定向井井眼軌跡計算方法探究

劉志強

（中石化華北石油工程有限公司五普鉆井分公司 河南新鄉(xiāng) 453000）

定向井井眼軌跡計算方法探究

劉志強

（中石化華北石油工程有限公司五普鉆井分公司 河南新鄉(xiāng) 453000）

定向井井眼軌跡計算設(shè)計是鉆井工程的重要環(huán)節(jié)，如何實現(xiàn)對井眼軌跡的科學(xué)計算是設(shè)計人員必須要考慮的一個問題。對于這個問題應(yīng)該引起高度重視，對此應(yīng)該采取專門措施來提升其實際工作水平。本文將重點分析定向井井眼軌跡的計算方法，通過對不同方法的分析來了解當(dāng)前如何實現(xiàn)科學(xué)計算。

井眼軌跡；計算方法；定向井

從當(dāng)前油井鉆井情況來看，近些年來鉆井深度越來越大。隨著鉆井深度的不斷增加，對于鉆井技術(shù)的要求也越來越高，井眼軌跡出現(xiàn)了多樣化趨勢。在這樣的背景下如何實現(xiàn)定向井井眼軌跡的科學(xué)計算就成為今后工作中應(yīng)該充分考慮的一個問題。從實際情況來看，當(dāng)前定向井井眼軌跡計算方法是非常多的。對于這些方法進行科學(xué)分析就非常重要。

1 定向井基本參數(shù)

了解定向井基本參數(shù)進行深入分析地重要前提，通過對這些重要參數(shù)的分析將能夠使得人們進一步了解定向井。井斜變化率和方位變化率是兩個重要指標，對這兩個指標進行科學(xué)分析有重要意義，從實際情況來看井斜角和井斜方位角是會隨著井深的不斷變化而變化的，這里的變化率主要指的是變化地快慢。具體而言井斜變化率主要指的是井斜角隨井深變化的程度，方位變化率主要指的是井斜方位角隨井深變化程度。

井斜角和井斜方位角是最典型的參數(shù)，對于這些參數(shù)應(yīng)該引起重視。所謂井斜角主要指的是過井眼軸線上的某點來做井眼軸線的切線，這一切線向井眼前進方向延伸部分就是井眼方向線。井眼方向線同重力線之間的夾角實際上就成為井斜角。人們通常用井斜角來表示井身軌跡在該測點處傾斜大小。

井斜方位線主要指的是：在測點處的井眼方向線投影到水平面上的線稱之為井眼方位線，此時以正北方位線為始邊，順時針方向旋轉(zhuǎn)到井眼方位線上所轉(zhuǎn)過的角度，這就是井斜方位角。通常情況下正北方位線實際上就是地理子午線沿著正北方向延伸的線段。這里應(yīng)該注意到方位與方向是有明顯區(qū)別的。方位線實際上就指的是水平面上的矢量，方向線則是空間矢量。

2 常用計算方法

近些年來人們對于定向井軌跡計算方法的研究取得了一定進展，在實際工作中逐漸總結(jié)出了一系列計算方法。對于這些常用方法進行科學(xué)分析有重要意義。下面本文就來對當(dāng)前常用計算方法進行科學(xué)分析：

2.1 平均角法

這是一種比價典型的方法，這樣一種方法又可以叫作均角全距法，在實際測量過程中這種方法往往是重復(fù)使用測段上下兩點井斜角和方位角，在實際計算過程中往往是要把上下兩點角度的簡單平均值要假設(shè)成整個側(cè)段的井斜角和方位角。此時鉛孔軸線同井斜角和方位角就是成一切線，這樣實際上將能夠覆蓋測段全長。

在實際測量過程中應(yīng)該看到，如果某測點井斜角等于0，此時并不代表沒有井斜方位角，也就是說井斜方位角等于0和沒有井斜方位角是不一樣。這一點是人們在工作中應(yīng)該引起注意的。

2.2 正切法

正切法本身又可以叫作下點切線法。這種方法在計算過程中往往是要假定兩相鄰測點之間孔段是一條直線，此時長度又等于測距。這樣直線井斜角和井斜方位角就能夠等同于下側(cè)點井斜角和井斜方位角，在實際計算過程中應(yīng)該看到直線同直線相連接的空間折線就是整個鉆孔軌跡。

切線法實際上是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛地一種方法，計算簡單、便于手算是這種方法的典型特征，同時也應(yīng)該看到這種方法本身也是存在著較大誤差的。在實際增斜段計算過程中水平位移偏大、垂直深度偏小，降斜段計算過程中卻是恰好相反。從這一點中可以看出切線法也是存在著不少問題的。這種方法的簡化也不符合實際情況。因此實際計算結(jié)果也是最不精確的。正因為如此這種方法也不推薦使用。

2.3 平衡正切法

這種方法是認為井斜角和方位角在側(cè)段開始和末尾全部切線補償，在實際工作中對于測量的井斜角和方位角，通常也是要利用三角函數(shù)平均值來確定鉆孔軸線坐標值的。平衡正切法實際上也是把小段鉆孔軸線來作為折線進行處理。

2.4 校正平均角法

這種方法從本質(zhì)意義上來看是屬于曲線法，這種方法也是從別的方法中推演出來的。校正平均角法從形式上來看雖然是直線法，但是實際上是曲線法。它的假設(shè)更接近真實井身。正因為如此，這種方法同直線法相比更為準確。

2.5 曲率半徑法

曲率半徑法又可以叫作圓柱螺線法，在實際計算過程中把角的切線在每一測段開始同末尾經(jīng)常被描述成為一曲線，在實際工作中重點是要能夠代表鉆孔真實軸線。這一曲線通常有著球面圓弧形狀平滑，這樣就能夠利用圓周或者是球面的一部分來表示。此時圓弧精確度通常是兩個方向矢量或者是已知兩測點間的距離給定的。

誤差小是這種方法的典型特征。之所以誤差小是因為測點間的距離比較大。正因為如此，這種方法能夠稱為鉆孔空間坐標計算最為精確的一種方法。

2.6 最小曲率法

最小曲率法實際上是假設(shè)兩測點間的井段通常是一段平面上的圓弧，圓弧在兩端點處則是同上下兩測點處的精神方向線相切，這樣在實際工作中就能夠在上下兩側(cè)點井身方向一定的情況下，能夠把測段看成是圓弧曲線，這條曲線通常是曲率最小的曲線。正因為如此才被叫做最小曲率法。同曲率半徑法類似，這種方法中圓弧的精確通常是由測段開始同末尾兩個方向的矢量和已知的兩測點間的距離給定的。

2.7 弦步法

這一方法也是要假設(shè)相鄰兩側(cè)點間井身軸線是一空間平面上的圓弧曲線。與上述方法不同，這種方法在實際計算過程中往往是不能夠測出圓弧長度的，主要是要測量圓弧弦的長度。

3 幾種方法的比較

對這幾種方法進行科學(xué)比較能夠真正了解優(yōu)點和缺點，在對這些方法進行詳細分析之后實際上能夠把它們分成三類，直線法、折線法和曲線法這三種情況。直線法包含了正切法和平均角法、折線法則是平衡正切法、曲線法內(nèi)容較多，曲率半徑法、最小曲率法、校正平均角法、弦步法都是其中主要方法。

從實際對比情況來看，可以從不同角度來進行分析。從假設(shè)合理性的角度來看，直線法和折線法都是不如曲線法的。從計算難易程度的角度來看曲線法公式比較繁瑣，直線法和折現(xiàn)法計算起來比較容易。如果是現(xiàn)場工作還是要手算，此時還是選用平均角法和校正平均角法合適；在工作中如果利用計算機來進行計算，此時就可以充分利用曲線法來進行有效計算。不同井段所適用的方法也不同，對于那些用轉(zhuǎn)盤鉆鉆出的井段通常是要利用曲率半徑法或者校正平均角法來進行科學(xué)計算。如果是利用井下動力鉆具造斜或者是扭方位的井段，利用弦步法和最小曲率法效果是最好的。在實際工作中可以從實際出發(fā)來進行科學(xué)選擇。

在工作中如果采用手算方式，就應(yīng)該選擇平均角法，這是因為平均角法計算值是介于曲率半徑法和最小曲率法計算結(jié)果之間的，這是最接近曲線法計算結(jié)果的。相反平衡正切法計算值距曲線法計算值相差就比較大。

從實際計算結(jié)果來看，校正平均角法和曲率半徑法計算值相差較小，因此在條件允許的情況下就能夠利用校正平均角法來代替曲率半徑法。同時還應(yīng)該看到為了能夠有效提升準確性，在工作中還要進一步提升測點測斜數(shù)據(jù)的精度，同時還應(yīng)該進一步加密測點，要有效縮短測段長度。這樣做將能夠有效提升計算準確性。對于測點測斜數(shù)據(jù)的精度往往是要使用較高測斜儀器來進行測量，同時要保證儀器軸線要能夠同井身軸線相平行。這樣做是為了能夠更好地實現(xiàn)科學(xué)測量。

定向井井眼軌跡計算是一項非常重要地工作，對于這項工作應(yīng)該進一步加強研究。從當(dāng)前的分析中就可以看出曲線法是一種比較準確的方法，采用曲線法將能夠得到真實結(jié)果。

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TE21

A

1004-7344（2016）07-0197-02

2016-1-28

劉志強（1985-），男，助理工程師，本科，主要從事石油工程工作。