定向射孔陀螺测控系统减振技术

杨玲  ,谢雪峰  ,庞云伟 ,薛胜龙

摘要：定向射孔陀螺测控系统是将射孔器与测控工具进行定向连接，采用陀螺测量定位的方法测定射孔弹方位角，系统根据目标方位角和测定方位角的偏差下发指令控制调节短节带动射孔器组转动，使射孔弹方向与地层主应力方向一致，从而准确、定向射开油气井目的层。该系统是目前页岩油气开发的重要装备，可以解决常规射孔孔眼效率低的问题，有效提高此类油气井产量，并为其进一步采取压裂等增产措施提供必要条件。射孔器起爆瞬间冲击超过20000g，连接在射孔器上方用于吸收冲击振动的减振器是系统中的关键，否则减振器上方连接的陀螺惯性器件、锚爪控制机构、悬挂转向机构等测控短节均会因强冲击振动导致损坏失效。本文主要围绕系统中的减振器设计进行详细论述。

关键词：定向射孔、起爆、减振。

1 引言

定向射孔陀螺测控系统是一种特殊的电缆输送射孔方式，系统功能要求是将射孔器与测控工具进行定向连接，采用陀螺测量定位的方法测定射孔弹击发方位角，再根据目标方位角和测定方位角的偏差下发指令控制调节短节带动射孔器转动，使射孔弹方向与地层主应力方向一致，然后执行射孔操作的一种电缆传输射孔方法，适用于井斜度在10°以内的油气井进行有效方位定向射孔完井施工作业。由于技术难度高，国内市场目前还没有该功能产品，而定向射孔陀螺测控系统可以解决常规射孔孔眼效率低的问题，在未来的页岩油类非常规油气资源的开发过程中具有很大的应用价值和市场前景。

定向射孔陀螺测控系统最大的难度之一为减振设计。因为在井下射孔器的做功方式为爆炸, 以爆炸点为中心, 强大的冲击振动波会在射孔器射孔时产生, 通过井内介质、连接短节以及套管壁进行传播, 为了保护在射孔器上连接的测控短节,必须要采取相关的消振、减振以及隔离的措施，而减振器安装在射孔器与测控短节之间，因此，减振器的减振效果直接关系到整个系统能否适应射孔作业环境，否则陀螺惯性器件、锚爪控制机构、悬挂转向机构等测控短节均会因强冲击振动导致损坏失效。

2 减振器设计

2.1减振器设计原理

减振器的主要作用为减振、消振以及隔离。其中减振分为动力减振和阻尼减振。动力减振是将主系统的振动能量转移到附加的减振系统上，而减少主系统振动的目的。阻尼减振是在振动系统中加入阻尼，以消耗振动能量，达到抑制振动的目的。目前常用减振器均采用普通螺旋压缩弹簧，变形大、承载能力强，但由于其本身不消耗能量，储存的位能将会重新变为动能，因此无法达到衰减多次冲击的目的。而橡胶弹簧的高阻尼使得它能衰减冲击能量，但其高刚度又抑制这种效果，需要低刚度的螺旋弹簧来配合。因此，减振器将利用高阻尼橡胶圈和高弹性螺旋弹簧组合作为弹性元件减振，通过其交替作用从而达到隔离并吸收射孔器在井内射孔时产生的激振能量和调节管柱纵向自振的频率。

2.2减振器设计方案

根据系统使用环境要求结合减振原理，减振器采用复合弹簧为主橡胶弹簧为辅的思路进行设计。其中复合弹簧是在金属螺旋弹簧周围包裹一层橡胶材料复合硫化而成的一种弹簧。它具有橡胶弹簧的非线性和高阻尼的特征，又具有金属螺旋弹簧大变形和承载能力强的特性，同时，由于金属弹簧被橡胶材料包裹，因此与金属碰撞不产生火花，适用于定向射孔陀螺测控系统的易燃、易爆应用环境。

方案设计时将橡胶弹簧和复合弹簧组合进行减振，其结构示意图如图1所示。减振器主要由上接头、复合弹簧、橡胶弹簧、连接杆、滑行块、下接头等组成。由于整个系统采用地面系统供电起爆末端射孔器，因此需要在减振器内部连接杆内走线，并与外层绝缘密封。仪器上端为上接头组件，通讯连接采用密封单芯插头，为防止粘扣上接头组件采用游刃螺母进行连接。仪器下端为下接头组件，内部安装固定单芯密封插座，并配套使用橡胶弹簧，减小吸收仪器所受冲击振动。仪器中心采用钢制连接杆用于连接两端的上接头组件和滑行块，内部安装通讯导线，连接杆和滑行块可在下接头内部滑动。连接杆外安装有三个弹簧，依次为复合弹簧、橡胶弹簧、复合弹簧。由于射孔器起爆时的冲击振动是向上传递，且约有20mm～30mm的串动量，因此上接头与弹簧之间留有15mm空行程，当下接头端承受冲击振动时，滑行块在下接头内部向下滑动，下接头推动弹簧向上压缩，从而吸收减小射孔器起爆瞬间对上端测控短节的冲击，防止测控短节损坏。

图1 减振器设计方案示意图

3 结束语

随着减振器上的配置的减振弹簧个数增多，系统各位置处的位移幅值增大但是速度和加速度的幅值相应减小，整体振动衰减加快，趋于平稳的时间越短，这是由于减振弹簧数量增大且当量阻尼增大的原因，所以组合弹簧设计的减振器对传递的爆炸冲击具有很好的抑制作用。文中所设计的减振器通过最大限度的消除射孔瞬间产生的振动冲击对测控短节的影响，从而有效保护测控短节，促进定向射孔陀螺测控系统现场应用的顺利进行。

参考文献：

[1]《射孔作业过程管柱结构动态响应分析》.蔡履忠.石油矿场机械，2015.06

[2]《油井射孔段管柱对爆轰冲击载荷动态响应研究》.周海峰.西南石油大学，2018.05

[3]《射孔测试联作减震器应用问题分析》.郑波强.工业技术，2013.08

作者简介：杨玲，女，1990年生，工程师，2012年毕业于哈尔滨工业大学机械设计制造及其自动化专业，现在贵州省航天凯山石油仪器有限公司从事设计工作。