井眼軌跡精準(zhǔn)定位技術(shù)探討

呂昌帥 石偉 徐樹棟 王睿 楊蘭蘭 荊向龍

摘要：就目前而言，石油鉆井井眼軌跡定位中，采用的多是以網(wǎng)格北作為指北基準(zhǔn)，于靶點(diǎn)以及井口范圍內(nèi)，將參考的橢球面近似看做水平面，明確定位靶點(diǎn)相對于井口的具體位置。但是這種方法在實(shí)際應(yīng)用中，并沒有將測點(diǎn)位置磁偏角隨時(shí)間空間的變化情況考慮在內(nèi)，導(dǎo)致定位結(jié)果存在較大誤差。本文就井眼軌跡精準(zhǔn)定位技術(shù)進(jìn)行了分析和探討，希望能夠保證井眼軌跡定位的精確性及可靠性。

關(guān)鍵詞：井眼軌跡;精準(zhǔn)定位;技術(shù)

前言：在石油鉆井中，井眼軌跡定位非常關(guān)鍵，為了能夠滿足作業(yè)需求，一般都會將井口作為原點(diǎn)，構(gòu)建空間直角坐標(biāo)系，沿正東、正北以及垂直方向設(shè)置三個(gè)坐標(biāo)軸，形成相應(yīng)的井口坐標(biāo)系。井眼軌跡的監(jiān)測及控制要求技術(shù)人員必須能夠隨時(shí)對井眼軌跡各個(gè)測點(diǎn)的空間位置進(jìn)行明確，想要保證定位的準(zhǔn)確性，需要就現(xiàn)有的定位技術(shù)進(jìn)行更新和優(yōu)化。

1 地球橢球定位技術(shù)

地球橢球是一個(gè)經(jīng)過適當(dāng)選擇的旋轉(zhuǎn)橢球，屬于橢圓繞自身短軸旋轉(zhuǎn)后得到的幾何體。

地球橢球定位是對地球橢球中心位置的確定，在實(shí)踐中可以分為兩種，一種是地心定位，要求在全球范圍內(nèi)，橢球面能夠與大地水準(zhǔn)面存在最佳吻合，橢球中心與地球質(zhì)心一致;另一種是局部定位，要求在一定范圍內(nèi)，橢球面與大地水準(zhǔn)面存在最佳吻合，不過對于橢球的中心位置并沒有特殊要求。地球橢球定向同樣非常關(guān)鍵，主要是對地球橢球旋轉(zhuǎn)軸的方向進(jìn)行明確，而無論是地心定位還是局部定位，都必須能夠同時(shí)滿足兩個(gè)條件，第一，橢球短軸與地球自轉(zhuǎn)軸平行，第二，大地起始子午面與天文起始子午面平行。

固定在地球上，隨地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動的坐標(biāo)系被稱為地固坐標(biāo)系，將旋轉(zhuǎn)橢球作為參考體，能夠?qū)Φ厍蛏衔矬w的位置以及運(yùn)動軌跡等進(jìn)行研究。在忽略潮汐運(yùn)動和板塊運(yùn)動的情況下，地面上存在的所有點(diǎn)的位置在地固坐標(biāo)系中時(shí)固定不變的，能夠?qū)Φ厍虮砻纥c(diǎn)的空間位置進(jìn)行描述。依照坐標(biāo)系原點(diǎn)位置的差異性，地固坐標(biāo)系又可以分為兩種，一是參心坐標(biāo)系，將橢球面作為參考面，坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于參考橢球的中心;二是地心坐標(biāo)系，其參考面是總地球橢球，坐標(biāo)系原點(diǎn)為地球質(zhì)心。兩種坐標(biāo)系在實(shí)際應(yīng)用中可以表現(xiàn)為空間直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系。

2 設(shè)計(jì)井眼軌道定位

在對井眼軌道進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，需要先確定好靶點(diǎn)相對于井口的具體位置，換言之就是靶點(diǎn)坐標(biāo)在井口坐標(biāo)系中的具體位置。現(xiàn)行方法中，通常都是將大地基準(zhǔn)面看做近似的水平面，基于地圖投影坐標(biāo)進(jìn)行定位，但是這種方法存在一定缺陷，得到的結(jié)果誤差較大，無法保證井眼軌跡設(shè)計(jì)的精度。對此，可以采用真三維井眼定位的方法來對井眼軌道進(jìn)行設(shè)計(jì)。

真三維井眼定位方法要求將真北方向作為指北基準(zhǔn)，依照井口與靶點(diǎn)的大地坐標(biāo)以及大地高，對井口和靶點(diǎn)在地固空間直角坐標(biāo)下的坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，然后再計(jì)算靶點(diǎn)在井路口坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，依照該坐標(biāo)，計(jì)算出靶點(diǎn)的水平位移、垂直深度等，保證井眼軌道設(shè)計(jì)的合理性和精確性。

3 實(shí)鉆井眼軌跡定位

借助MWD等相關(guān)儀器設(shè)備，能夠直觀的獲取實(shí)鉆井眼軌跡上測點(diǎn)的測斜數(shù)據(jù)，如井深、井斜角以及方位角等。井眼軌跡監(jiān)測的基本任務(wù)，是計(jì)算各個(gè)測點(diǎn)的空間坐標(biāo)（Ni，Ei，Hi），首個(gè)測點(diǎn)和井口構(gòu)成第一個(gè)測段，井口位置的大地坐標(biāo)、空間坐標(biāo)以及磁偏角等均為已知數(shù)據(jù)，因此只需要對第一個(gè)測點(diǎn)的方位角進(jìn)行計(jì)算，就能夠得到測點(diǎn)位置準(zhǔn)確的空間坐標(biāo)。第2個(gè)測段中，因?yàn)樯蠝y點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)已經(jīng)通過第1個(gè)測段獲得，因此只需要對下一測點(diǎn)的方位角進(jìn)行歸算，同時(shí)計(jì)算測點(diǎn)的空間坐標(biāo)即可，以此類推，可以得到全井所有測點(diǎn)的空間坐標(biāo)，繼而對井眼軌跡進(jìn)行精確定位。

在每一個(gè)測段內(nèi)，需要首先求得下一個(gè)測點(diǎn)位置的磁偏角，然后將其實(shí)測方位角歸算為真方位角，再依照井眼軌跡模型，計(jì)算出測段內(nèi)的坐標(biāo)增量，從而得到下一個(gè)測點(diǎn)的空間坐標(biāo)，相應(yīng)的計(jì)算公式如下：

考慮到每一個(gè)測點(diǎn)都有著不同的空間位置，在隨鉆過程中有著不同的測量時(shí)間，因此每一個(gè)測點(diǎn)基本都會有不同的磁偏角。而在運(yùn)用上述公式進(jìn)行方位角歸算的過程中，尚未對下一測點(diǎn)的空間位置進(jìn)行明確，在這種情況下，就必須借助迭代法來對測點(diǎn)的磁偏角進(jìn)行計(jì)算。而在利用地磁參考場模型進(jìn)行磁偏角求取的過程中，需要對各個(gè)測點(diǎn)的大地坐標(biāo)進(jìn)行明確，需要先計(jì)算出測點(diǎn)的地固空間直角坐標(biāo)系坐標(biāo)（Xi，Yi，Zi），然后再去對測點(diǎn)的大地坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

4 結(jié)語

總而言之，油田生產(chǎn)中，井眼軌跡定位非常重要，關(guān)系著油井開采的質(zhì)量和效率，甚至?xí)谝欢ǔ潭壬嫌绊懮a(chǎn)安全。而現(xiàn)階段，因?yàn)榈貓D投影變形、地球橢球面非水平面以及磁偏角時(shí)空變化等原因，定位技術(shù)缺乏精準(zhǔn)度，存在較大誤差。同時(shí)，受地磁場時(shí)空變化的影響，井眼軌跡上存在的不同測點(diǎn)有著不同的磁偏角，如果能夠就以國際地磁參考場為做好支撐進(jìn)行磁偏角等數(shù)據(jù)的計(jì)算，能夠滿足鉆井工程對于定位精度的要求，對于一些水平位移較大，施工周期較長的定向井，井眼軌跡的定位需要充分考慮不同測點(diǎn)磁偏角的變化情況。對比原本的方法，新的定位方法在提升井眼軌道設(shè)計(jì)和監(jiān)測精度方面有著良好的效果，值得進(jìn)行推廣。

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作者簡介：

呂昌帥，男，1986年4月1日出生，漢，山東省梁山縣，在渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司從事定向井工程師工作