劉志強(qiáng)

（中石化華北石油工程有限公司五普鉆井分公司 河南新鄉(xiāng) 453000）

定向井井眼軌跡計(jì)算方法探究

劉志強(qiáng)

（中石化華北石油工程有限公司五普鉆井分公司 河南新鄉(xiāng) 453000）

定向井井眼軌跡計(jì)算設(shè)計(jì)是鉆井工程的重要環(huán)節(jié)，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)井眼軌跡的科學(xué)計(jì)算是設(shè)計(jì)人員必須要考慮的一個(gè)問(wèn)題。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題應(yīng)該引起高度重視，對(duì)此應(yīng)該采取專(zhuān)門(mén)措施來(lái)提升其實(shí)際工作水平。本文將重點(diǎn)分析定向井井眼軌跡的計(jì)算方法，通過(guò)對(duì)不同方法的分析來(lái)了解當(dāng)前如何實(shí)現(xiàn)科學(xué)計(jì)算。

井眼軌跡；計(jì)算方法；定向井

從當(dāng)前油井鉆井情況來(lái)看，近些年來(lái)鉆井深度越來(lái)越大。隨著鉆井深度的不斷增加，對(duì)于鉆井技術(shù)的要求也越來(lái)越高，井眼軌跡出現(xiàn)了多樣化趨勢(shì)。在這樣的背景下如何實(shí)現(xiàn)定向井井眼軌跡的科學(xué)計(jì)算就成為今后工作中應(yīng)該充分考慮的一個(gè)問(wèn)題。從實(shí)際情況來(lái)看，當(dāng)前定向井井眼軌跡計(jì)算方法是非常多的。對(duì)于這些方法進(jìn)行科學(xué)分析就非常重要。

1 定向井基本參數(shù)

了解定向井基本參數(shù)進(jìn)行深入分析地重要前提，通過(guò)對(duì)這些重要參數(shù)的分析將能夠使得人們進(jìn)一步了解定向井。井斜變化率和方位變化率是兩個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)分析有重要意義，從實(shí)際情況來(lái)看井斜角和井斜方位角是會(huì)隨著井深的不斷變化而變化的，這里的變化率主要指的是變化地快慢。具體而言井斜變化率主要指的是井斜角隨井深變化的程度，方位變化率主要指的是井斜方位角隨井深變化程度。

井斜角和井斜方位角是最典型的參數(shù)，對(duì)于這些參數(shù)應(yīng)該引起重視。所謂井斜角主要指的是過(guò)井眼軸線上的某點(diǎn)來(lái)做井眼軸線的切線，這一切線向井眼前進(jìn)方向延伸部分就是井眼方向線。井眼方向線同重力線之間的夾角實(shí)際上就成為井斜角。人們通常用井斜角來(lái)表示井身軌跡在該測(cè)點(diǎn)處傾斜大小。

井斜方位線主要指的是：在測(cè)點(diǎn)處的井眼方向線投影到水平面上的線稱(chēng)之為井眼方位線，此時(shí)以正北方位線為始邊，順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)到井眼方位線上所轉(zhuǎn)過(guò)的角度，這就是井斜方位角。通常情況下正北方位線實(shí)際上就是地理子午線沿著正北方向延伸的線段。這里應(yīng)該注意到方位與方向是有明顯區(qū)別的。方位線實(shí)際上就指的是水平面上的矢量，方向線則是空間矢量。

2 常用計(jì)算方法

近些年來(lái)人們對(duì)于定向井軌跡計(jì)算方法的研究取得了一定進(jìn)展，在實(shí)際工作中逐漸總結(jié)出了一系列計(jì)算方法。對(duì)于這些常用方法進(jìn)行科學(xué)分析有重要意義。下面本文就來(lái)對(duì)當(dāng)前常用計(jì)算方法進(jìn)行科學(xué)分析：

2.1 平均角法

這是一種比價(jià)典型的方法，這樣一種方法又可以叫作均角全距法，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中這種方法往往是重復(fù)使用測(cè)段上下兩點(diǎn)井斜角和方位角，在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中往往是要把上下兩點(diǎn)角度的簡(jiǎn)單平均值要假設(shè)成整個(gè)側(cè)段的井斜角和方位角。此時(shí)鉛孔軸線同井斜角和方位角就是成一切線，這樣實(shí)際上將能夠覆蓋測(cè)段全長(zhǎng)。

在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中應(yīng)該看到，如果某測(cè)點(diǎn)井斜角等于0，此時(shí)并不代表沒(méi)有井斜方位角，也就是說(shuō)井斜方位角等于0和沒(méi)有井斜方位角是不一樣。這一點(diǎn)是人們?cè)诠ぷ髦袘?yīng)該引起注意的。

2.2 正切法

正切法本身又可以叫作下點(diǎn)切線法。這種方法在計(jì)算過(guò)程中往往是要假定兩相鄰測(cè)點(diǎn)之間孔段是一條直線，此時(shí)長(zhǎng)度又等于測(cè)距。這樣直線井斜角和井斜方位角就能夠等同于下側(cè)點(diǎn)井斜角和井斜方位角，在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中應(yīng)該看到直線同直線相連接的空間折線就是整個(gè)鉆孔軌跡。

切線法實(shí)際上是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛地一種方法，計(jì)算簡(jiǎn)單、便于手算是這種方法的典型特征，同時(shí)也應(yīng)該看到這種方法本身也是存在著較大誤差的。在實(shí)際增斜段計(jì)算過(guò)程中水平位移偏大、垂直深度偏小，降斜段計(jì)算過(guò)程中卻是恰好相反。從這一點(diǎn)中可以看出切線法也是存在著不少問(wèn)題的。這種方法的簡(jiǎn)化也不符合實(shí)際情況。因此實(shí)際計(jì)算結(jié)果也是最不精確的。正因?yàn)槿绱诉@種方法也不推薦使用。

2.3 平衡正切法

這種方法是認(rèn)為井斜角和方位角在側(cè)段開(kāi)始和末尾全部切線補(bǔ)償，在實(shí)際工作中對(duì)于測(cè)量的井斜角和方位角，通常也是要利用三角函數(shù)平均值來(lái)確定鉆孔軸線坐標(biāo)值的。平衡正切法實(shí)際上也是把小段鉆孔軸線來(lái)作為折線進(jìn)行處理。

2.4 校正平均角法

這種方法從本質(zhì)意義上來(lái)看是屬于曲線法，這種方法也是從別的方法中推演出來(lái)的。校正平均角法從形式上來(lái)看雖然是直線法，但是實(shí)際上是曲線法。它的假設(shè)更接近真實(shí)井身。正因?yàn)槿绱?，這種方法同直線法相比更為準(zhǔn)確。

2.5 曲率半徑法

曲率半徑法又可以叫作圓柱螺線法，在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中把角的切線在每一測(cè)段開(kāi)始同末尾經(jīng)常被描述成為一曲線，在實(shí)際工作中重點(diǎn)是要能夠代表鉆孔真實(shí)軸線。這一曲線通常有著球面圓弧形狀平滑，這樣就能夠利用圓周或者是球面的一部分來(lái)表示。此時(shí)圓弧精確度通常是兩個(gè)方向矢量或者是已知兩測(cè)點(diǎn)間的距離給定的。

誤差小是這種方法的典型特征。之所以誤差小是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)間的距離比較大。正因?yàn)槿绱?，這種方法能夠稱(chēng)為鉆孔空間坐標(biāo)計(jì)算最為精確的一種方法。

2.6 最小曲率法

最小曲率法實(shí)際上是假設(shè)兩測(cè)點(diǎn)間的井段通常是一段平面上的圓弧，圓弧在兩端點(diǎn)處則是同上下兩測(cè)點(diǎn)處的精神方向線相切，這樣在實(shí)際工作中就能夠在上下兩側(cè)點(diǎn)井身方向一定的情況下，能夠把測(cè)段看成是圓弧曲線，這條曲線通常是曲率最小的曲線。正因?yàn)槿绱瞬疟唤凶鲎钚∏史?。同曲率半徑法?lèi)似，這種方法中圓弧的精確通常是由測(cè)段開(kāi)始同末尾兩個(gè)方向的矢量和已知的兩測(cè)點(diǎn)間的距離給定的。

2.7 弦步法

這一方法也是要假設(shè)相鄰兩側(cè)點(diǎn)間井身軸線是一空間平面上的圓弧曲線。與上述方法不同，這種方法在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中往往是不能夠測(cè)出圓弧長(zhǎng)度的，主要是要測(cè)量圓弧弦的長(zhǎng)度。

3 幾種方法的比較

對(duì)這幾種方法進(jìn)行科學(xué)比較能夠真正了解優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在對(duì)這些方法進(jìn)行詳細(xì)分析之后實(shí)際上能夠把它們分成三類(lèi)，直線法、折線法和曲線法這三種情況。直線法包含了正切法和平均角法、折線法則是平衡正切法、曲線法內(nèi)容較多，曲率半徑法、最小曲率法、校正平均角法、弦步法都是其中主要方法。

從實(shí)際對(duì)比情況來(lái)看，可以從不同角度來(lái)進(jìn)行分析。從假設(shè)合理性的角度來(lái)看，直線法和折線法都是不如曲線法的。從計(jì)算難易程度的角度來(lái)看曲線法公式比較繁瑣，直線法和折現(xiàn)法計(jì)算起來(lái)比較容易。如果是現(xiàn)場(chǎng)工作還是要手算，此時(shí)還是選用平均角法和校正平均角法合適；在工作中如果利用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)就可以充分利用曲線法來(lái)進(jìn)行有效計(jì)算。不同井段所適用的方法也不同，對(duì)于那些用轉(zhuǎn)盤(pán)鉆鉆出的井段通常是要利用曲率半徑法或者校正平均角法來(lái)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算。如果是利用井下動(dòng)力鉆具造斜或者是扭方位的井段，利用弦步法和最小曲率法效果是最好的。在實(shí)際工作中可以從實(shí)際出發(fā)來(lái)進(jìn)行科學(xué)選擇。

在工作中如果采用手算方式，就應(yīng)該選擇平均角法，這是因?yàn)槠骄欠ㄓ?jì)算值是介于曲率半徑法和最小曲率法計(jì)算結(jié)果之間的，這是最接近曲線法計(jì)算結(jié)果的。相反平衡正切法計(jì)算值距曲線法計(jì)算值相差就比較大。

從實(shí)際計(jì)算結(jié)果來(lái)看，校正平均角法和曲率半徑法計(jì)算值相差較小，因此在條件允許的情況下就能夠利用校正平均角法來(lái)代替曲率半徑法。同時(shí)還應(yīng)該看到為了能夠有效提升準(zhǔn)確性，在工作中還要進(jìn)一步提升測(cè)點(diǎn)測(cè)斜數(shù)據(jù)的精度，同時(shí)還應(yīng)該進(jìn)一步加密測(cè)點(diǎn)，要有效縮短測(cè)段長(zhǎng)度。這樣做將能夠有效提升計(jì)算準(zhǔn)確性。對(duì)于測(cè)點(diǎn)測(cè)斜數(shù)據(jù)的精度往往是要使用較高測(cè)斜儀器來(lái)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)要保證儀器軸線要能夠同井身軸線相平行。這樣做是為了能夠更好地實(shí)現(xiàn)科學(xué)測(cè)量。

定向井井眼軌跡計(jì)算是一項(xiàng)非常重要地工作，對(duì)于這項(xiàng)工作應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)研究。從當(dāng)前的分析中就可以看出曲線法是一種比較準(zhǔn)確的方法，采用曲線法將能夠得到真實(shí)結(jié)果。

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TE21

A

1004-7344（2016）07-0197-02

2016-1-28

劉志強(qiáng)（1985-），男，助理工程師，本科，主要從事石油工程工作。