定向?qū)舆B通井軌跡設(shè)計(jì)

向軍文

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉地球物理與信息技術(shù)學(xué)院,北京 100083)

定向?qū)舆B通井軌跡設(shè)計(jì)

向軍文

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉地球物理與信息技術(shù)學(xué)院,北京 100083)

定向鉆井軌跡計(jì)算方法很多,但在軌跡處理及圖示反饋上均不直觀清楚。通過(guò)坐標(biāo)變換,建立了以井口與靶點(diǎn)連線為基準(zhǔn)參考面的定向?qū)舆B通井軌跡設(shè)計(jì)方法。比較校正平均角法和最小曲率法,通過(guò)兩次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn),說(shuō)明建立以井口與靶點(diǎn)(或靶井)連線方位為參考面的坐標(biāo)系的定向?qū)泳壽E設(shè)計(jì)方法及優(yōu)點(diǎn)。并且這種設(shè)計(jì)方法也可用于其它軌跡計(jì)算方法中。通過(guò)本設(shè)計(jì)方法,可及時(shí)反應(yīng)自井口到靶點(diǎn)(靶井)的鉆井軌跡與目標(biāo)的誤差偏離。通過(guò) EXCEL編程及圖示,運(yùn)用 EXCEL功能及時(shí)跟蹤設(shè)計(jì),使定向?qū)泳O(shè)計(jì)與施工簡(jiǎn)單直觀。采用此法累計(jì)已成功完成的對(duì)接井達(dá) 100余對(duì)。

定向井;定向?qū)泳?定向?qū)舆B通井;軌跡設(shè)計(jì)

定向?qū)舆B通井是要求定向水平井與另一井的靶點(diǎn)對(duì)接連通,過(guò)去采用的軌跡設(shè)計(jì)方法均建立在地理坐標(biāo)系中,不利于及時(shí)反應(yīng)對(duì)接井偏離誤差分析。為此,需要建立一井口與靶點(diǎn)(靶井)的定向?qū)泳壽E設(shè)計(jì)方法,以便及時(shí)反應(yīng)對(duì)接井鉆井要求。

1 變換原理

假定坐標(biāo)系 XOY繞原點(diǎn)沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)θ度后,變成坐標(biāo)系 X′OY′(如圖 1所示)。則M點(diǎn)在原坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為 (X,Y),旋轉(zhuǎn)后的新坐標(biāo)為(X′,Y′)。

圖1 坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)

2 校正平均角法設(shè)計(jì)

式中:ΔH——軌跡垂增,m;ΔN、ΔE——軌跡北增和東增,m;ΔL——井段長(zhǎng)度,m;α1、α2——上下測(cè)點(diǎn)井斜角,(°);φ1、φ2——上下測(cè)點(diǎn)方位角,(°);Δ α、Δ φ——上下測(cè)點(diǎn)井斜角增量和方位角增量,(°)。

采用井口與靶點(diǎn)連線方位為 X軸,按逆時(shí)針建立 Y軸。假設(shè)井口與靶點(diǎn)連線方位為β,則此時(shí)ΔX,ΔY分別對(duì)應(yīng)ΔN,ΔE。

延連線方位指向,為方便理解起見(jiàn),按右手邊為增大,左手邊為減小原則。

如圖 2所示,設(shè)點(diǎn)在 N、E坐標(biāo)系中,其坐標(biāo)為M(ΔN,ΔE)。自N、E地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為 X、Y′連線坐標(biāo)系,則需要逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)角,再以 X軸旋轉(zhuǎn) 180°后,即得到 X、Y坐標(biāo)系。

圖2 由N、E坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)到X、Y坐標(biāo)系

其對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)為M(ΔX,ΔY)。根據(jù)(2)式有:

3 最小曲率法設(shè)計(jì)

此即為以井口和靶點(diǎn)連線方位為參考軸的定向?qū)泳壽E設(shè)計(jì)最小曲率法。

4 關(guān)于井口與靶點(diǎn)連線方位

鉆井工程中,依據(jù)地質(zhì)要求確定井位及靶點(diǎn)大地坐標(biāo),而依據(jù)大地坐標(biāo)所計(jì)算的與靶點(diǎn)方位為地理方位,但鉆井工程測(cè)量所用的儀器為磁性測(cè)量?jī)x器。其方位對(duì)應(yīng)變換和以下各因素有關(guān)。

式中:ξ——地理方位角,(°);φ——磁方位角, (°);r——子午線收斂角即地球橢球體面上一點(diǎn)的真子午線與位于此點(diǎn)所在的投影帶的中央子午線之間的夾角,(°),該角有正、負(fù)之分,以真子午線北方向?yàn)闇?zhǔn),當(dāng)坐標(biāo)縱軸線北端位于以東時(shí)稱東偏,其角值為正,當(dāng)坐標(biāo)縱軸線北端位于以西時(shí)稱西偏,其角值為負(fù);δ——磁偏角即真子午線與磁子午線的夾角,(°),東為正值,西為負(fù)值。

根據(jù)資料[2],則連線磁方位為:

設(shè)井口及靶點(diǎn)地理坐標(biāo)分別為 (X0,Y0,Z0), (X1,Y1,Z1)有:

則校正平均角法及最小曲率法的軌跡設(shè)計(jì)式(4)、(6)中:

5 工程實(shí)例

采用此設(shè)計(jì)方法已順利完成 100多對(duì)定向?qū)泳能壽E設(shè)計(jì),現(xiàn)以其中一個(gè)工程為例。工程某地水平井口坐標(biāo)為 (402711.397,449452.052, 8521899),要求對(duì)接靶點(diǎn)坐標(biāo)為 (402906.926, 449986.907,872.781),并且途中需要通過(guò) 2個(gè)控制點(diǎn)A、B(參見(jiàn)圖 4)。當(dāng)?shù)卮牌菫槲髌?4.3°,子午線收斂角為 -113°。根據(jù)下列方法編制的 EXCEL程序及結(jié)果見(jiàn)圖 3、圖 4。

圖3 定向?qū)泳O(shè)計(jì)程序

圖4 對(duì)應(yīng)的軌跡水平投影圖及垂直投影圖

根據(jù)式(10)有:

對(duì)應(yīng)的軌跡設(shè)計(jì)為:

不同的井,只需要更改圖 3中隱框顯示的方位角為該井口與靶點(diǎn)連線磁方位角即可。如要計(jì)算地理坐標(biāo),只需要將該處輸入當(dāng)?shù)卮牌?初始 X、Y、 Z輸入井口地理坐標(biāo)即可。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)建立井口與靶點(diǎn)連線方位為基準(zhǔn)參考坐標(biāo)系,修正軌跡計(jì)算式,使軌跡設(shè)計(jì)直觀,便于采用簡(jiǎn)單計(jì)算程序跟蹤對(duì)比,可及時(shí)反應(yīng)實(shí)鉆軌跡與目標(biāo)點(diǎn)的設(shè)計(jì)偏差,適用定向?qū)泳岸ㄏ蚓こ獭?/p>

(2)定向?qū)舆B通井軌跡設(shè)計(jì)計(jì)算可采用校正平均角法能滿足連通要求。

(3)計(jì)算中需考慮磁偏角、子午線收斂角對(duì)軌跡精度的影響。

[1] 韓志勇.定向井設(shè)計(jì)與計(jì)算 [M].北京:石油工業(yè)出版社, 1989.

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[3] 劉海翔,向軍文,劉志強(qiáng).基于 EXCEL的定向鉆井應(yīng)用程序及其工程應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,37(2).

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[5] 向軍文,陳曉琳.定向?qū)舆B通井技術(shù)的發(fā)展及其展望[J].探礦工程,2003,(1).

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I ntersectedW ell Path Design

XIANG Jun2wen(College of Geophysics and Information Technology,China University of Geosciences,Beijing 100083,China)

There are manyways to calculate directional drilling trajectory,but none of them are straightforward in trajectory processing and graphic display.A designmethod for directionalwell intersection is createdwith the connection line between the well point and the target as the reference plane through conversion of co2ordinates for twice.Through comparison with the calibrated average angle method and the min imum radiusmethod,the design method is described with its advantages. This design method can provide errors be tween the drilling trajectory and the target in real time.Excel based software and graphics are used to track the design,resulting in simple and straightfor ward directional drilling design and construction. Thismethod has been used to complete more than 100 pairs of intersected wells.

directionalwell;directional intersected well;directional connected well;drilling path design

P634.7

A

1672-7428(2011)05-0011-04

2011-01-17

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“高精度定向鉆進(jìn)中靶系統(tǒng)”(1212010816011)

向軍文(1967-),男(漢族),湖北黃梅人,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)教授級(jí)高級(jí)工程師,地質(zhì)工程專業(yè),博士,從事定向鉆進(jìn)技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)工作,北京市海淀區(qū)學(xué)院路 29號(hào)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院,xiangjunwen@vip.sina.com。