mf＋fR（G1＋G2）cosΦ3］／［G1R1＋G2（R1＋R2）］｝.定位精度由极限平衡状态确定的偏差角Φ′为Φ′＝max（Φ1，Φ2，Φ3）而Φ′受枪体结构与套管的间隙以及翼翅高度的限制，由图3可见，翼翅最大半张角θ为θ＝arccos｛［R12＋（R0＋h）2－R2］／［2R1（R0＋h）］｝当Φ′≤θ时，定向精度误差Φ＝Φ′；当Φ′＞θ时，定向精度误差Φ＝θ。
③计算实例将上述算法编写成计算程序，将已知数据输入计算机，运算结果见表1。
④方位角变化率的影响方位变化率的影响反映在枪体与井壁的接触点偏离井底的角度随方位变化率的增加而增加。
数值分析表明，当方位变化率小于2°／30 m时，由方位变化率引起的偏差角大部分小于2°（如图4所示）。
由于接触点偏离井底的角度越大，使其恢复所需的力矩也越大，因此，由方位变化率引起的定位误差小于接触点偏离井底的角度。
因此，当方位变化率小于4°／30mm 时，可忽略方位变化率的影响。
图4接触点方位角沿枪体长度的变化注：枪体接头在井眼造斜段终点前方50 m（3）内定向射孔定向精度的分析①定向精度的影响因素内定向是靠弹架及射孔弹相对于枪管内部壁的摆动来实现的，和枪管外表面与井壁套管的摩擦无关。
所以，影响其定向精度的因素有：弹架相对于枪管轴线的偏心距；每支枪管内四段弹架的同轴度；弹架及射孔弹的重心位置及重量；偏心支撑体的轴线同轴；弹架受支撑体的摩擦力；井眼方位变化率等。
②定向精度的计算在外定向的分析中已经指出，井眼方位变化率不大（＜4°／30m）时，可忽略其对定向的影响，所以，内定向定向精度的计算就是弹架重心计算问题，计算时将每支枪内的弹架和射孔弹看成一个刚体，它受偏心支撑体的支持力N和重力G，支撑体轴承对弹架的摩擦力忽略不计，受力图如图5所示。
在水平井段，弹架在N和G作用下平衡，重心O最终要静止于O1O2线上。
受偏心盘同轴度Φd的影响，重心O在以O2为园心、半径为d的圆周内浮动，当O点与A、B两点重合时，定向偏差角Φ最大。
图5内定向枪体受力图由图5可得，Φ＝arcsin（O2A／O1O2）其中O1O2为弹架与枪管轴线偏心距；O2A为偏心盘同轴度极限误差；O1为偏心支撑点；O2为理想状态弹架(弹)静止于枪管内的重心点；O为实际弹架(弹)重心位置；A、B为过O1点与圆O2相切直线的切点。
③计算实例按照上述算法输入数据，运算结果见表1。
由表1看出，内定向比外定向的定向精度更高，地面实测的定向精度与计算结果基本一致。
3．内定向射孔的方位更易检测由于水平井射孔后一般要取出射孔管串重新下完井管柱，因此，当采用内定向射孔，从井口取出射孔管串时，可清楚地观察所有射孔枪的孔眼是否排在一条直线上。
若是，则证明射孔枪确实定向发射，因为每支射孔枪中的弹架都是独立旋转的，射孔枪之间又是固定死的，若没有定向发射，所有射孔枪的射孔孔眼不可能排在一条直线上。
外定向射孔枪之间以及每支枪内的弹架和枪都是固定死的，故当射孔后从井口取出管串时，不能判断射孔枪是否定向发射，因为本来所有射孔弹就是固定在一个方向上的。
胜利油田测井公司设计了一种方向监测器，可以监测井下射孔枪的定向情况。
其结构原理见图6。
图6定向监测器结构原理图该监测器的窗口与定向翼片在同一母线上，当射孔枪定向正确时，泄流孔被阀瓣封闭，可实现油管加压并起爆射孔器，否则，加压液体从套管泄压，起爆器不能起爆。
该监测器的不足之处是当长井段射孔需2个以上起爆器，须由套管加压时该装置就不适用了。