井眼轨迹精准定位技术探讨

吕昌帅 石伟 徐树栋 王睿 杨兰兰 荆向龙

摘要：就目前而言，石油钻井井眼轨迹定位中，采用的多是以网格北作为指北基准，于靶点以及井口范围内，将参考的椭球面近似看做水平面，明确定位靶点相对于井口的具体位置。但是这种方法在实际应用中，并没有将测点位置磁偏角随时间空间的变化情况考虑在内，导致定位结果存在较大误差。本文就井眼轨迹精准定位技术进行了分析和探讨，希望能够保证井眼轨迹定位的精确性及可靠性。

关键词：井眼轨迹;精准定位;技术

前言：在石油钻井中，井眼轨迹定位非常关键，为了能够满足作业需求，一般都会将井口作为原点，构建空间直角坐标系，沿正东、正北以及垂直方向设置三个坐标轴，形成相应的井口坐标系。井眼轨迹的监测及控制要求技术人员必须能够随时对井眼轨迹各个测点的空间位置进行明确，想要保证定位的准确性，需要就现有的定位技术进行更新和优化。

1 地球椭球定位技术

地球椭球是一个经过适当选择的旋转椭球，属于椭圆绕自身短轴旋转后得到的几何体。

地球椭球定位是对地球椭球中心位置的确定，在实践中可以分为两种，一种是地心定位，要求在全球范围内，椭球面能够与大地水准面存在最佳吻合，椭球中心与地球质心一致;另一种是局部定位，要求在一定范围内，椭球面与大地水准面存在最佳吻合，不过对于椭球的中心位置并没有特殊要求。地球椭球定向同样非常关键，主要是对地球椭球旋转轴的方向进行明确，而无论是地心定位还是局部定位，都必须能够同时满足两个条件，第一，橢球短轴与地球自转轴平行，第二，大地起始子午面与天文起始子午面平行。

固定在地球上，随地球自转运动的坐标系被称为地固坐标系，将旋转椭球作为参考体，能够对地球上物体的位置以及运动轨迹等进行研究。在忽略潮汐运动和板块运动的情况下，地面上存在的所有点的位置在地固坐标系中时固定不变的，能够对地球表面点的空间位置进行描述。依照坐标系原点位置的差异性，地固坐标系又可以分为两种，一是参心坐标系，将椭球面作为参考面，坐标系的原点位于参考椭球的中心;二是地心坐标系，其参考面是总地球椭球，坐标系原点为地球质心。两种坐标系在实际应用中可以表现为空间直角坐标系和大地坐标系。

2 设计井眼轨道定位

在对井眼轨道进行设计的过程中，需要先确定好靶点相对于井口的具体位置，换言之就是靶点坐标在井口坐标系中的具体位置。现行方法中，通常都是将大地基准面看做近似的水平面，基于地图投影坐标进行定位，但是这种方法存在一定缺陷，得到的结果误差较大，无法保证井眼轨迹设计的精度。对此，可以采用真三维井眼定位的方法来对井眼轨道进行设计。

真三维井眼定位方法要求将真北方向作为指北基准，依照井口与靶点的大地坐标以及大地高，对井口和靶点在地固空间直角坐标下的坐标进行计算，然后再计算靶点在井路口坐标系中的坐标，依照该坐标，计算出靶点的水平位移、垂直深度等，保证井眼轨道设计的合理性和精确性。

3 实钻井眼轨迹定位

借助MWD等相关仪器设备，能够直观的获取实钻井眼轨迹上测点的测斜数据，如井深、井斜角以及方位角等。井眼轨迹监测的基本任务，是计算各个测点的空间坐标（Ni，Ei，Hi），首个测点和井口构成第一个测段，井口位置的大地坐标、空间坐标以及磁偏角等均为已知数据，因此只需要对第一个测点的方位角进行计算，就能够得到测点位置准确的空间坐标。第2个测段中，因为上测点的相关参数已经通过第1个测段获得，因此只需要对下一测点的方位角进行归算，同时计算测点的空间坐标即可，以此类推，可以得到全井所有测点的空间坐标，继而对井眼轨迹进行精确定位。

在每一个测段内，需要首先求得下一个测点位置的磁偏角，然后将其实测方位角归算为真方位角，再依照井眼轨迹模型，计算出测段内的坐标增量，从而得到下一个测点的空间坐标，相应的计算公式如下：

考虑到每一个测点都有着不同的空间位置，在随钻过程中有着不同的测量时间，因此每一个测点基本都会有不同的磁偏角。而在运用上述公式进行方位角归算的过程中，尚未对下一测点的空间位置进行明确，在这种情况下，就必须借助迭代法来对测点的磁偏角进行计算。而在利用地磁参考场模型进行磁偏角求取的过程中，需要对各个测点的大地坐标进行明确，需要先计算出测点的地固空间直角坐标系坐标（Xi，Yi，Zi），然后再去对测点的大地坐标进行计算，计算公式为：

4 结语

总而言之，油田生产中，井眼轨迹定位非常重要，关系着油井开采的质量和效率，甚至会在一定程度上影响生产安全。而现阶段，因为地图投影变形、地球椭球面非水平面以及磁偏角时空变化等原因，定位技术缺乏精准度，存在较大误差。同时，受地磁场时空变化的影响，井眼轨迹上存在的不同测点有着不同的磁偏角，如果能够就以国际地磁参考场为做好支撑进行磁偏角等数据的计算，能够满足钻井工程对于定位精度的要求，对于一些水平位移较大，施工周期较长的定向井，井眼轨迹的定位需要充分考虑不同测点磁偏角的变化情况。对比原本的方法，新的定位方法在提升井眼轨道设计和监测精度方面有着良好的效果，值得进行推广。

参考文献：

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[3]张冬季.浅谈小井眼三维绕障定向井井眼轨迹控制技术与实践[J].石化技术，2018，25（07）：154.

作者简介：

吕昌帅，男，1986年4月1日出生，汉，山东省梁山县，在渤海钻探工程有限公司定向井技术服务分公司从事定向井工程师工作