井眼軌跡精準定位技術探討

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，采用的多是以網格北作為指北基準，于靶點以及井口范圍內，將參考的橢球面近似看做水平面，明確定位靶點相對于井口的具體位置。但是這種方法在實際應用中，并沒有將測點位置磁偏角隨時間空間的變化情況考慮在內，導致定位結果存在較大誤差。本文就井眼軌跡精準定位技術進行了分析和探討，希望能夠保證井眼軌跡定位的精確性及可靠性。

關鍵詞：井眼軌跡;精準定位;技術

前言：在石油鉆井中，井眼軌跡定位非常關鍵，為了能夠滿足作業需求，一般都會將井口作為原點，構建空間直角坐標系，沿正東、正北以及垂直方向設置三個坐標軸，形成相應的井口坐標系。井眼軌跡的監測及控制要求技術人員必須能夠隨時對井眼軌跡各個測點的空間位置進行明確，想要保證定位的準確性，需要就現有的定位技術進行更新和優化。

1 地球橢球定位技術

地球橢球是一個經過適當選擇的旋轉橢球，屬于橢圓繞自身短軸旋轉后得到的幾何體。

地球橢球定位是對地球橢球中心位置的確定，在實踐中可以分為兩種，一種是地心定位，要求在全球范圍內，橢球面能夠與大地水準面存在最佳吻合，橢球中心與地球質心一致;另一種是局部定位，要求在一定范圍內，橢球面與大地水準面存在最佳吻合，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鍵，主要是對地球橢球旋轉軸的方向進行明確，而無論是地心定位還是局部定位，都必須能夠同時滿足兩個條件，第一，橢球短軸與地球自轉軸平行，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，隨地球自轉運動的坐標系被稱為地固坐標系，將旋轉橢球作為參考體，能夠對地球上物體的位置以及運動軌跡等進行研究。在忽略潮汐運動和板塊運動的情況下，地面上存在的所有點的位置在地固坐標系中時固定不變的，能夠對地球表面點的空間位置進行描述。依照坐標系原點位置的差異性，地固坐標系又可以分為兩種，一是參心坐標系，將橢球面作為參考面，坐標系的原點位于參考橢球的中心;二是地心坐標系，其參考面是總地球橢球，坐標系原點為地球質心。兩種坐標系在實際應用中可以表現為空間直角坐標系和大地坐標系。

2 設計井眼軌道定位

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

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

3 實鉆井眼軌跡定位

借助MWD等相關儀器設備，能夠直觀的獲取實鉆井眼軌跡上測點的測斜數據，如井深、井斜角以及方位角等。井眼軌跡監測的基本任務，是計算各個測點的空間坐標（Ni，Ei，Hi），首個測點和井口構成第一個測段，井口位置的大地坐標、空間坐標以及磁偏角等均為已知數據，因此只需要對第一個測點的方位角進行計算，就能夠得到測點位置準確的空間坐標。第2個測段中，因為上測點的相關參數已經通過第1個測段獲得，因此只需要對下一測點的方位角進行歸算，同時計算測點的空間坐標即可，以此類推，可以得到全井所有測點的空間坐標，繼而對井眼軌跡進行精確定位。

在每一個測段內，需要首先求得下一個測點位置的磁偏角，然后將其實測方位角歸算為真方位角，再依照井眼軌跡模型，計算出測段內的坐標增量，從而得到下一個測點的空間坐標，相應的計算公式如下：

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

4 結語

總而言之，油田生產中，井眼軌跡定位非常重要，關系著油井開采的質量和效率，甚至會在一定程度上影響生產安全。而現階段，因為地圖投影變形、地球橢球面非水平面以及磁偏角時空變化等原因，定位技術缺乏精準度，存在較大誤差。同時，受地磁場時空變化的影響，井眼軌跡上存在的不同測點有著不同的磁偏角，如果能夠就以國際地磁參考場為做好支撐進行磁偏角等數據的計算，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計和監測精度方面有著良好的效果，值得進行推廣。

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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服務分公司從事定向井工程師工作