关于子午线

1关于-T午线收敛角校正问题韩志勇作者简介：韩志勇(1937)，男．1962年毕业于北京石油学院油井工程专业，教授。联系电话：(0516)K396262(中国石油大学(华东)石油工程学院，…东营25706))摘要：论述了予午线收敛角校正在定向井轨迹计算中的重要性，介绍了子午线收敛角的定丈和性质，以及子午线收敛角的计算方法和在定向井井眼轨迹计算中进行子午线收敛角校正的方法。希望我国各油田尽快推行石油天然气行业标准SY/T5435—2003规定的子午线收敛角校正。关键词：定向井；轨迹计算；子午线收敛角；磁偏角；高斯—克吕格投影；方位角中图分类号：TE21文献标识码：A文章编号：1001—0890(2006)04—000l—04石油天然气行业标准SY／T5435—2003《定向井轨道设汁与轨迹计算》在轨迹计算中规定：“井斜方位角应进行磁偏角和子午线收敛角校正”，这是我国石油天然气行业标准关于子午线收敛角校正问题的第一次明确规定。井斜方位角的磁偏角校正，大约从20世纪80年代初开始，逐渐在我国各油田推行。现在应该是没有任何疑义。井斜方位角的子午线收敛角校正问题，早在20世纪90年代初就有人提出来”，但是直到现在许多油田还没有推行，许多工程技术人员还不了解其必要性和重要性。笔者撰写该文的目的在于宣传和贯彻标准的精神，促进我同各油田尽快推行子午线收敛角的校正。1、子午线收敛角校正的重要性先看一个算例。假如我国北方某油田，有一口水平位移l000m的定向井，设计靶区半径30m，井位所在位置为北纬42°58′，东经89°58′，子午线收敛角2°02′。在完钻后进行轨迹计算时，只进行了磁偏角校正，没有进行子午线收敛角校正。假如计算结果是靶心距等于零(100％中靶)，但是实际的靶心距却是35．26m，如图1所示的靶点，已经脱靶。图1：子午线收敛角校正的重要性这个算例说明，进行子午线收敛角校正是非常必要且非常重要的。水平位移越大的井越显得重要。2即使对于目前广泛应用的中午径水平井，按靶前位移500m，子午线收敛角1.5°计算，也会造成超过13m的中靶偏差。如果是救援井，那就更显得重要了。文献[2]介绍了一个由于磁偏角和子午线收敛角校正失误导致脱靶造成数百万美元损失的典型例子，值得深思。我国自20世纪90年代以来，已经大量应用水平井，出现了大量的大位移井。因此，进行子午线收敛角的校正，已经势在必行。2、子午线收敛角的概念这要从定向井的坐标谈起，每口定向井的井位和目标点都是用坐标值米表示的，坐标值又与坐标系有关。同—个位置点，坐标系不同，则坐标值有很大区别。2.1大地坐标系大地坐标系是描述地球上任一点位置的坐标系，常见的大地坐标系如图2所示，某点位置用经、纬度以及该点的高程H来确定，通常称为地理坐标系。为了避免与定向井中其他约定符号相混本文中经度以X，表示，纬度以Y表示。但是，大地坐标系不能给出在地球表面上的距离或长度，不便于在钻井工程应用。例如，某定向井井口位置的大地坐标为：X：＝37°35′5．123；Y＝118°55′3.321″。目标点的位置为：X＝37°35′11.224；Y＝118°57′5.737。据此大地坐标值，很难确定井口与目标点之间的距离和方位，很难进行轨道设计和轨迹计算。所以，希望能够在平面上把某点的位置表示出来，这就需要平面坐标系。由于地球表面是球面，不可能展平到平面上，所以要想在平面上表示出来，就要使用投影的方法，这就是地图学中使用的投影法。地图投影方法很多，我国采用的是高斯—克吕格投影2．2高斯平面坐标系高斯—克吕格(Gauss—Kruger)投影，又称高斯投影，在地图投影学中属于椭圆柱横切等角投影。如图3所示，设想在地球外面横向套一个椭圆柱，椭圆柱的横截面形状与地球子午圈包围的平面完全相等，则此椭圆柱与地球横向相切，相切的这条子午线成为中央子午线。然后把地球表面上的点或线投影到椭圆柱表面上，再把椭圆柱表面展平，就构成了高斯—克吕格投影。经过高斯—克吕格投影后，地球表面上的经纬线变成了如图4所示的形状。其中中央子午线和赤道线的投影，在图上成为直线。在图4所示的投影图上，以中央子午线和赤道线的交点为原点，建立平面直角坐标系。纵坐标以x表示，正方向为3中央子午线的北方向；横坐标以y表示，正方向为赤道线的东方向。为了减小投影变形，每6°或3°为一个投影带。为了在一个投影带内横坐标值不出现负值，将坐标原点向西移动500km。这就是高斯投影坐标系。定向井设计给定的井口和目标点的位置，就是使用这种坐标系。例如前述的某定向井井口和目标点，若用高斯投影坐标系表示，则井口坐标为：x0＝4163140.193m，y0＝20669380.084m。目标点坐标为：xt＝4163390.193m，y0＝20672380.084m。需要注意的是y坐标的数字：小数点以左的6位数字是真正的坐标值，小数点以左第7、8两位则表示投影带的序号。上述坐标y。和yx中的20就是6°带的投影带序号，表示该投影带的中央子午线为20×6—3＝117°。2．3子午线收敛角的定义和性质在大地坐标系中，北半球所有子午线均汇交于北极点。过任一纬度线上两点A和B分别作子午线的切线，二切线必相交于地轴上，二切线之间的夹角，称为A、B两点的子午线收敛角。在高斯投影坐标系中，任一点都有其坐标北方向，且都与中央子午线方向相同，此坐标北方向称为“网格北(gridnorth)”，用GN表示。同时，任一点还有其“真北(truenorth)”方向(沿子午线在该点的切线方向)，以TN表示。GN与TN之间的夹角，称为高斯平面子午线收敛角。实钻轨迹计算要用的就是这个收敛角。子午线收敛角有正负之分。以网格北相对于真北的方向进行判断。如图4所示，在中央子午线以东，网格北都在真北以东，可称为东收敛角，收敛角为正值；在中央子午线以西，网格北都在真北以西，可称为西收敛角，收敛角为负值。在一个投影带内，高斯平面子午线收敛角的变化有一定规律。距离中央子午线越远，收敛角越大，在中央子午线上收敛角等于零。距离赤道线越远，则收敛角越大。在赤道线上收敛角等于零。表l给出6°带投影区内高斯平面子午线收敛角的变化。表1不同纬度和经度差下的高斯平面子午线收敛角3、子午线收敛角的计算：设计给定的井位和目标点的坐标，都是高斯投影坐标系(网格坐标系)的坐标。要计算子午线收敛角，首先要进行坐标系转换，把高斯投影坐标系转换到大地坐标系，即求得井位4和目标点的经、纬度。这个坐标系转换较为复杂，需要借助专用软件进行计算，在此不作介绍。完成坐标转换之后，即可计算子午线收敛角。3.1传统计算公式3.2简易计算公式由图l可以推导出一种简易计算公式：γ=△λsinφ(2)式中，γ为子午线收敛角，(°)；△λ为计算点与中央子午线之间的“经度差”，(°)；φ为计算点所在的纬度，(°)。实际计算表明，该简易公式的计算误差，随着纬度φ的减小而增大，随着经度差△λ的增大而增大。在φ＝10°～70°和△入＝1°～3°范围内，最大相对误差不超过0.083％，可以满足工程计算中的精度要求。4子午线收敛角的校正方法井斜方位角的测量通常使用磁性测量仪器，测得的方位角是以磁北为基准。当使用非磁性测量仪器(例如陀螺仪)时，测得的方位角是以真北为基准。可是进行定向井轨道设计和轨迹计算时都使用的是高斯投影坐标系，是以网格北为基准的。所以需要把测量的以磁北为基准的井斜方位角转换成以网格北为基准的井斜方位角，这项工作称为“方位角校正”，国外称为“方位参照系转换(azimuthconferencessys—remconversion)”。当使用磁性测斜仪时，井斜方位角校正包括磁偏角校正和子午线收敛角校正。这两个校正应结合起来一起完成，方位角的校正公式为：φc＝Φs+δ-γ(3)式中，φc为经过方位校正之后用于轨迹计算的方位角，(°)；Φs为测量仪器测得的井斜方位角，(°)；δ为磁偏角，东磁偏角为正值，西磁偏角为负值，(°)；γ为高斯平面子午线收敛角，东收敛角为正值，西收敛角为负值，(°)。当使用非磁性测量仪器(例如陀螺仪)时，只进行子午线收敛角校正，校正公式为：φc＝Φs–γ(4)例如，我国某油田一口井的井口坐标为：x＝4163140.193m，y＝20669380.084m。y坐标前两位数字表明，该井口位于高斯投影6°带的第20投影带，其中央子午线为东经117°。经过坐标换算，可求得该井口的大地坐标(1980年西安坐标系)：Φ＝37°35′52.798，y＝118°55′3.149；该井口处的子午线收敛角：γ＝1.16988129°(若用简易公式计算，γ＝1.17237501°)，近似取γ＝1．17°。已知当地当年的磁偏角δ＝6.30°，则该井井斜方位角校正公式为：φc＝Φs+δ-γ(3)＝Φs-6.3°-1.17°=Φs-7.47°(5)对该井所有测点的井斜方位角按照上述公式进行校正之后，然后才能进行轨迹计算。5结论1)标准SY／T5435—2003《定向井轨道设计与轨迹计算》规定“井斜方位角应进行磁偏角和子午线收敛角校正”，这是一条非常重要的规定，推行子午线收敛角的校正，势在必行，刻不容缓。2)介绍了子午线收敛角定义和性质，给出了子午线收敛角的计算方法和校正方法，为促进我国各油田尽快推行子午线收敛角的校正，提供了有利条件。6大港油田大位移井钻井实践和技术最新进展秦永和(中国石油大学(北京)石油与天然气丁程学院。北京昌平102249)摘要：介绍了大港油田大位移井钻井技术的发展背景和概况。以北堡西3×1井为例，从井眼轨道优化设计、钻具组合优化设计、井身结构优化设计以及钻井液技术等方面分析了大港油田大位移井钻井技术措施，并从摩阻／扭矩分析、轨道设计方法、井眼清洁及参数优选、钻井液体系研究、井下工具研制和计算软件开发等方面介绍了大港油田大位移井钻井技术的最新进展情况，对大港油田及环渤海地区的大位移井钻井施工具有一定的借鉴意义。关键词：大角度斜井；井眼轨迹；钻井液；大港油田；北堡西3×1井中图分类号：TE243文献标识码：B文章编号：1001—0890(2006)04-0030-041发展背景大港油田滩海地区由于滩涂区--极浅海区淤泥厚(10～19m)、承载能力低，多数勘探目标水深2.5m左右，陆地钻井设备难以进入，海上钻井船难以到达，勘探开发难度很大。因此，大港油田开展了滩海区大位移井钻井技术研究，以实现“海油陆采”的滩海勘探开发思路。该油田在1991年成功钻成了当时全国水平位移最大的定向井张17—1井(井深3933．88m、井底水平位移2279.38m)，此后，又陆续完成了红9—1井、港深69X1井、北堡西3X1井等大位移井的设计和施工。截止目前，大港油田完成了100多口位移超过1500m的定向井，其中，水平位移最大达到4128.56m，井斜角最大达到96.1°，位移垂深比最大达1.46，逐步形成了适合于大港油田滩海地区的大位移井钻井配套工艺技术。2大位移井钻井技术2．1井眼轨迹控制技术2.1.1井眼轨道优化设计1)造斜点的选择。造斜点应该选在成岩性好、岩层比较稳定的地层，从而有利于较快地实现造斜并确保井眼稳定。由于平原组地层属于软泥、流沙和不成岩地层，因此应尽量避免在平原组地层造斜。同时应尽量加深造斜点，以缩短斜井段的长度，达到降低管柱与井眼之间摩阻与扭矩的效果。2)造斜段类型的选择。造斜段类型有圆弧形和准悬链形两种，但无论选择哪种类型，为7了降低摩阻与扭矩和防止套管被严重磨损，造斜率都应尽量控制在3°/30m以下。从施工操作的难易程度及摩阻／扭矩的预测值来讲，圆弧形井眼比准悬链形井眼都具优势，因此，一般在大位移井井眼轨道设计中造斜段常采用圆弧形。3)井斜角的选择。井斜角应尽量避开45°一65°范围，井斜角在该区间内，不仅岩屑在井眼低边容易形成岩屑床，而且在停泵后岩屑存在下滑的趋势，很容易发生卡钻事故。如果井斜角大于65°，即使井眼低边有岩屑床存在，在停泵后岩屑也不会向下滑动，这不仅可以避免卡钻事故，而且在钻柱的不断搅动下，岩屑会随着液流不断返到地面，达到清洗井眼的目