俞海 馬濤 許君揚 霍達(dá) 劉超瑾 柳茜茜

1. 中國石油大慶油田有限責(zé)任公司試油試采分公司；2. 物華能源科技有限公司

光纖材料具有抗電磁干擾、抗環(huán)境噪聲、電氣絕緣性及自身安全性強(qiáng)等特點，廣泛應(yīng)用于井下惡劣環(huán)境中的儲層參數(shù)測量［1-2］。用于油氣井監(jiān)測的光纖傳感技術(shù)主要有分布式溫度傳感器、分布式應(yīng)力傳感器和分布式聲波傳感器。這些技術(shù)研究發(fā)展階段存在差異，其中，分布式溫度傳感器最成熟，已經(jīng)有近20 年的井下應(yīng)用歷史；除分布式溫度傳感器，單點光纖溫度和壓力測量已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用；分布式壓力傳感器還處于開發(fā)階段［3-4］。未來的油氣井監(jiān)測將會因光纖技術(shù)進(jìn)步發(fā)生重大改變：在井的全生產(chǎn)周期內(nèi)沿井筒進(jìn)行連續(xù)測量，實現(xiàn)永久性監(jiān)測；即使在惡劣環(huán)境下，也可以提供全面的井下生產(chǎn)數(shù)據(jù)；在不影響油氣生產(chǎn)的前提下，探測氣、水突破，識別套后竄流，探測泄漏，監(jiān)測各種管柱及完井設(shè)備的完整性。光纖技術(shù)的應(yīng)用有利于促進(jìn)智能完井、數(shù)字油田的發(fā)展［5-6］。

1 避光纖射孔技術(shù)

目前的避光纖射孔技術(shù)主要由扶正器/錨定裝置+G-force(大斜度井定向裝置)+ MOT(磁性定向射孔工具)+43 射孔槍組成，管柱結(jié)構(gòu)如圖1 所示。通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)MOT 中的測試裝置，測試套管外光纖卡子的密度變化以確定光纖位置，再進(jìn)行避開光纖的射孔作業(yè)。

圖 1 避光纖射孔技術(shù)管柱Fig. 1 String of fiber-avoidance perforating technology

避光纖射孔技術(shù)的缺點：(1)電機(jī)驅(qū)動整支射孔器旋轉(zhuǎn)，累計誤差大，導(dǎo)致射孔槍長度不能太長，致使射開油層的厚度不長；(2)管柱中用到扶正器/錨定裝置，射孔后扶正器/錨定裝置易出現(xiàn)卡住的情況，造成管柱不能抽出；(3)該工藝射孔器均為小型射孔槍，因此射孔彈也為小型射孔彈，導(dǎo)致射孔彈的穿透能力不強(qiáng)［7］。

針對上述問題，研究設(shè)計了油管傳輸射孔用電機(jī)驅(qū)動定向射孔工藝，采用水下無線通訊技術(shù)、槍間級聯(lián)通訊技術(shù)、載波通訊技術(shù)實現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動彈架旋轉(zhuǎn)定向，彈架在射孔槍內(nèi)部用軸承支撐，減小旋轉(zhuǎn)阻力，實現(xiàn)射孔槍長度無限加長，解決MOT 避光纖射孔技術(shù)射開油層的厚度不長、只能應(yīng)用小型射孔槍等缺陷，同時管柱中不應(yīng)用扶正器/錨定裝置，各方面性能優(yōu)于MOT 避光纖射孔技術(shù)［8］。

2 電機(jī)驅(qū)動精準(zhǔn)定向射孔技術(shù)

電機(jī)驅(qū)動定向射孔工藝由地面系統(tǒng)、智能遙傳裝置、槍頭主控裝置、槍間測控裝置組成，如圖2 所示。具體工藝步驟：(1)地面安裝智能遙傳裝置、槍頭主控裝置、射孔槍、槍間測控裝置、雷管；(2)利用油管將裝配好含有智能遙傳裝置、槍頭主控裝置、射孔槍、槍間測控裝置、雷管的射孔管柱輸送至目的層；(3)連接校深裝置、智能遙傳裝置，利用電纜將智能遙傳裝置輸送至距離槍頭主控裝置小于1 m 的位置，進(jìn)行方位測量和精準(zhǔn)調(diào)校；(4)由地面控制系統(tǒng)發(fā)出延時起爆指令，并抽出電纜、校深裝置及遙傳裝置；(5)完成起爆。

圖 2 新型電機(jī)驅(qū)動精準(zhǔn)定向射孔工藝Fig. 2 Novel motor-driven accurate oriented perforating process

3 電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)定向工藝

3.1 旋轉(zhuǎn)性能測試

如圖3 所示，利用射孔器彈架偏重原理，設(shè)計出電機(jī)旋轉(zhuǎn)性能測試裝置，裝置主要由電機(jī)、軸承、測試本體、底座等組成。其中，測試本體設(shè)計為偏心結(jié)構(gòu)，使用相應(yīng)的重金屬模擬滿彈彈架的偏重量，制作專用托盤，將電機(jī)旋轉(zhuǎn)性能測試裝置放于烘箱內(nèi)，42BYG3440-PG19.3K 型電機(jī)的控制引線從烘箱門縫引出，引線與控制線路連接，通過電腦控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，分別在80、90、100、110、120 ℃溫度下測試電機(jī)的旋轉(zhuǎn)能力。實驗過程中隨時觀察地面儀器的通電電流，以保證控制電路正常，測試結(jié)果見表1。實驗結(jié)果表明，42BYG3440-PG19.3K 型電機(jī)可以在高溫狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)滿彈彈架，控制該型號電機(jī)，可實現(xiàn)在井下高溫環(huán)境下射孔槍內(nèi)部旋轉(zhuǎn)彈架的定向功能模擬測試。

圖 3 電機(jī)旋轉(zhuǎn)性能測試裝置Fig. 3 Motor rotation performance test device

表 1 電機(jī)耐溫性能測試試驗數(shù)據(jù)Table 1 Motor temperature tolerance performance test data

3.2 水下無線通訊性能測試

如圖4 所示，模擬井下環(huán)境制作了地面通訊實驗裝置，主要由智能遙傳裝置、測試油管、槍頭主控裝置組成。其中，智能遙傳裝置由扶正器、線路板、線路板殼體、阻磁接頭、開窗護(hù)管等零部件組成；槍頭主控裝置由本體、開窗護(hù)管、連接接頭、電池、電池外筒、線路板、電機(jī)、電機(jī)座、定向器組成；槍頭主控裝置末端連接4 m 射孔器，4 m 射孔器末端連接槍間測控裝置。測試油管內(nèi)灌滿水，換能器之間的距離為1 130 mm，即為智能遙傳裝置與槍頭主控裝置之間的通訊距離［9-11］。改變測試油管內(nèi)液體介質(zhì)如鹽水、油水混合物等，通過多次實驗可知，所設(shè)計的智能遙傳裝置、槍頭主控裝置可在不同介質(zhì)的液體混合物內(nèi)進(jìn)行可靠無線通訊。

圖 4 水下無線通訊性能測試裝置Fig. 4 Underwater wireless communication performance test device

3.3 SCA61T 與N1000060 系列芯片性能測試

設(shè)計實驗裝置如圖5 所示，可將槍頭主控裝置、槍間測控裝置的成品，放入實驗裝置托盤中，通過上下旋轉(zhuǎn)和里外旋轉(zhuǎn)2 個實驗臺組合旋轉(zhuǎn)，測試槍頭主控裝置、槍間測控裝置的定向能力。定義z方向轉(zhuǎn)動的測試，為井斜方向性能的測試；x方向轉(zhuǎn)動的測試，為電機(jī)驅(qū)動定向精度測試［12-15］。通過改變上下旋轉(zhuǎn)實驗臺的角度可以模擬不同井斜角的狀態(tài)，通過改變里外旋轉(zhuǎn)實驗臺的角度可以模擬裝置下放至目的層不同初始角度的狀態(tài)。

圖 5 芯片性能測試裝置Fig. 5 Chip performance test device

整個實驗過程中，井斜角每±5°進(jìn)行1 次軟件控制電機(jī)定向并測試定向精度，即井斜90°開始測試，依次設(shè)置為90°、85°、80°、75°等，直至上位機(jī)操作軟件無法控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。初始角度狀態(tài)每±5°進(jìn)行1 次軟件控制電機(jī)定向并測試定向精度(即5°、-5°、10°、-10°等，每個角度進(jìn)行1 次工藝控制，并測試定向精度)。根據(jù)不同井斜與初始角度的試驗結(jié)果，總結(jié)梳理SCA61T 與N1000060 系列芯片組合應(yīng)用可以實現(xiàn)的定向控制功能的精度和適用范圍，具體數(shù)據(jù)見表2。由表2 可知，井斜角15°~90°范圍內(nèi)的定向精度為±1°；15°~50°軟件顯示范圍為-10°~+10°，51°~90°軟件顯示范圍為-29°~+29°。

表 2 定向芯片組合應(yīng)用測試結(jié)果Table 2 Test result of the application of oriented chip combination

3.4 系統(tǒng)性能井下測試

為了減少作業(yè)時間，在大慶油田A 生產(chǎn)井中采用電纜輸送方式進(jìn)行試驗。智能遙傳裝置與槍頭主控裝置的換能器安放在油管內(nèi)，油管內(nèi)部灌滿重鹽水，模擬油管傳輸無線通訊環(huán)境。如圖6 所示，(a)為轉(zhuǎn)換接頭，上接 ?73 mm 磁定位儀器，下接 ?38 mm測試通訊儀器及換能器，并通過油管連接實現(xiàn)下掛射孔槍；(b)為兩級精準(zhǔn)定向角度調(diào)節(jié)控制槍串，通過配接油管短接控制無線通訊距離約1.2 m，油管內(nèi)灌滿鹽水；(c) 為整體試驗槍串圖。分別在500、1 000、1 100、1 600 m 處進(jìn)行無線通訊、電機(jī)驅(qū)動彈架定向、模擬點火等功能的試驗，通過軟件測試顯示，整套工藝流程均可靠運行。為了驗證整套工藝的可靠性，分別在大慶油田記號井B 井、生產(chǎn)井C 井中進(jìn)行重復(fù)性測試，同樣在500、1 000、1 500、2 000 m 進(jìn)行無線通訊、電機(jī)驅(qū)動彈架定向、模擬點火等功能試驗，軟件測試顯示，所有功能可靠運行。

圖 6 電纜輸送試驗槍串Fig. 6 Transmission of test gun string by cable

4 結(jié)論

(1)設(shè)計開發(fā)出1 套新型電機(jī)驅(qū)動定向射孔工藝，根據(jù)工藝設(shè)計出智能遙傳裝置、槍頭主控裝置、槍間測控裝置、地面操作系統(tǒng)等核心裝置，運用模擬井下的各類實驗裝置，通過高溫環(huán)境下電機(jī)性能測試、水下無線通訊性能測試、芯片適用性與使用范圍測試等各類試驗，表明所選系列芯片與控制電路滿足油氣井用定向控制裝置產(chǎn)品的使用要求，并試驗出整體工藝的定向精度為±1°。

(2)為確保新型電機(jī)驅(qū)動定向射孔工藝的可靠性，進(jìn)行了3 井次井下通訊及控制信號傳輸試驗，試驗結(jié)果表明，整套工藝可行。該項技術(shù)的試驗成功，可為光纖測井技術(shù)提供一套新型定向射孔技術(shù)，且提高了射孔工藝的智能化程度。

(3)由于油管傳輸用精準(zhǔn)定向控制技術(shù)具有一定局限性，建議開展電纜/分級射孔用電機(jī)驅(qū)動定向射孔技術(shù)的研制。井中光纖智能監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，光纜定位技術(shù)與電纜定向技術(shù)的結(jié)合，在提高定向射孔技術(shù)定向精度的同時，還可以提升射孔技術(shù)的智能化程度。因此，可根據(jù)油管傳輸射孔用避光纖定向射孔技術(shù)的應(yīng)用情況，擴(kuò)展開展其他類型的避光纖射孔技術(shù)。