電機驅動避光纖精準定向射孔技術

俞海 馬濤 許君揚 霍達 劉超瑾 柳茜茜

1. 中國石油大慶油田有限責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、抗環境噪聲、電氣絕緣性及自身安全性強等特點，廣泛應用于井下惡劣環境中的儲層參數測量［1-2］。用于油氣井監測的光纖傳感技術主要有分布式溫度傳感器、分布式應力傳感器和分布式聲波傳感器。這些技術研究發展階段存在差異，其中，分布式溫度傳感器最成熟，已經有近20 年的井下應用歷史；除分布式溫度傳感器，單點光纖溫度和壓力測量已經商業化應用；分布式壓力傳感器還處于開發階段［3-4］。未來的油氣井監測將會因光纖技術進步發生重大改變：在井的全生產周期內沿井筒進行連續測量，實現永久性監測；即使在惡劣環境下，也可以提供全面的井下生產數據；在不影響油氣生產的前提下，探測氣、水突破，識別套后竄流，探測泄漏，監測各種管柱及完井設備的完整性。光纖技術的應用有利于促進智能完井、數字油田的發展［5-6］。

1 避光纖射孔技術

目前的避光纖射孔技術主要由扶正器/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，管柱結構如圖1 所示。通過電機旋轉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，再進行避開光纖的射孔作業。

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

避光纖射孔技術的缺點：(1)電機驅動整支射孔器旋轉，累計誤差大，導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，導致射孔彈的穿透能力不強［7］。

針對上述問題，研究設計了油管傳輸射孔用電機驅動定向射孔工藝，采用水下無線通訊技術、槍間級聯通訊技術、載波通訊技術實現電機驅動彈架旋轉定向，彈架在射孔槍內部用軸承支撐，減小旋轉阻力，實現射孔槍長度無限加長，解決MOT 避光纖射孔技術射開油層的厚度不長、只能應用小型射孔槍等缺陷，同時管柱中不應用扶正器/錨定裝置，各方面性能優于MOT 避光纖射孔技術［8］。

2 電機驅動精準定向射孔技術

電機驅動定向射孔工藝由地面系統、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，進行方位測量和精準調校；(4)由地面控制系統發出延時起爆指令，并抽出電纜、校深裝置及遙傳裝置；(5)完成起爆。

圖 2 新型電機驅動精準定向射孔工藝Fig. 2 Novel motor-driven accurate oriented perforating process

3 電機驅動旋轉定向工藝

3.1 旋轉性能測試

如圖3 所示，利用射孔器彈架偏重原理，設計出電機旋轉性能測試裝置，裝置主要由電機、軸承、測試本體、底座等組成。其中，測試本體設計為偏心結構，使用相應的重金屬模擬滿彈彈架的偏重量，制作專用托盤，將電機旋轉性能測試裝置放于烘箱內，42BYG3440-PG19.3K 型電機的控制引線從烘箱門縫引出，引線與控制線路連接，通過電腦控制電機旋轉，分別在80、90、100、110、120 ℃溫度下測試電機的旋轉能力。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，測試結果見表1。實驗結果表明，42BYG3440-PG19.3K 型電機可以在高溫狀態下旋轉滿彈彈架，控制該型號電機，可實現在井下高溫環境下射孔槍內部旋轉彈架的定向功能模擬測試。

圖 3 電機旋轉性能測試裝置Fig. 3 Motor rotation performance test device

表 1 電機耐溫性能測試試驗數據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、開窗護管等零部件組成；槍頭主控裝置由本體、開窗護管、連接接頭、電池、電池外筒、線路板、電機、電機座、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］。改變測試油管內液體介質如鹽水、油水混合物等，通過多次實驗可知，所設計的智能遙傳裝置、槍頭主控裝置可在不同介質的液體混合物內進行可靠無線通訊。

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，通過上下旋轉和里外旋轉2 個實驗臺組合旋轉，測試槍頭主控裝置、槍間測控裝置的定向能力。定義z方向轉動的測試，為井斜方向性能的測試；x方向轉動的測試，為電機驅動定向精度測試［12-15］。通過改變上下旋轉實驗臺的角度可以模擬不同井斜角的狀態，通過改變里外旋轉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。

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°進行1 次軟件控制電機定向并測試定向精度，即井斜90°開始測試，依次設置為90°、85°、80°、75°等，直至上位機操作軟件無法控制電機旋轉。初始角度狀態每±5°進行1 次軟件控制電機定向并測試定向精度(即5°、-5°、10°、-10°等，每個角度進行1 次工藝控制，并測試定向精度)。根據不同井斜與初始角度的試驗結果，總結梳理SCA61T 與N1000060 系列芯片組合應用可以實現的定向控制功能的精度和適用范圍，具體數據見表2。由表2 可知，井斜角15°~90°范圍內的定向精度為±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 定向芯片組合應用測試結果Table 2 Test result of the application of oriented chip combination

3.4 系統性能井下測試

為了減少作業時間，在大慶油田A 生產井中采用電纜輸送方式進行試驗。智能遙傳裝置與槍頭主控裝置的換能器安放在油管內，油管內部灌滿重鹽水，模擬油管傳輸無線通訊環境。如圖6 所示，(a)為轉換接頭，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下掛射孔槍；(b)為兩級精準定向角度調節控制槍串，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 處進行無線通訊、電機驅動彈架定向、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、生產井C 井中進行重復性測試，同樣在500、1 000、1 500、2 000 m 進行無線通訊、電機驅動彈架定向、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 結論

(1)設計開發出1 套新型電機驅動定向射孔工藝，根據工藝設計出智能遙傳裝置、槍頭主控裝置、槍間測控裝置、地面操作系統等核心裝置，運用模擬井下的各類實驗裝置，通過高溫環境下電機性能測試、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)為確保新型電機驅動定向射孔工藝的可靠性，進行了3 井次井下通訊及控制信號傳輸試驗，試驗結果表明，整套工藝可行。該項技術的試驗成功，可為光纖測井技術提供一套新型定向射孔技術，且提高了射孔工藝的智能化程度。

(3)由于油管傳輸用精準定向控制技術具有一定局限性，建議開展電纜/分級射孔用電機驅動定向射孔技術的研制。井中光纖智能監測技術的不斷發展，光纜定位技術與電纜定向技術的結合，在提高定向射孔技術定向精度的同時，還可以提升射孔技術的智能化程度。因此，可根據油管傳輸射孔用避光纖定向射孔技術的應用情況，擴展開展其他類型的避光纖射孔技術。