斜井定方位定射角射孔技术及应用

斜井定方位定射角射孔技术

及应用摘要继研发出了能沿地层主应力方向射孔的直井用

定方位定射角射孔器后，西安物华巨能爆破器材有

限责任公司又研发出了斜井用定方位定射角射孔器，

并在此基础上开发出了三相位和四相位斜井用定方

位定射角射孔器（又称顺层面射孔器），它能使射

孔枪里每发射孔弹都能按调定的角度射向油、气层

需要射孔的层面方向。该技术在油田应用结果显示，

能够达到明显的油气增产效果。目录1

前言2

定方位射孔理论基础3

斜井定方位定射角射孔原理与构成4

理论计算5

顺层面射孔6

验证情况7

结论1

前言定方位射孔是一项新的射孔技术，由于它能向着地层主应力的两个方向射孔，也就是只向着最易破碎、易于沟通高渗地带的方向

射孔，所以具有明显的增产优势。井轴周围不同方向上油、气层的

渗透性是不相同的，像碳酸岩地层的裂缝发育方向、沉积岩地层的

节理发育方向、砂砾岩地层沉积时的顺流方向均为最大地应力方向，

也称主应力方向，其渗透性远好于其他方向。而且油、气层多半都

不是水平的，它有倾斜方向和倾斜角度，其主应力方向与其倾斜方

向也是不一致的。而所有射孔器的弹射方向都是与枪垂直的，所以

此前的定方位射孔可能并没有真正对准地层主应力方向，而是射向

了主应力在水平面上的投影方向，实际上差了一个角度。这也就是

目前定方位射孔效果没有达到最佳的原因之一。目录1

前言2

定方位射孔理论基础3

斜井定方位定射角射孔原理与构成4

理论计算5

顺层面射孔6

验证情况7

结论2

定方位射孔理论基础2.1

地层主应力地层本身由于风化、沉积、地壳运动等所产生的各种应力称

为地层应力。如地层自重应力、地层挤压应力、褶皱应力、错位

应力等。地层被施加的各种应力矢量之和即为它的最大应力，也

称主应力。地层主应力具有方向性，在地层中表现为不规则的面状态延

伸。由于应力集中，地层主应力方向的岩体静力学载荷小于地层

的其他方向，也可理解为地层主应力方向破碎岩体所需的外力将

远小于其他方向。因此，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，能提高射

孔效率，获得较高的产能。2

定方位射孔理论基础2.2

其它基本概念‘倾向’—地层倾斜方向；‘倾角’—地层倾斜角度；‘主向’—地层主应力方向；‘主角’—主向与水平面间

夹角；‘射角’—射孔弹与枪体径向平面间夹角。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。目录1

前言2

定方位射孔理论基础3

斜井定方位定射角射孔原理与构成4

理论计算5

顺层面射孔6

验证情况7

结论3

斜井定方位定射角射孔原理与构成此前，所有射孔器装的射孔弹都是与射孔枪身垂直的，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’这个角度，没能真正对准主应

力方向，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。我们设计的

‘调角弹架结构’装配在斜井定方位射孔器中，就构成了斜

井定射角定方位射孔器。它真正准确地对准地层主应力方向

射孔。斜井定方位定射角射孔器由以下部件构成：旋转接头、定方位起爆器、滚珠接头、偏重枪、定

方位定射角射孔枪。3

斜井定方位定射角射孔原理与构成斜井定方位定射角射孔器示意图3

斜井定方位定射角射孔原理与构成工作过程下井之前，依据已知的地应力方向或射孔方向，调整好定方位定射角射孔器内的射孔弹射孔方向，

射孔管柱下井时，依据井的斜度与偏重枪的重力作

用和旋转接头的自动旋转，使定方位定射角射孔枪

内的射孔弹自动对准需要射孔的方向，校深完后起

爆即可。目录1

前言2

定方位射孔理论基础3

斜井定方位定射角射孔原理与构成4

理论计算5

顺层面射孔6

验证情况7

结论4

理论计算定方位定射角射孔器的自动旋转，主要的部分一是依靠旋转接头的自由旋转，二是依靠偏重枪的重力自动定向。在斜井中，完井管柱处于十分复杂的受力、变形和运动状态，其中受有轴向力（拉力）、径向挤

压力、弯曲力矩、泥浆或完井液的浮力和套管或裸

眼施加在完井管柱上的摩阻力等。正是因为这些作

用力的存在，使得完井管柱的受力分析变得复杂与

困难。4

理论计算偏重力矩

偏离角度为8°示意图射孔管柱除了偏重枪以外，其它都是轴对称结构，

因此管柱转动时产生的偏重力矩全靠偏重枪的偏重。4

理论计算可以看出当管柱转动时偏重力矩由重力的径向分力产生。因此井斜角越大所产生的偏重力矩就越大，井斜过小就会导致

偏重力过小，

一般采用斜井定方位射孔技术施工时要求井斜在

20°以上。对最小井斜定向精度为±8°时的理论计算结果如

下。1）、井斜角20°偏移8°时产生的偏重力矩计算

设计2米102偏重枪的偏重重量为41kg，偏移8°时重心位置为：

x=2.42mm；

y=-17.23mm以井斜角20°计算，两根2米102偏重枪产生的偏重力矩：M=G³sin20

°

³2.42=0.665N²m4

理论计算2）、井斜角20°偏移8°时摩擦力矩计算摩擦力矩主要有两部分，一部分是旋转接头内单向推力球轴承承受射孔枪柱轴向分力产生的摩擦力矩，另一部分是滚珠

接头上滚珠轴承承受射孔枪柱径向分力产生的摩擦力矩。工程上常用的计算球轴承摩擦力矩的近似公式为：M=

μdmP0

/

2μ—摩擦系数dm—轴承节圆内径，

mmP0

—轴承当量静负荷，N4

理论计算井斜20°时轴向摩擦力矩为:

M轴=0.5μF轴d=2.82³10-5GN²m

径向摩擦力矩为

:

M径=0.5μF径d=1.28³10-5GN²m总力矩

:M总=

M轴+M径=4.1³10-5GN²mG—管柱重力两根偏重枪产生的偏重力矩能带动的最大重量为

因此，在井斜20°情况下，定方位精度在±8°的情况下，

理论上2根2m偏重枪能转动1665kg的管柱重量。理论上精度

±8°的情况下，

2根2米102偏重枪所能转动的4m射孔枪数量

目录1

前言2

定方位射孔理论基础3

斜井定方位定射角射孔原理与构成4

理论计算5

顺层面射孔6

验证情况7

结论5

顺层面射孔定方位定射角射孔技术在定向注水、定向压裂和定向酸化作

业中具有特别的优势，在此介绍一些特殊井况下的定方位定射

角射孔。xx油田为了挖潜剩余油，平行于断层面打造的两口大斜度

井，井斜分别为26°和40°。xx井轨迹图

x-井轨迹图5

顺层面射孔这两口井具有层多、层薄的特点，油层与井筒斜交，普通射孔已经不能满足此环境下的射

孔需求，因为普通射孔是垂直于井筒方向射孔，

由于层薄且与井筒并不垂直，用普通射孔会将

该薄层射穿，为了避免串层，提高产液油水比，

需要平行于油层进行定射角定方位射孔。5

顺层面射孔这两口井要求两种射孔方式：（1）一部分层进行14孔/米的射孔方式，为了避免射

出油层，要求两方位能够调整射角平行于图示截面方

向射孔，两方位垂直于图示截面向内向、向外射出。（2）一部分层要求限流法射孔后进行压裂，限流法射

孔不能朝向断层面射孔，否则压裂时会将薄层压漏。根据两种不同的射孔方式要求，我们设计了两种定

方位定射角射孔器：5顺层面射孔（1）四方位定方位定射角射

孔器用‘重力自动定向’原理，靠偏重枪的径向偏重力使枪柱上豁槽的方位与井斜方位一致，

这样，枪内朝两侧垂直于枪身

的弹就能沿油层层面射出。此

时，另外两相位的弹是装在调

角弹孔里的。下井前预先按井

身与油层的交角调定射角，故

它们也将沿着油层层面方向射

出，实现了四方位定射角射孔。5

顺层面射孔（2）三方位定方位

定射角射孔器由于限流法射

孔的要求，朝向断层

的方向120°内不能

射孔。我们在四方位

定方位定射角射孔的

基础上让朝向断层的

调角弹都朝向其相反

的方向射。目录1

前言2

定方位射孔理论基础3

斜井定方位定射角射孔原理与构成4

理论计算5

顺层面射孔6

验证情况7

结论井号枪型射孔段井斜角定向精度霍3-X4井89mm1451.6---1445.8m33.02

°4.6

°古xx386-斜xxx井102mm1984.7---1962.9m24.1

°3.4

°喇2-斜PSxxxx井102mm1162.2—1144.0m30.1

°4.8

°和X1井89mm2449.0—2440.0m40.1

°3.9

°和X1井89mm2301.4—2286.2m40.1

°4.5

°X91-斜22井102mm2048m～2045m30.24

°6

°我公司斜井定方位射孔器在油田进行了6井次试验，具

体施工井次及定向结果见下表。6

验证情况地面试验打环靶见下图（在大庆检测中心进行）1#靶30

°射角穿深2#靶

30

°

射角

穿深垂直射角穿深目录1

前言2

定方位射孔理论基础3

斜井定方位定射角射孔原理与构成4

理论计算