定向射孔方位测量及现场应用

定向射孔方位测量及现场应用孙鹏（大庆油田有限责任公司试油试采分公司）摘要：定向射孔技术是近几年出现的新型射孔完井技术，它通过专用的方位测量系统测量射孔孔眼方位。

测量系统包括井下测量仪器和地面控制仪器，井下测量仪器主要由陀螺仪和加速度计构成。

详细介绍了方位测量系统的基本原理和实现过程，通过测量地球自转角速度在仪器坐标系上的分量，计算得出工具面角，进而得到射孔孔眼方向，并以实例阐述了这项技术的应用情况，根据油水井的地应力分布状况来设计射孔孔眼方向，实现不同的完井目的。

该技术具有重要的实用价值。

关键词：定向射孔；陀螺；坐标变换；地应力The orientation measurement and application oforiented perforationSUN Peng(Well-testing & Perforating Services, Daqing Oilfield Ltd. Co., Daqing 163412,China)Abstract: Oriented perforation is a new technique emerged in recent few years. It measures the orientation of perforation holes using particular system, which includes underground instrument and controlling instrument on the ground. The underground instrument includes gyroscope and accelerometer. The orientation of perforation hole is obtained by tool face angle, which is calculated from measuring the fraction of earth self rotation angular velocity on the coordinate. This paper introduced the principle and realization of orientation measurement system in details and application of this technique. Achieve different effect by design the orientation of perforating beforehand, according to the stress distribution of wells.Keywords: oriented perforation, gyroscope, coordinate transformation, ground stress0 引言大庆油田拥有十分丰富的低渗透油藏，随着油田勘探开发工作的不断发展，优质储量增速逐渐放缓，低渗透油田已经成为当前和今后相当长时期勘探开发的重点。

这些油藏地质条件复杂，储层物性差，自然产能低，开采难度大。

为了有效开发这些低渗透储层，经常采用压裂方法压开地层，形成人工裂缝，增大地层导流能力，而且这样的井数正逐年增多。

随着人们对这些区块地层应力分布状况认识程度和预测水平的提高，希望在射孔完井工艺上有所改变，即射孔孔眼方向能够根据地应力和后续压裂改造的具体要求而改变，最终实现定向射孔。

因此开发新型射孔完井工艺技术，对提高低渗透油田勘探开发效果具有重要意义。

在20世纪90年代初期，Abass, Hazim H等人从岩石力学的观点提出定向射孔完井概念[1]，认为选择合适的射孔方向可以控制水力压裂裂缝形态，降低破裂压力。

在九十年代后期Mohamed Soliman对高渗、弱固结地层压裂施工时的定向射孔技术进行了研究，完成了新型定向射孔系统[2]，现场应用获得成功。

从本世纪初到现在，斯伦贝谢公司先后完成了OriendXact油管输送和电缆定向射孔系统[3]。

主要应用在控制油气井出砂方面和水力压裂改造方面，已经见到应用效果[4]。

国内科研人员在上世纪九十年代初期从地应力影响射孔穿深方面提出了定向射孔技术，认为射孔穿深与地应力密切相关[5]，选择合适的射孔方向可以使射孔穿深达到最大，但没有解决如何在工艺上实现定向射孔的问题；九十年代后期，提出了在开发低渗透和裂缝性油气藏时，使射孔方向与天然裂缝方位相互正交，能够大幅度提高完井产能，在弄清地层最小水平主应力的前提下实施定向射孔能够提高水力压裂效果[6]；提出了定向射孔的工艺流程和定向测量仪器的设计原理，在本世纪初完成了油管输送方式定向射孔的研究工作，进行了现场应用。

1 定向射孔技术射孔完井有许多分类方法，从输送方式上可划分为电缆输送式射孔和油管输送式射孔两种，定向射孔采用油管输送式射孔完井方式[7]。

定向射孔技术的工艺原理：在常规油管输送式射孔管柱中，在射孔器上部接入一个方向与射孔器孔眼方向一致的标志短节，在深度确定完成后，用电缆携带井下定向方位测量仪下入油管中，仪器底部的定向引导槽与标志短节内部的定向引导键配接，彼此相对固定，这时定点测量定向引导键的方向，也就间接知道了射孔孔眼的方向。

多次旋转管柱，多次定点测量，直到达到目标方向。

起出测量仪器，起爆射孔器，完成定向射孔过程（图1）。

定向射孔技术主要包括方位测量仪器和配Array套的定向射孔器。

其中技术关键是方位测量仪器，它包括井下仪器和地面仪器两部分。

井下定向方位仪的核心部件是陀螺仪和加速度计。

2 井下定向方位仪井下定向方位（陀螺）测量仪是九十年代初期发展起来的一种不受地质和周围环境影响的方位井斜测量仪器。

采用的是比较先进的动调式陀螺，具有摩擦小、寿命长、漂移小，精度高等特点。

加速度计采用性能优良的石英加速度计[8]。

2.1 测量组件构成定向方位仪的惯性测量组件包括一个双轴动力调谐式挠性陀螺和两个石英加速度计，设计上采用捷联式机械编排，有精密定位基准的惯性体。

陀螺和加速度计通过定位面直接安装在惯性体上，图1 定方位射孔工艺原理图组成惯性测量组件。

它们通过一对轴承支撑在外壳上，并由对转控制机构在测量点上00和1800方向上定位，惯性体组件的旋转轴与井下探管轴重合，通过探管扶正器可以认为与井筒轴线平行。

动力调谐陀螺和石英加速度计都工作在力反馈状态，陀螺测量地球自转角速率分量，加速度计测量重力加速度分量[9]。

图2和图3分别为动力调谐陀螺和石英加速度计结构原理图。

2.2 测量原理及坐标系变换在对地球角速度进行测量时，要用到以下几种主要坐标系。

（1）惯性坐标系：通常以日心惯性坐标系代表惯性空间，其坐标原点选在太阳中心，坐标轴指向恒星。

（2）地球坐标系：地球坐标系e e e z y ox 与地球固联，随着地球一起转动。

坐标原点为地球的中心， e x 轴指向本初子午面与赤道平面交线，e y 轴构成右手坐标系，e z 轴与地球自转轴重合。

（3）地理坐标系：设定地理坐标系t t t z y ox 时，原点为仪器的中心或地球表面上的一点，t x 和t y 在当地水平面内，t z 沿当地地垂线指向上方。

习惯上以“东、北、天”或“北、西、天”为顺序构成右手坐标系。

因此，地球的自转可以看作是地球坐标系相对惯性坐标系的转动，在设定了地理坐标系后，就可以计算当地地理坐标系的绝对角速度。

若以“北、西、天”为地理坐标系，则地球坐标系相对惯性坐标系的转动角速度在地理坐标系上的投影分别为W eS 、W eW 、W e ξ：0=eS ωϕωωcos e eN = （1）ϕωωξsin e e =式中 e ω——地球坐标系相对惯性坐标系的转动角速度；ϕ——当地纬度。

可见地球角速度只在北向和天向上有分量，或者说，具有水平分量和垂直分量。

地球自转角速度在地理坐标系上的投影，如图4所示。

图2 动力调谐陀螺结构示意图图3 石英加速度计结构示意图注：图中λ及ϕ分别表示地球表面某点“O ”的经度和纬度使用陀螺方位仪进行测量的目的是得到测量位置的方位角、倾斜角及工具面角。

测量时，选取两个坐标系：地理坐标系（北、西、天）XYZ 和探管坐标系xyz ，最初两坐标系各相应的轴彼此重合。

方位角、倾斜角和工具面角分别对应于坐标系作相对旋转：（1）XYZ 系绕Z 轴负方向旋转角度A ，A 为方位角，得到111z y x 系；（2）111z y x 系绕1y 轴负方向旋转角度I ，I 为倾斜角，得到222z y x 系；（3）222z y x 系绕2z 轴负方向旋转角度T ，T 为工具面角，得到xyz 系；2.3 射孔方向角解算（1）方位角：油水井的方位角是指井眼中轴线在水平面上的投影与地理北之间的夹角。

以北为起点，顺时针方向0°到360°，也是井眼轨迹的方向。

（2）井斜角：井斜角是指油水井某点的中轴线与地球垂线的夹角，用来指示井眼轨迹的斜度。

（3）工具面角：工具面是相对测量仪器自身坐标系中的一个参数，对陀螺方位仪来讲指的是陀螺高边和重力高边。

陀螺高边和重力高边都设定为X 轴（或Y 轴），这个值对仪器本身而言都是相对固定的，内在含义也相同，这两个轴在惯性体的设计安装中，已经将其统一到一个方向上。

其转换方式通过软件来实现。

在井斜较小时使用陀螺高边，井斜较大时使用重力高边。

通过各坐标系之间的相对转角关系可以得到地理坐标系与探管坐标系之间的方位角余弦矩阵d t C ，有如下关系成立：图4 地球自转角速度在地理坐标系上的投影⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡Z Y X C z y x d t （2）地球自转角速度与重力加速度在地理坐标系中的分量是已知的，根据前面的分析，可以得到：⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡eV eH d t z y x C ωωωωω （3） ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡g C a a a d t z y x 00 （4） 因而可以得到地球自转角速度e ω和重力加速度g 在探管坐标系中的各个分量：I T g a x sin cos =I T g a y sin sin =I g a z cos =I T T A I T A eV eH x cos cos )sin sin cos cos (cos ωωω+-= （5）IT T A I T A eV eH y sin sin )cos sin cos sin (cos ωωω+-= I T A eV eH z cos sin cos ωωω+-=式中 x a 、y a 、z a ——重力加速度在X 轴、Y 轴、Z 轴上的分量；x ω、y ω、z ω——地球自转角速度在X 轴、Y 轴、Z 轴上的分量；ϕωωcos e eH =——地球自转角速度的水平分量；ϕωωsin e eV =——地球自转角速度的垂直分量；ϕ——当地纬度。