精確定向鉆井技術(shù)研究

1、精確定向鉆井技術(shù)研究柳玉珩關(guān)鍵詞：井口與靶點(diǎn)、坐標(biāo)系統(tǒng)、精度測(cè)井、井眼軌跡、實(shí)鉆監(jiān)控、三維可視在過(guò)去一些定向鉆井中，靶區(qū)的范圍很大，在數(shù)十米至100多米，用不上精確定向鉆井?，F(xiàn)在大量的定向水平井和大位移水平井中，要求在數(shù)米甚至一米以下的范圍內(nèi)尋找油層。鹽礦水平對(duì)接井要求在幾米直徑靶區(qū)，完成雙井連通。這就需要精確的定向鉆井。首先是現(xiàn)用一些定向井計(jì)算法不夠精度。國(guó)內(nèi)外定向鉆井廣泛采用的是磁導(dǎo)定位系統(tǒng)，磁偏角和磁方位角直接影響到水平井軌跡的精度，70、80年代的地磁圖現(xiàn)在還在用，磁偏角的確定不準(zhǔn)確。還有子午線(xiàn)收斂角基本忽略掉了，這個(gè)角度直接影響是井口與靶點(diǎn)磁方位，忽略了這個(gè)角度，1000米水平井相差

2、數(shù)十米，也就是說(shuō)磁導(dǎo)定位系統(tǒng)確定的靶點(diǎn)是一個(gè)虛靶。精度不高的定向裝備也是不可能完成精確定向鉆井。先進(jìn)的定向鉆井監(jiān)控系統(tǒng)則是精確定向鉆井的關(guān)鍵技術(shù)。一、井口與靶點(diǎn)坐標(biāo)系建立1、 坐標(biāo)系統(tǒng)確定 ：同一井位或靶點(diǎn)坐標(biāo)系不同，坐標(biāo)值也不同。在定向鉆井有多種描述井口或靶點(diǎn)的位置，如靶區(qū)在從井口沿北偏東45，水平距500米處；井口地理坐標(biāo)為東經(jīng)114北緯20；靶點(diǎn)大地坐標(biāo)為X=2803853.21，Y=39371186.97。在定向鉆井中，常采用的是以井口為坐標(biāo)原點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)系。如圖1圖1 圖2以磁北、真北、大地北為縱軸相對(duì)坐標(biāo)系，三個(gè)方位角、A、AM的相互關(guān)系如下：坐標(biāo)方位與磁方位關(guān)系：=AM+-； （

3、1）坐標(biāo)方位與真方位關(guān)系：=A- （2）真方位與磁方位關(guān)系：A=AM+ （3）-磁偏角；-子午線(xiàn)收斂角在DWGUIDER6.1定向井/水平井軌跡設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)，同時(shí)采用磁北、坐標(biāo)北為縱軸和井口與靶點(diǎn)連線(xiàn)為橫軸三個(gè)坐標(biāo)系。在井口與靶點(diǎn)連線(xiàn)為橫軸的坐標(biāo)系中，相對(duì)坐標(biāo)方位B= AM-AL （4）AL=0-+ （5）AL-井口與靶點(diǎn)連線(xiàn)磁方位角，0-井口與靶點(diǎn)連線(xiàn)大地坐標(biāo)系方位角（1） 磁偏角的精確取值：地球的磁極不是在北極點(diǎn)和南極點(diǎn)上，磁極每時(shí)每刻都在不停的運(yùn)動(dòng)著而是有比較大的偏移。根據(jù)WMM2005/2010地磁模型編寫(xiě)的軟件如圖3，磁偏角數(shù)據(jù)為負(fù)數(shù)表示北磁極偏西，正數(shù)表示北磁極偏東。此軟件可查到

4、國(guó)內(nèi)縣級(jí)以上單位地理坐標(biāo)和磁偏角，輸入國(guó)內(nèi)任意地理坐標(biāo)可計(jì)算出本地的磁偏角。但是中國(guó)國(guó)土面積這么大，地磁圖僅是采用2000多個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)形成的。同時(shí)由于地磁還有異常情況，對(duì)于高要求大位移水平鉆井，此軟件計(jì)算的磁偏角精度還是不夠的。最精確的磁偏角取值，應(yīng)該是采用先進(jìn)儀器實(shí)時(shí)實(shí)地測(cè)量，測(cè)量精度為0.1。圖3（2） 子午線(xiàn)收斂角計(jì)算：地理坐標(biāo)是球體坐標(biāo)，必須轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)，才能在定向鉆井使用。這就產(chǎn)生了子午線(xiàn)收斂角，即真北與大地坐標(biāo)北這間夾角。國(guó)內(nèi)大多數(shù)定向軟件采用的是以大地北為縱軸的相對(duì)坐標(biāo)系，但在實(shí)際鉆井中忽略了角，相當(dāng)于采用了真北相對(duì)坐標(biāo)系。因此人為地將靶點(diǎn)給偏移了。=sin() (6)-坐標(biāo)

5、點(diǎn)與中央子午線(xiàn)經(jīng)度差-坐標(biāo)點(diǎn)緯度通過(guò)以下兩個(gè)軟件可精確計(jì)算地球上任意一點(diǎn)的角圖4圖5該表顯示當(dāng)輸入井口和靶點(diǎn)的大地坐標(biāo)、磁偏角后，建立以坐標(biāo)北為坐標(biāo)系靶點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)值和以井口與靶點(diǎn)連線(xiàn)為橫軸的相對(duì)坐標(biāo)系的靶點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)值顯示出來(lái)。二、 精確測(cè)井對(duì)于高精度定向鉆井必須采用先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器，準(zhǔn)確操作規(guī)程，才能獲得精確井斜數(shù)據(jù)。1、 測(cè)斜儀器測(cè)量精度（1） 陀螺測(cè)斜儀，雖然儀器標(biāo)定的技術(shù)精度很高，但在實(shí)際應(yīng)用中測(cè)斜不夠精確，有幾個(gè)原因。陀螺測(cè)斜儀是不受磁場(chǎng)影響，可以在有套管的井眼里進(jìn)行測(cè)斜。測(cè)出來(lái)的方位是真方位，即以地理北坐標(biāo)縱軸的坐標(biāo)系。在實(shí)際操作中是用最小刻度為1精度磁羅盤(pán)來(lái)找真北，采用的當(dāng)?shù)卮牌且?/p>

6、是不精確的，還由于陀螺的漂移，在用儀器自身軟件數(shù)據(jù)處理和人工數(shù)據(jù)處理有較大的誤差。陀螺儀以磁北為坐標(biāo)系測(cè)出來(lái)的方位為磁方位，可直接為定向軟件井斜方位數(shù)據(jù)。而以真北為坐標(biāo)測(cè)出來(lái)的真方位還要減去磁偏角后，為磁方位角，用（3）式計(jì)算。由此可見(jiàn)在用陀螺測(cè)斜時(shí)，直接用羅盤(pán)找磁北為坐標(biāo)系較方便和準(zhǔn)確些。采用高精度數(shù)字羅盤(pán)找磁北，應(yīng)遠(yuǎn)離磁干憂(yōu)，這樣測(cè)斜數(shù)據(jù)相對(duì)準(zhǔn)確性高。（2） 隨鉆測(cè)斜儀，國(guó)產(chǎn)隨鉆測(cè)斜儀，精度中等，耐用、成本低，可滿(mǎn)足一般定向水平井要求。對(duì)大位移水平井要求采用高精度的進(jìn)口隨鉆儀器，方位角精度在0.3，井斜角0.2，重力工具面角0.2，磁力工具面角0.2。2、 隨鉆測(cè)斜數(shù)據(jù)的取值由于地磁場(chǎng)的作

7、用，鉆井過(guò)程中鉆具被磁化，隨鉆儀要安裝在足夠長(zhǎng)度無(wú)磁鉆鋌內(nèi)，才能避免被磁化的上下鉆具磁干憂(yōu)。地球緯度不同，產(chǎn)生的地磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，對(duì)儀器的磁干憂(yōu)強(qiáng)弱不一樣。井斜角和井方位與磁源干憂(yōu)有關(guān)。（1） 無(wú)磁鉆鋌長(zhǎng)度和儀器安裝最佳位置全球地磁場(chǎng)強(qiáng)度分三個(gè)區(qū)，中國(guó)大部分地區(qū)處在1區(qū)，根據(jù)地磁強(qiáng)度，再利用井斜角和井方位角的關(guān)系曲線(xiàn)圖。確定無(wú)磁鉆鋌長(zhǎng)度和儀器安裝的最佳位置。圖6圖7 圖8由圖7可知磁方位大于30的水平井，應(yīng)使用18米長(zhǎng)度的無(wú)磁鉆鋌，才可減少磁干憂(yōu)對(duì)儀器精度的影響。圖8在2區(qū)磁方位15-35的水平井就需要用18米的無(wú)磁鉆鋌。磁方位大于50的水平井就需要用27米的無(wú)磁鉆鋌 。（2） 隨鉆井斜和方位數(shù)

8、據(jù)的采集鉆井過(guò)程中采集的井斜數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確，螺桿鉆具反扭矩隨鉆壓、地層變化的，儀器在孔底也是處于動(dòng)態(tài)，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。在鉆完一個(gè)單根后，進(jìn)行提測(cè)采集數(shù)據(jù)應(yīng)是準(zhǔn)確的，在鹽礦對(duì)接水平井中采用此法，且測(cè)點(diǎn)密度大，每米一個(gè)數(shù)據(jù)。石油上固定間距30米取值，采用靜態(tài)提測(cè)取值是很麻煩的。因此要獲得準(zhǔn)確的井斜數(shù)據(jù)，在造斜井段合理的數(shù)據(jù)采集應(yīng)為每鉆進(jìn)一個(gè)單根取一至兩個(gè)數(shù)據(jù)。水平段為每個(gè)單根取一個(gè)數(shù)據(jù)。三、 井眼軌跡設(shè)計(jì)與實(shí)鉆監(jiān)控1、 定向井計(jì)算公式（1） 計(jì)算誤差分析：全角全距計(jì)算法，計(jì)算簡(jiǎn)便，誤差大，增斜時(shí)水平位移偏大，垂深偏小，減斜時(shí)水平移位偏小垂深偏大。均角全距法較全角全距精度稍有提高，方位角如果是在3555時(shí)

9、，平均角在180左右，與實(shí)際方位正好相反，用計(jì)算機(jī)處理時(shí)，還不易被發(fā)現(xiàn)，會(huì)造成嚴(yán)重錯(cuò)誤。全角均距法較前兩種方法在測(cè)點(diǎn)間距大和曲率大的情況下精確一些。在測(cè)點(diǎn)距小和曲率小時(shí)精度與前者差不多。曲率半徑法石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的計(jì)算方法之一，此法是將兩測(cè)點(diǎn)的井眼軌跡看著圓弧，在造斜井段與實(shí)際較為切合，實(shí)際井眼還不是真正的圓，計(jì)算結(jié)果也有一定的誤差。另外此法僅能適合造斜井段，不適用直線(xiàn)井段。從井眼垂直平面上的曲率半徑計(jì)算公式：RAB=57.3(LB -LA)/( B -A)，井眼在水平面上投影曲率半徑公式：RAB=57.3RAB(COSB -COSA)/( B-A)可看出，在井斜角和方位不變時(shí)，這兩個(gè)公式無(wú)意

10、義，當(dāng)采用此法編寫(xiě)的計(jì)算機(jī)軟件，處理井斜角或方位兩個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)一樣時(shí)，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。（2） 最小曲率法，是SPE（國(guó)際石油石油工程師學(xué)會(huì)）推薦的計(jì)算法。中國(guó)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“SY/T5435-2003”中推薦此計(jì)算法。采用了最小曲率法編寫(xiě)的WDGUIDER6.1定向井軌跡設(shè)計(jì)與控制軟件，剔除其它計(jì)算法所有的錯(cuò)誤和缺陷，大大地簡(jiǎn)化了定向井的設(shè)計(jì)，使定向井控制輕松、容易。2、 WDGUIDER6.1定向井/水平井軌跡設(shè)計(jì)與實(shí)鉆控制系統(tǒng)軟件特點(diǎn)： 只需簡(jiǎn)單輸入井深、井斜參數(shù)，即刻生成井斜曲率、水平位移、垂深、磁北坐標(biāo)系北偏和東偏、網(wǎng)格北坐標(biāo)系北坐標(biāo)和東坐標(biāo)、井口與靶點(diǎn)連線(xiàn)為橫軸相對(duì)坐標(biāo)系X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)、靶心

11、距、井斜角變化率、方位角變化率。 在生成多種坐標(biāo)值同時(shí)生成五種直觀的圖形，全井圖、造斜段和水平段圖、垂直剖面圖、井口與靶連線(xiàn)為橫軸坐標(biāo)系的井眼軌跡水平投影圖、網(wǎng)格北坐標(biāo)系的井眼水平投影圖。 采集實(shí)鉆井眼軌跡任一坐標(biāo)系橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和垂深三參數(shù)，輸入三維圖形軟件，即刻生成三維透視立體圖，任意角度觀察。坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)可形成另外二種坐標(biāo)系的三維圖形。井眼軌跡三維透視圖，可將石油叢式井、多分枝井、鹽礦對(duì)接井、煤層氣開(kāi)采羽狀井與井軌跡的空間位置展示出來(lái)。 在每一種圖形中有“紅”和“藍(lán)”色兩種圖形，紅色圖形代表井設(shè)計(jì)軌跡圖形，藍(lán)色圖形代表實(shí)鉆井圖形，當(dāng)藍(lán)色圖形偏離紅色圖形時(shí)，提示司鉆應(yīng)該應(yīng)該調(diào)整造斜工具面。圖9軌跡設(shè)計(jì)圖表圖10 造斜段與水平進(jìn)段圖11大地坐標(biāo)系水平投影圖圖12靶點(diǎn)與井口連線(xiàn)為橫軸坐標(biāo)系水平投影圖圖13三維實(shí)鉆井眼軌跡3、 實(shí)鉆控制井眼軌跡根據(jù)造斜工具的造斜率，設(shè)計(jì)好的井眼軌跡圖，生成紅色圖形。由于控制系統(tǒng)采用最直觀的設(shè)計(jì)軌跡與實(shí)鉆軌跡圖形顯示，