精确定向钻井技术研究

1、精确定向钻井技术研究柳玉珩关键词：井口与靶点、坐标系统、精度测井、井眼轨迹、实钻监控、三维可视在过去一些定向钻井中，靶区的范围很大，在数十米至100多米，用不上精确定向钻井。现在大量的定向水平井和大位移水平井中，要求在数米甚至一米以下的范围内寻找油层。盐矿水平对接井要求在几米直径靶区，完成双井连通。这就需要精确的定向钻井。首先是现用一些定向井计算法不够精度。国内外定向钻井广泛采用的是磁导定位系统，磁偏角和磁方位角直接影响到水平井轨迹的精度，70、80年代的地磁图现在还在用，磁偏角的确定不准确。还有子午线收敛角基本忽略掉了，这个角度直接影响是井口与靶点磁方位，忽略了这个角度，1000米水平井相差

2、数十米，也就是说磁导定位系统确定的靶点是一个虚靶。精度不高的定向装备也是不可能完成精确定向钻井。先进的定向钻井监控系统则是精确定向钻井的关键技术。一、井口与靶点坐标系建立1、 坐标系统确定 ：同一井位或靶点坐标系不同，坐标值也不同。在定向钻井有多种描述井口或靶点的位置，如靶区在从井口沿北偏东45，水平距500米处；井口地理坐标为东经114北纬20；靶点大地坐标为X=2803853.21，Y=39371186.97。在定向钻井中，常采用的是以井口为坐标原点的相对坐标系。如图1图1 图2以磁北、真北、大地北为纵轴相对坐标系，三个方位角、A、AM的相互关系如下：坐标方位与磁方位关系：=AM+-； （

3、1）坐标方位与真方位关系：=A- （2）真方位与磁方位关系：A=AM+ （3）-磁偏角；-子午线收敛角在DWGUIDER6.1定向井/水平井轨迹设计与控制系统，同时采用磁北、坐标北为纵轴和井口与靶点连线为横轴三个坐标系。在井口与靶点连线为横轴的坐标系中，相对坐标方位B= AM-AL （4）AL=0-+ （5）AL-井口与靶点连线磁方位角，0-井口与靶点连线大地坐标系方位角（1） 磁偏角的精确取值：地球的磁极不是在北极点和南极点上，磁极每时每刻都在不停的运动着而是有比较大的偏移。根据WMM2005/2010地磁模型编写的软件如图3，磁偏角数据为负数表示北磁极偏西，正数表示北磁极偏东。此软件可查到

4、国内县级以上单位地理坐标和磁偏角，输入国内任意地理坐标可计算出本地的磁偏角。但是中国国土面积这么大，地磁图仅是采用2000多个实测点数据形成的。同时由于地磁还有异常情况，对于高要求大位移水平钻井，此软件计算的磁偏角精度还是不够的。最精确的磁偏角取值，应该是采用先进仪器实时实地测量，测量精度为0.1。图3（2） 子午线收敛角计算：地理坐标是球体坐标，必须转换成大地坐标，才能在定向钻井使用。这就产生了子午线收敛角，即真北与大地坐标北这间夹角。国内大多数定向软件采用的是以大地北为纵轴的相对坐标系，但在实际钻井中忽略了角，相当于采用了真北相对坐标系。因此人为地将靶点给偏移了。=sin() (6)-坐标

5、点与中央子午线经度差-坐标点纬度通过以下两个软件可精确计算地球上任意一点的角图4图5该表显示当输入井口和靶点的大地坐标、磁偏角后，建立以坐标北为坐标系靶点相对坐标值和以井口与靶点连线为横轴的相对坐标系的靶点相对坐标值显示出来。二、 精确测井对于高精度定向钻井必须采用先进的测量仪器，准确操作规程，才能获得精确井斜数据。1、 测斜仪器测量精度（1） 陀螺测斜仪，虽然仪器标定的技术精度很高，但在实际应用中测斜不够精确，有几个原因。陀螺测斜仪是不受磁场影响，可以在有套管的井眼里进行测斜。测出来的方位是真方位，即以地理北坐标纵轴的坐标系。在实际操作中是用最小刻度为1精度磁罗盘来找真北，采用的当地磁偏角也

6、是不精确的，还由于陀螺的漂移，在用仪器自身软件数据处理和人工数据处理有较大的误差。陀螺仪以磁北为坐标系测出来的方位为磁方位，可直接为定向软件井斜方位数据。而以真北为坐标测出来的真方位还要减去磁偏角后，为磁方位角，用（3）式计算。由此可见在用陀螺测斜时，直接用罗盘找磁北为坐标系较方便和准确些。采用高精度数字罗盘找磁北，应远离磁干忧，这样测斜数据相对准确性高。（2） 随钻测斜仪，国产随钻测斜仪，精度中等，耐用、成本低，可满足一般定向水平井要求。对大位移水平井要求采用高精度的进口随钻仪器，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、 随钻测斜数据的取值由于地磁场的作

7、用，钻井过程中钻具被磁化，随钻仪要安装在足够长度无磁钻铤内，才能避免被磁化的上下钻具磁干忧。地球纬度不同，产生的地磁场强度不同，对仪器的磁干忧强弱不一样。井斜角和井方位与磁源干忧有关。（1） 无磁钻铤长度和仪器安装最佳位置全球地磁场强度分三个区，中国大部分地区处在1区，根据地磁强度，再利用井斜角和井方位角的关系曲线图。确定无磁钻铤长度和仪器安装的最佳位置。图6图7 图8由图7可知磁方位大于30的水平井，应使用18米长度的无磁钻铤，才可减少磁干忧对仪器精度的影响。图8在2区磁方位15-35的水平井就需要用18米的无磁钻铤。磁方位大于50的水平井就需要用27米的无磁钻铤 。（2） 随钻井斜和方位数

8、据的采集钻井过程中采集的井斜数据是不准确，螺杆钻具反扭矩随钻压、地层变化的，仪器在孔底也是处于动态，数据不稳定。在钻完一个单根后，进行提测采集数据应是准确的，在盐矿对接水平井中采用此法，且测点密度大，每米一个数据。石油上固定间距30米取值，采用静态提测取值是很麻烦的。因此要获得准确的井斜数据，在造斜井段合理的数据采集应为每钻进一个单根取一至两个数据。水平段为每个单根取一个数据。三、 井眼轨迹设计与实钻监控1、 定向井计算公式（1） 计算误差分析：全角全距计算法，计算简便，误差大，增斜时水平位移偏大，垂深偏小，减斜时水平移位偏小垂深偏大。均角全距法较全角全距精度稍有提高，方位角如果是在3555时

9、，平均角在180左右，与实际方位正好相反，用计算机处理时，还不易被发现，会造成严重错误。全角均距法较前两种方法在测点间距大和曲率大的情况下精确一些。在测点距小和曲率小时精度与前者差不多。曲率半径法石油行业标准推荐的计算方法之一，此法是将两测点的井眼轨迹看着圆弧，在造斜井段与实际较为切合，实际井眼还不是真正的圆，计算结果也有一定的误差。另外此法仅能适合造斜井段，不适用直线井段。从井眼垂直平面上的曲率半径计算公式：RAB=57.3(LB -LA)/( B -A)，井眼在水平面上投影曲率半径公式：RAB=57.3RAB(COSB -COSA)/( B-A)可看出，在井斜角和方位不变时，这两个公式无意

10、义，当采用此法编写的计算机软件，处理井斜角或方位两个测点数据一样时，会出现错误。（2） 最小曲率法，是SPE（国际石油石油工程师学会）推荐的计算法。中国石油行业标准“SY/T5435-2003”中推荐此计算法。采用了最小曲率法编写的WDGUIDER6.1定向井轨迹设计与控制软件，剔除其它计算法所有的错误和缺陷，大大地简化了定向井的设计，使定向井控制轻松、容易。2、 WDGUIDER6.1定向井/水平井轨迹设计与实钻控制系统软件特点： 只需简单输入井深、井斜参数，即刻生成井斜曲率、水平位移、垂深、磁北坐标系北偏和东偏、网格北坐标系北坐标和东坐标、井口与靶点连线为横轴相对坐标系X坐标和Y坐标、靶心

11、距、井斜角变化率、方位角变化率。 在生成多种坐标值同时生成五种直观的图形，全井图、造斜段和水平段图、垂直剖面图、井口与靶连线为横轴坐标系的井眼轨迹水平投影图、网格北坐标系的井眼水平投影图。 采集实钻井眼轨迹任一坐标系横坐标、纵坐标和垂深三参数，输入三维图形软件，即刻生成三维透视立体图，任意角度观察。坐标系旋转可形成另外二种坐标系的三维图形。井眼轨迹三维透视图，可将石油丛式井、多分枝井、盐矿对接井、煤层气开采羽状井与井轨迹的空间位置展示出来。 在每一种图形中有“红”和“蓝”色两种图形，红色图形代表井设计轨迹图形，蓝色图形代表实钻井图形，当蓝色图形偏离红色图形时，提示司钻应该应该调整造斜工具面。图9轨迹设计图表图10 造斜段与水平进段图11大地坐标系水平投影图图12靶点与井口连线为横轴坐标系水平投影图图13三维实钻井眼轨迹3、 实钻控制井眼轨迹根据造斜工具的造斜率，设计好的井眼轨迹图，生成红色图形。由于控制系统采用最直观的设计轨迹与实钻轨迹图形显示，