劉修善(中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院,北京100101)
基于地球橢球的真三維井眼定位方法
劉修善
(中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院,北京100101)
針對(duì)現(xiàn)行井眼定位方法存在的問(wèn)題,提出真三維井眼定位方法,并進(jìn)行算例分析?,F(xiàn)行定位方法以網(wǎng)格北作為指北基準(zhǔn),基于地圖投影坐標(biāo)進(jìn)行水平面定位,基于高程坐標(biāo)進(jìn)行垂向定位,且二者相互獨(dú)立,只使用一點(diǎn)處的子午線收斂角和磁偏角來(lái)歸算全井的井眼軌跡,存在固有缺陷和誤差?;诘厍驒E球及其解算原理,揭示了井口坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系及高程坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,提出了采用真北作為指北基準(zhǔn)的真三維井眼定位方法。算例分析結(jié)果表明,現(xiàn)行定位方法算得的靶點(diǎn)垂深偏小、水平位移偏大,與真三維定位方法相比存在較大誤差。真三維井眼定位方法從根本上解決了現(xiàn)行定位方法存在的問(wèn)題,能精準(zhǔn)定位靶點(diǎn)與井口間的相對(duì)位置,可顯著提高井眼軌跡設(shè)計(jì)的精確性和可靠性。圖3表6參16
鉆井理論;定向鉆井;井眼軌跡;井眼定位
引用:劉修善. 基于地球橢球的真三維井眼定位方法[J]. 石油勘探與開(kāi)發(fā), 2017, 44(2): 275-280.
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井眼軌跡設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)與控制是定向鉆井的核心技術(shù)。在設(shè)計(jì)井眼軌跡時(shí),首先應(yīng)確定井口和靶點(diǎn)的位置,然后求得靶點(diǎn)相對(duì)于井口的垂深、水平位移等參數(shù)[1-3]。在井眼軌跡監(jiān)測(cè)和控制過(guò)程中,也需要隨時(shí)確定井眼軌跡的空間坐標(biāo),以保證鉆達(dá)預(yù)期目標(biāo)。這些都屬于井眼定位問(wèn)題。
為滿足井眼軌跡設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)與控制的需要,鉆井工程師常以井口為原點(diǎn),以正北、正東及垂直方向?yàn)樽鴺?biāo)軸,建立一個(gè)三維笛卡爾坐標(biāo)系,稱為井口坐標(biāo)系。目前,國(guó)內(nèi)外都采用水平面定位和垂向定位相結(jié)合的方法進(jìn)行井眼定位。在井口坐標(biāo)系下,靶點(diǎn)北坐標(biāo)和東坐標(biāo)分別為靶點(diǎn)與井口之間的地圖投影縱坐標(biāo)之差和橫坐標(biāo)之差,而靶點(diǎn)垂深為井口與靶點(diǎn)的高程之差[1-3]。
然而,現(xiàn)行井眼定位方法存在一些明顯缺陷。例如,將地球橢球面投影到平面上存在投影變形,致使地圖投影坐標(biāo)不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤差;水平面定位與垂向定位互不相關(guān),不同直井在垂直方向上永遠(yuǎn)平行,但事實(shí)上它們應(yīng)越來(lái)越靠近并在地心附近相交。
目前,井眼定位的研究熱點(diǎn)主要集中于井眼軌跡的不確定性問(wèn)題[4-9],而對(duì)靶點(diǎn)相對(duì)于井口的定位問(wèn)題研究甚少。Williamson等[10]提出了采用變比例因子來(lái)計(jì)算地圖投影坐標(biāo)的方法,以減小因地圖投影變形而產(chǎn)生的誤差,但是沒(méi)有研究其他缺陷的改進(jìn)方法。本文基于地球橢球及其解算原理,提出既規(guī)避地圖投影變形問(wèn)題,又使垂向定位與水平面定位相協(xié)調(diào)的真三維井眼定位方法,從根本上消除現(xiàn)行定位方法的缺陷,精準(zhǔn)定位靶點(diǎn)與井口間的相對(duì)位置。
1.1 指北基準(zhǔn)
井口坐標(biāo)系是設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)井眼軌跡的基礎(chǔ),其首要任務(wù)是確定指北基準(zhǔn)。定向鉆井涉及3個(gè)指北方向,即真北、地圖投影坐標(biāo)北和磁北。真北指向地理北極方向,地圖投影坐標(biāo)北指向高斯投影、UTM(通用橫軸墨卡托)投影等地圖投影平面上的縱坐標(biāo)軸正向(也簡(jiǎn)稱網(wǎng)格北),而磁北指向地磁北極方向。在井口坐標(biāo)系中,垂深坐標(biāo)軸沿重力線方向指向地心,所以選定指北基準(zhǔn)后就確定了北坐標(biāo)軸和東坐標(biāo)軸的方向。此外,指北基準(zhǔn)還是方位角的起算基準(zhǔn),對(duì)應(yīng)于 3個(gè)指北基準(zhǔn)的方位角分別稱之為真方位角、坐標(biāo)方位角(也稱網(wǎng)格方位角)和磁方位角[11-13]。三者之間的關(guān)系如圖1所示。
由于磁北極隨時(shí)間變化,所以磁北不宜作為指北基準(zhǔn),否則會(huì)給井眼防碰、老井側(cè)鉆及油田開(kāi)發(fā)等工作帶來(lái)不便[11-13]。理論上,真北和坐標(biāo)北(網(wǎng)格北)都可作為指北基準(zhǔn)。由于根據(jù)地圖投影坐標(biāo)容易確定井口坐標(biāo)系下的靶點(diǎn)北坐標(biāo)和東坐標(biāo),據(jù)此可直接設(shè)計(jì)井眼軌道,所以目前習(xí)慣采用網(wǎng)格北作為指北基準(zhǔn)。
圖1 指北基準(zhǔn)及方位角
1.2 靶點(diǎn)定位方法
在設(shè)計(jì)井眼軌跡時(shí),應(yīng)先確定靶點(diǎn)與井口之間的相對(duì)位置?,F(xiàn)行定位方法分別采用水平面定位和垂直方向定位來(lái)確定靶點(diǎn)在井口坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)[1-3]。垂直方向定位用于確定靶點(diǎn)垂深,靶點(diǎn)垂深為井口與靶點(diǎn)的高程之差。水平面定位用于確定靶點(diǎn)的北坐標(biāo)、東坐標(biāo)等參數(shù),其定位方法及步驟為:①將井口點(diǎn)和靶點(diǎn)分別沿地球橢球面法線投影到橢球面上,得到大地坐標(biāo)(L, B);②按地圖投影原理及方法,將井口點(diǎn)和靶點(diǎn)分別投影到地圖投影平面上,得到投影面上的坐標(biāo)(x, y)[14-16];③靶點(diǎn)相對(duì)于井口的北坐標(biāo)和東坐標(biāo)分別為靶點(diǎn)與井口點(diǎn)在地圖投影平面上的縱坐標(biāo) x之差和橫坐標(biāo) y之差;④根據(jù)靶點(diǎn)北坐標(biāo)和東坐標(biāo),計(jì)算靶點(diǎn)的水平位移、平移方位等參數(shù)。
確定了靶點(diǎn)在井口坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo),便可進(jìn)行井眼軌跡設(shè)計(jì)。需要注意的是,此時(shí)指北基準(zhǔn)為網(wǎng)格北。
2.1 水平面及垂向定位
在井口坐標(biāo)系中,由北坐標(biāo)軸和東坐標(biāo)軸所構(gòu)成的平面被認(rèn)為是水平面。然而,大地水準(zhǔn)面是假想海洋處于完全靜止和平衡狀態(tài)時(shí)的海水面,并延伸到大陸內(nèi)部、包圍整個(gè)地球的閉合曲面。模型化的地球橢球要求橢球大小和形狀應(yīng)與所研究區(qū)域的大地水準(zhǔn)面有最佳吻合[14]。也就是說(shuō),大地水準(zhǔn)面接近于橢球面,并非平面。在很小的區(qū)域內(nèi),大地水準(zhǔn)面可近似為水平面,但并不存在嚴(yán)格意義上的水平面。
圖2 現(xiàn)行定位方法與實(shí)際位置關(guān)系的對(duì)比
如圖2所示,假設(shè)A和C兩點(diǎn)的大地高均為零(在橢球面上),且位于同一個(gè)子午面上。如果在A點(diǎn)和C點(diǎn)分別打兩口直井,按現(xiàn)行定位方法這兩口井將平行向下鉆進(jìn),但實(shí)際情況應(yīng)是這兩口井越來(lái)越靠近并相交于地心。特別地,如果A和C兩點(diǎn)分別位于赤道和北極上,則這兩口井應(yīng)相互垂直而非平行。顯然,對(duì)于叢式井而言,現(xiàn)行定位方法不能準(zhǔn)確地定位各井間的相互位置關(guān)系。
對(duì)于同一口井而言,現(xiàn)行定位方法同樣存在誤差。例如,假設(shè)靶點(diǎn)T位于C點(diǎn)的垂直線上,從A點(diǎn)到T點(diǎn)打一口水平井。按現(xiàn)行定位方法計(jì)算出的水平位移明顯偏大(見(jiàn)圖2)。由于現(xiàn)行定位方法采用C點(diǎn)與T點(diǎn)間的高程差來(lái)確定T點(diǎn)的垂深,而實(shí)際上C點(diǎn)卻不在由北坐標(biāo)軸和東坐標(biāo)軸所確定的平面上,即C點(diǎn)不在圖2b中的北坐標(biāo)軸N上,而是在子午橢圓上。因此現(xiàn)行定位方法計(jì)算出的垂深偏小。顯然,按現(xiàn)行定位方法以井口A和靶點(diǎn)T為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)井眼軌跡,其設(shè)計(jì)結(jié)果必然存在誤差。
現(xiàn)行定位方法主要存在兩個(gè)問(wèn)題:①將大地水準(zhǔn)面近似為水平面;②采用水平面定位和垂向定位進(jìn)行空間定位,但二者相互獨(dú)立。
2.2 地圖投影
首先,投影變形是地圖投影的固有缺陷,任何地圖投影方法都不可避免地存在長(zhǎng)度、方向、角度或面積變形甚至多種變形共存[14]。因此,基于地圖投影坐標(biāo)進(jìn)行井眼定位必然存在誤差,從而影響井眼軌跡設(shè)計(jì)的精度。此外,由于投影帶內(nèi)不同位置的投影變形程度不同,因此不同位置定向井的設(shè)計(jì)精度是不同的。
其次,不同國(guó)家及地區(qū)所采用的地圖投影方法不同,且都有各自的大地坐標(biāo)系。要開(kāi)發(fā)相關(guān)的石油工程應(yīng)用軟件,必須涵蓋幾乎所有的地圖投影解算方法及大地坐標(biāo)系。此外,國(guó)際化的石油公司因涉及國(guó)外業(yè)務(wù),也需要了解不同國(guó)家和地區(qū)地圖投影方法及大地坐標(biāo)系。因此,現(xiàn)行定位方法增加了不少繁瑣的工作。
2.3 方向變形
現(xiàn)行定位方法以網(wǎng)格北為指北基準(zhǔn)建立井口坐標(biāo)系,并進(jìn)行井眼軌跡設(shè)計(jì)。在將實(shí)鉆軌跡歸算到井口坐標(biāo)系時(shí),必然用到子午線收斂角和磁偏角[11-14]。但是,子午線收斂角和磁偏角都與地理位置有關(guān),它們都沿井眼軌跡變化,而現(xiàn)行定位方法只使用一點(diǎn)(通常為井口點(diǎn))處的子午線收斂角和磁偏角來(lái)歸算全井的井眼軌跡,顯然存在誤差。
2.4 大地坐標(biāo)系
一個(gè)國(guó)家或地區(qū)可能存在多個(gè)大地坐標(biāo)系,例如中國(guó)先后建立了 4個(gè)國(guó)家大地坐標(biāo)系。一口定向井從設(shè)計(jì)到施工往往涉及多個(gè)部門(mén)甚至多家公司,在實(shí)際工作中存在忽視甚至誤用數(shù)據(jù)問(wèn)題。通常,地質(zhì)勘探與開(kāi)發(fā)部門(mén)提供井口和靶點(diǎn)的地圖投影坐標(biāo),油公司負(fù)責(zé)鉆井工程設(shè)計(jì),定向井服務(wù)公司提供井眼軌跡監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)服務(wù)。由于相應(yīng)的數(shù)據(jù)審查及監(jiān)管機(jī)制尚不完善,各工作環(huán)節(jié)所使用的大地坐標(biāo)系及參考基準(zhǔn)有可能不一致。例如,當(dāng)前設(shè)計(jì)或正在鉆進(jìn)的新井采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系,而幾十年前已完鉆的鄰井采用1954年北京坐標(biāo)系。因?yàn)檫@兩個(gè)大地坐標(biāo)系的參考橢球參數(shù)不同,所以應(yīng)進(jìn)行包括大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換在內(nèi)的數(shù)據(jù)歸算。然而,在實(shí)際工作中時(shí)常會(huì)忽視這種坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換問(wèn)題而直接進(jìn)行井眼防碰等計(jì)算,致使計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。
要從根本上解決現(xiàn)行定位方法存在的問(wèn)題,就必須規(guī)避地圖投影及其投影變換問(wèn)題。本文提出的真三維井眼定位方法的總體思路是:采用真北方向作為指北基準(zhǔn),借助地固坐標(biāo)系建立井口坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系及高程坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,從而得到靶點(diǎn)相對(duì)于井口的空間坐標(biāo)。
地固坐標(biāo)系分為參心坐標(biāo)系和地心坐標(biāo)系,它們都有大地坐標(biāo)系和空間直角坐標(biāo)系兩種形式。參心坐標(biāo)系以參考橢球面為參考面,原點(diǎn)位于參考橢球中心;地心坐標(biāo)系以總地球橢球面為參考面,原點(diǎn)位于地球質(zhì)心[14]。如圖3所示,地固空間直角坐標(biāo)系O-XYZ的Z軸為地球橢球的旋轉(zhuǎn)軸,指向地球北極;X軸為起始子午面與赤道面的交線,指向橢球面;Y軸在赤道面內(nèi)并與X軸正交,指向地理東。
圖3 坐標(biāo)系統(tǒng)及其相互關(guān)系
地固空間直角坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系及高程坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為:
以井口點(diǎn)O′為原點(diǎn),建立井口坐標(biāo)系O′-NEH(見(jiàn)圖3)。其中,H軸沿垂直方向指向參考橢球中心或地球質(zhì)心,N軸沿子午線方向指向地理北,E軸垂直于N軸和H軸指向地理東。若井口點(diǎn)的大地坐標(biāo)為(L0, B0)、地固空間直角坐標(biāo)為(X0, Y0, Z0),則井口坐標(biāo)系與地固空間直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為:
這樣,根據(jù)井口點(diǎn)O′和靶點(diǎn)T的大地坐標(biāo)及大地高(L0, B0, h0)和(LT, BT, hT),先由(1)式分別計(jì)算出地固空間直角坐標(biāo)(X0, Y0, Z0)和(XT, YT, ZT),再由(2)式計(jì)算出靶點(diǎn)在井口坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(NT, ET, HT),便可確定靶點(diǎn)相對(duì)于井口的空間位置。
真三維井眼定位方法基于地球橢球及其坐標(biāo)變換進(jìn)行靶點(diǎn)定位,不涉及地圖投影及投影變換問(wèn)題。不僅消除了因地圖投影變形而產(chǎn)生的誤差,而且規(guī)避了因忽視或遺漏不同大地坐標(biāo)系間換算而帶來(lái)的誤差風(fēng)險(xiǎn),能顯著提高井眼軌跡設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)的精度和可靠性。
地球橢球的幾何參數(shù)是井眼定位的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。不同國(guó)家及地區(qū)所采用的參考橢球不同,對(duì)定位精度的影響程度也不同,在此不予贅述。這里主要討論不同地理位置以及靶點(diǎn)與井口相對(duì)位置條件下,現(xiàn)行定位方法的誤差情況,也可理解為真三維井眼定位方法的定位精度提高程度。采用中國(guó)2000國(guó)家大地坐標(biāo)系,其參考橢球的長(zhǎng)半軸 a=6 378 137.0 m,短半軸 b= 6 356 752.314 1 m,扁率為1/298.257 222 101。
4.1 不同地理位置
假設(shè)在不同地理位置有 3口水平井,其井口和靶點(diǎn)的大地坐標(biāo)及大地高數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。按現(xiàn)行定位方法,先根據(jù)高斯投影公式算得井口和靶點(diǎn)的投影縱橫坐標(biāo)及子午線收斂角,再算得井口坐標(biāo)系下的靶點(diǎn)坐標(biāo),結(jié)果見(jiàn)表2。按真三維井眼定位方法,先算得地固空間直角坐標(biāo)系下的井口和靶點(diǎn)坐標(biāo),再算得井口坐標(biāo)系下的靶點(diǎn)坐標(biāo),結(jié)果見(jiàn)表3。
表1 大地坐標(biāo)及大地高數(shù)據(jù)
表2 現(xiàn)行定位方法的計(jì)算結(jié)果
表3 真三維定位方法的計(jì)算結(jié)果
按真三維定位方法,該算例中 3口水平井具有相同的靶點(diǎn)垂深、水平位移及平移方位(見(jiàn)表3)。但是,因?yàn)樗鼈兊牡乩砦恢貌煌ㄎ挥?0號(hào)地圖投影帶的不同位置),地圖投影變形的程度不同,所以按現(xiàn)行定位方法算得的靶點(diǎn)垂深、水平位移及平移方位不同(見(jiàn)表2),子午線收斂角數(shù)值也不同。
4.2 不同靶點(diǎn)相對(duì)位置
假設(shè)某定向井的井口經(jīng)度為 84°30′0″ E、緯度為41°0′0″ N、大地高為1 000 m。當(dāng)靶點(diǎn)與井口之間的相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí),即在不同靶點(diǎn)垂深、水平位移、平移方位條件下,現(xiàn)行定位方法與真三維定位方法的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4—表6。
由表4—表6可知:①靶點(diǎn)經(jīng)度、緯度、大地高與靶點(diǎn)垂深、水平位移、平移方位這兩組數(shù)據(jù)之間存在復(fù)雜的相互影響規(guī)律;②現(xiàn)行定位方法算得的靶點(diǎn)垂深偏小、水平位移偏大;③由于地球橢球的扁率很小,所以無(wú)論是現(xiàn)行定位方法還是真三維定位方法,靶點(diǎn)垂深和水平位移隨平移方位的變化都很小。
表4 不同靶點(diǎn)垂深條件下的計(jì)算結(jié)果
表5 不同靶點(diǎn)水平位移條件下的計(jì)算結(jié)果
表6 不同靶點(diǎn)平移方位條件下的計(jì)算結(jié)果
現(xiàn)行井眼定位方法采用網(wǎng)格北作為指北基準(zhǔn),但由于子午線收斂角和磁偏角都沿井眼軌跡變化,且井口坐標(biāo)系只能使用一點(diǎn)處的子午線收斂角和磁偏角來(lái)歸算全井的井眼軌跡,必然存在誤差,因此采用真北作為指北基準(zhǔn)更為科學(xué)。
現(xiàn)行定位方法基于地圖投影坐標(biāo)進(jìn)行水平面定位,而投影變形是地圖投影的固有缺陷,所以存在無(wú)法規(guī)避的定位誤差。現(xiàn)行定位方法基于高程進(jìn)行垂向定位,其靶點(diǎn)垂深只與靶點(diǎn)及井口的大地高有關(guān),而與大地坐標(biāo)無(wú)關(guān),不符合實(shí)際?,F(xiàn)行定位方法采用水平面定位和垂向定位相結(jié)合的方法來(lái)確定靶點(diǎn)與井口之間的相對(duì)位置,但兩者卻相互獨(dú)立。算例分析也表明現(xiàn)行定位方法存在較大誤差,計(jì)算的靶點(diǎn)垂深偏小,水平位移偏大。
真三維井眼定位方法基于地球橢球進(jìn)行靶點(diǎn)與井口間相對(duì)位置的空間定位,不涉及地圖投影問(wèn)題,從根本上解決了現(xiàn)行定位方法存在的問(wèn)題,能顯著提高井眼軌跡設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)的精度和可靠性。
符號(hào)注釋:
a——地球橢球的長(zhǎng)半軸,m;b——地球橢球的短半軸,m;B——大地緯度,(°);e——地球橢球的第一偏心率,無(wú)因次;h——大地高,m;L——大地經(jīng)度,(°);N,E,H——井口坐標(biāo)系的北坐標(biāo)、東坐標(biāo)和垂向坐標(biāo),m;Rn——卯酉圈的曲率半徑,m;x——地圖投影平面上的縱坐標(biāo),m;y——地圖投影平面上的橫坐標(biāo),m;X,Y,Z——地固空間直角坐標(biāo)系的坐標(biāo),m;γ——子午線收斂角,(°);δ——磁偏角,(°);φg——網(wǎng)格方位角,(°);φm——磁方位角,(°);φt——真方位角,(°)。下標(biāo):0——井口點(diǎn);T——靶點(diǎn)。
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(編輯 胡葦瑋)
A true three-dimensional wellbore positioning method based on the earth ellipsoid
LIU Xiushan
(Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing 100101, China)
In view of the problems existing in the current wellbore positioning method, a true three-dimensional wellbore positioning method was presented, and an example for analysis was given. The current positioning method uses the grid north as the reference datum to the north, positions in the horizontal plane based on the map projection coordinates, and positions in the vertical direction based on the elevation coordinates. It has inherent defects and errors, as the two positionings above are independent of each other, and only use the constant meridian convergence and constant magnetic declination at the wellhead to calculate the borehole trajectory for the whole well. Based on the earth ellipsoid and its calculating principle, the transformation relationship between the wellhead coordinate system, geodetic coordinate system and elevation coordinate system was revealed, and the true three-dimensional wellbore positioning method using the true north as the reference datum to the north was presented. Analysis results of an example show that the current positioning method yields a smaller vertical depth and a larger horizontal displacement for the target, and produces larger errors compared with the true three-dimensional positioning method. The true three-dimensional positioning method has fundamentally solved the problems existing in the current positioning method, accurately positioning the relative location between the target and the wellhead, and significantly improves the accuracy and reliability of borehole trajectory design.
drilling theory; directional drilling; wellbore trajectory; wellbore positioning
國(guó)家科技重大專項(xiàng)“海相碳酸鹽巖油氣井井筒關(guān)鍵技術(shù)”(2011ZX05005-006)
TE21
A
1000-0747(2017)02-0275-06
10.11698/PED.2017.02.13
劉修善(1962-),男,黑龍江牡丹江人,博士,中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院教授級(jí)高級(jí)工程師,主要從事導(dǎo)向鉆井工藝、井下信息測(cè)量與控制等方面的研究工作。地址:北京市朝陽(yáng)區(qū)北辰東路 8號(hào)北辰時(shí)代大廈9層,中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院,郵政編碼:100101。E-mail:liuxs.sripe@sinopec.com
2016-06-22
2016-10-12