本發(fā)明涉及油氣鉆探技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于地球橢球的井眼定位方法。

背景技術(shù)：

鉆井工程師常采用井口坐標(biāo)系來設(shè)計、監(jiān)測和控制井眼軌道，而地質(zhì)科學(xué)家采用大地坐標(biāo)系來描述大地構(gòu)造及儲層展布形態(tài)。要適應(yīng)和滿足油氣勘探開發(fā)需求，首先必須解決井眼定位問題。

現(xiàn)有技術(shù)是基于地圖投影原理來進(jìn)行井眼定位，根據(jù)井口和靶點的地圖投影坐標(biāo)進(jìn)行井眼軌道設(shè)計，其指北方向為地圖投影平面的坐標(biāo)北。由于涉及地圖投影及投影變換，所以存在一些固有缺陷，主要有以下幾點：

(1)坐標(biāo)系及參考基準(zhǔn)問題

井口和靶點坐標(biāo)可能由水文勘查、地球物理等部門分別提供，其參考基準(zhǔn)、甚至包括地球橢球參數(shù)等大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)有可能不同。而鉆井過程中的井眼軌道監(jiān)測與控制是由定向井服務(wù)公司提供技術(shù)服務(wù)，其應(yīng)用軟件所采用的大地坐標(biāo)系及參考基準(zhǔn)也可能不同于前者。因缺少相應(yīng)的數(shù)據(jù)審查及監(jiān)管機制和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在實際工作中會存在忽視甚至誤用數(shù)據(jù)的問題。

例如，當(dāng)前設(shè)計或正在鉆進(jìn)的新井采用2000國家大地坐標(biāo)系，而幾十年前已完鉆的鄰井采用1954年北京坐標(biāo)系。因這兩個大地坐標(biāo)系采用了不同的地球橢球，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，在實際工作中時常會忽視這種坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換問題而直接進(jìn)行井眼防碰等計算，致使計算結(jié)果不準(zhǔn)確。

(2)地圖投影問題

投影變形是地圖投影的固有特性?；诘貓D投影坐標(biāo)進(jìn)行井眼軌道設(shè)計與監(jiān)測，必然會產(chǎn)生誤差，從而影響設(shè)計軌道設(shè)計和實鉆軌跡計算的精度。此外，由于投影帶內(nèi)不同位置的投影變形程度不同，因此不同油井的設(shè)計與計算精度是不 同的。事實上，對于同一口油井，因投影變形而產(chǎn)生的誤差也是沿井眼軌道變化的。

(3)地球橢球面的彎曲問題

現(xiàn)有技術(shù)沒有考慮地球橢球面彎曲對定位的影響，從而帶來了較大誤差。例如，某水平井井口點的海拔高度為1000m，靶點的海拔高度為-2000m，則從井口到靶點的垂深為3000m。在現(xiàn)有技術(shù)中，得到這樣結(jié)果的前提是：井口和靶點的海拔高度是以同一個水平面為起算基準(zhǔn)。然而，高程是從大地水準(zhǔn)面起算，大地水準(zhǔn)面與地球橢球面有最佳吻合。所以，不存在絕對的“水平面”，應(yīng)按地球橢球面來確定井口與靶點之間的相對位置，即應(yīng)考慮地球橢球面的彎曲影響。

(4)滿足勘探開發(fā)需求問題

使用地圖投影坐標(biāo)及子午線收斂角等參數(shù)在井口坐標(biāo)系下歸算井眼軌道，可以滿足幾何導(dǎo)向鉆井的需求。但由于缺少井眼軌道的大地坐標(biāo)等信息，不直接表征井眼軌道在地層中的行進(jìn)情況，所以不便用于地質(zhì)導(dǎo)向鉆井。

因此，現(xiàn)有技術(shù)存在地圖投影變形、沒考慮橢球面彎曲等缺陷，帶來了較大誤差，嚴(yán)重影響了井眼定位精度及井眼軌道設(shè)計精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于地球橢球的井眼定位方法，其特征在于，基于地球橢球進(jìn)行井眼定位，不僅消除了因地圖投影變形而產(chǎn)生的誤差，而且還考慮了地球橢球面的彎曲影響，包括以下步驟：

獲取井口和靶點的大地坐標(biāo)；

確定指北基準(zhǔn)及井口坐標(biāo)系；

求取井口和靶點的地心坐標(biāo)；

計算井口坐標(biāo)系下的靶點坐標(biāo)；

設(shè)計井眼軌道。

所述確定指北基準(zhǔn)及井口坐標(biāo)系，具體為：采用真北方向作為指北基準(zhǔn)，以井口點o為原點，建立井口直角坐標(biāo)系o—neh，其中n軸、e軸和h軸分別指向正北、正東和地心。

所述求取井口和靶點的地心坐標(biāo)，具體為：根據(jù)井口點的大地坐標(biāo)(ho,lo,bo)和靶點的大地坐標(biāo)(ht,lt,bt)，分別按下式計算井口點的地心坐標(biāo)(xo,yo,zo)和靶點 的地心坐標(biāo)(xt,yt,zt)

其中，e為地球橢球的第一偏心率，rn為卯酉圈的曲率半徑，l為大地經(jīng)度，b為大地緯度，h為高程。

所述計算井口坐標(biāo)系下的靶點坐標(biāo)(nt,et,ht)，具體按下式計算：

其中，n為北坐標(biāo)，e為東坐標(biāo)，h為垂深坐標(biāo)。

所述設(shè)計井眼軌道，具體包括：根據(jù)井口坐標(biāo)系下的靶點坐標(biāo)(nt,et,ht)，先計算靶點的垂深、水平位移、平移方位等參數(shù)，然后再設(shè)計井眼軌道。

本發(fā)明帶來了以下有益效果：本發(fā)明基于地球橢球及坐標(biāo)變換進(jìn)行井眼定位，考慮了地球橢球面的彎曲影響，但不涉及地圖投影及投影變換問題。本發(fā)明消除了因地圖投影變形而產(chǎn)生的誤差，規(guī)避了因忽視或遺漏不同大地坐標(biāo)系之間換算而帶來的誤差風(fēng)險，從而顯著提高了井眼定位及井眼軌道設(shè)計的精度和可靠性。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分的從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在說明書、權(quán)利要求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。

附圖說明

為了更清楚的說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要的附圖做簡單的介紹：

圖1是本發(fā)明實施例一提供的井眼定位方法流程圖；

圖2是本發(fā)明實施例中的坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖及實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明的實施方式，借此對本發(fā)明如何 應(yīng)用技術(shù)手段來解決技術(shù)問題，并達(dá)成技術(shù)效果的實現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實施。需要說明的是，只要不構(gòu)成沖突，本發(fā)明中的各個實施例以及各實施例中的各個特征可以相互結(jié)合，所形成的技術(shù)方案均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

實施例一：

本發(fā)明實施例提供一種基于地球橢球的井眼定位方法，可應(yīng)用于油氣井的井口及靶點等定位?？傮w思路是：借助于地心直角坐標(biāo)系，建立井口坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而得到靶點相對于井口的空間坐標(biāo)，并據(jù)此設(shè)計井眼軌道。

如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的井眼定位方法主要包括以下步驟：

步驟s1：獲取井口和靶點的大地坐標(biāo)。

通常，地質(zhì)設(shè)計提供井口及靶點的大地坐標(biāo)，所述大地坐標(biāo)包括大地經(jīng)度l、大地緯度b和高程h。

如果地質(zhì)設(shè)計只提供地圖投影坐標(biāo)而沒有提供大地坐標(biāo)，則本步驟中可根據(jù)地圖投影原理，將地圖投影坐標(biāo)還原為大地坐標(biāo)。由于地圖投影坐標(biāo)是由大地坐標(biāo)計算而來，所以理論上這種坐標(biāo)還原過程不存在誤差或誤差可忽略不計。

地圖投影的方法很多，如高斯—克呂格投影、通用橫軸墨卡托投影(簡稱utm投影)等。大地坐標(biāo)與地圖投影坐標(biāo)之間的換算稱為地圖投影的坐標(biāo)正/反算，其具體換算方法和計算公式在《地圖學(xué)》和《大地測量學(xué)》等文獻(xiàn)中可以獲得。

步驟s2：確定指北基準(zhǔn)及井口坐標(biāo)系。

如圖2所示，采用真北方向作為指北基準(zhǔn)，并建立地心直角坐標(biāo)系o′—xyz和井口直角坐標(biāo)系o—neh。

地心直角坐標(biāo)系o′—xyz的原點o′為地球質(zhì)心，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，其中起始子午面為格林威治平均子午面；y軸在赤道面內(nèi)并與x軸正交，即指向地理東方向。因此，x軸、y軸和z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，用(x,y,z)表示空間點的位置。

井口直角坐標(biāo)系o—neh的原點o為井口點，h軸沿鉛垂方向指向地球質(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。

步驟s3：求取井口和靶點的地心坐標(biāo)。

根據(jù)井口點o的大地坐標(biāo)(ho,lo,bo)和靶點的大地坐標(biāo)(ht,lt,bt)，按下式計算 井口點的地心坐標(biāo)(xo,yo,zo)和靶點的地心坐標(biāo)(xt,yt,zt)

其中

其中，a為地球橢球的長半軸，單位m；b為地球橢球的短半軸，單位m；e為地球橢球的第一偏心率，無因次；rn為卯酉圈的曲率半徑，單位(°)；l為大地經(jīng)度，單位m；b為大地緯度，h為高程，單位m。

對于具體的地球橢球，參數(shù)a、b和e均為常數(shù)。根據(jù)任一空間點的大地坐標(biāo)(h,l,b)，由式(1)可計算出地心直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(x,y,z)。

步驟s4：計算井口坐標(biāo)系下的靶點坐標(biāo)。

在井口直角坐標(biāo)系o—neh下，井口點o的坐標(biāo)為(0,0,0)，靶點坐標(biāo)(nt,et,ht)按下式計算

其中，(l0,b0)為井口點的大地經(jīng)緯度，在步驟s1中獲?。?x0,y0,z0)為井口點的地心空間直角坐標(biāo)，由式(1)求得；(xt,yt,zt)為靶點的地心空間直角坐標(biāo)，也由式(1)求得.

步驟s5：設(shè)計井眼軌道。

首先，根據(jù)井口坐標(biāo)系下的靶點坐標(biāo)(nt,et,ht)，計算靶點的垂深、水平位移、平移方位等參數(shù)；然后，再按鉆井工程方法設(shè)計井眼軌道，得到井眼軌道上一系列節(jié)點和分點的北坐標(biāo)、東坐標(biāo)等參數(shù)，并以圖表等形式給出井眼軌道的設(shè)計結(jié)果。

本發(fā)明實施例提供的井眼定位方法是基于地球橢球及坐標(biāo)變換來進(jìn)行井眼定位，不涉及地圖投影及投影變換問題，消除了因地圖投影變形而產(chǎn)生的誤差，規(guī)避了因忽視或遺漏不同大地坐標(biāo)系之間換算而帶來的誤差風(fēng)險，此外還考慮了 地球橢球面的彎曲影響，從而能顯著提高井眼軌道設(shè)計的精度和可靠性。

此外，通過建立井口坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以表征井眼軌道在地層中的位置，因此還能滿足鉆井工程與勘探開發(fā)一體化的需求。

實施例二：

本實施例是利用上述實施例提供的井眼定位方法，對某水平井進(jìn)行井眼定位的實例。

該水平井井口點和兩個靶點(a靶和b靶)的大地坐標(biāo)為已知數(shù)據(jù)。在2000國家大地坐標(biāo)系下，用高斯—克呂格投影的坐標(biāo)正算公式算得的地圖投影坐標(biāo)見表1。

表1本實施例的井口和靶點的大地坐標(biāo)及地圖投影坐標(biāo)

在現(xiàn)有技術(shù)中，采用如下方法計算井口坐標(biāo)系下的靶點坐標(biāo)：①計算井口點的子午線收斂角，該實施例的計算結(jié)果為-1.045°；②用靶點的地圖投影坐標(biāo)減去井口點的地圖投影坐標(biāo)，得到地圖投影坐標(biāo)系下相對于井口點的靶點坐標(biāo)；③考慮子午線收斂角，經(jīng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，將步驟②所得到的靶點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為以真北為基準(zhǔn)的坐標(biāo)，便得到了井口坐標(biāo)系下的靶點坐標(biāo)。結(jié)果見表2。

表2現(xiàn)有技術(shù)算得的井口坐標(biāo)系下的靶點坐標(biāo)

按本發(fā)明實施例提供的井眼定位方法，井口坐標(biāo)系下的靶點坐標(biāo)的計算結(jié)果見表3。

表3本發(fā)明算得的井口坐標(biāo)系下的靶點坐標(biāo)

結(jié)果表明：本發(fā)明實施例提供的井眼定位方法與現(xiàn)有技術(shù)的計算結(jié)果存在明顯差異。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實施例算得的靶點垂深增大、水平位移減小。由于本發(fā)明實施例考慮了地球橢球面的彎曲影響，而且消除了因地圖投影變形而產(chǎn)生的誤差，所以得到這樣的結(jié)果及規(guī)律是顯而易見的。

本實施例表明：對于大位移井來說，因地圖投影變形而產(chǎn)生的垂深誤差和水平位移誤差可能超過10m，因此有必要推廣應(yīng)用本發(fā)明提供的井眼定位方法，以提高井眼定位精度，更好地滿足油氣勘探開發(fā)需求。

雖然本發(fā)明所公開的實施方式如上，但所述的內(nèi)容只是為了便于理解本發(fā)明而采用的實施方式，并非用以限定本發(fā)明。任何本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明所公開的精神和范圍的前提下，可以在實施的形式上及細(xì)節(jié)上作任何的修改與變化，但本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，仍須以所附的權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。