定向钻井中方位角及其坐标的归化问题

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第29卷第4期石油钻采工艺V01．29No．42007年8月OILDRILLING&PRODUCTIONTEEHNOLOGYAug．2007文章编号：1000—7393(2007)04—0001—05定向钻井中方位角及其坐标的归化问题刘修善(中国石化石油勘探开发研究院德州石油钻井研究所，山东德州253005)摘要：随着油气勘探开发进程的不断深化，所钻遇的地质环境日趋复杂，对井眼轨迹监测与控制的要求越来越高。为有效地监测和控制井眼轨迹，必须将实钻轨迹和设计轨道归算到同一个坐标系内，

2、这将涉及到磁偏角和子午线收敛角。文中介绍了磁偏角的测算原理和校正方法，论述了子午线收敛角的定义和计算方法，阐述了磁性测斜仪的测量原理，并重点研究讨论了方位角及坐标的归化方法。研究表明，国内的最大子午线收敛角在2。23以上，这对于水平位移为1000m的定向井，如果不考虑子午线收敛角的影响，井眼轨迹的计算结果在水平方向上将会产生超过41．68m的位移误差。文中较系统地论述了方位角及其坐标归化的有关理论和方法，对提高井眼轨迹的监测精度和可靠性具有实用意义。关键词：钻井理论；定向钻井；井眼轨迹；随钻测量；大地测量中图分类号：TE21；

3、TE243文献标识码：A在钻井过程中，测量仪器所提供的井眼轨迹参地磁场近似于置于地心的一个偶极子磁场，地数是对应于一定井深的井斜角和方位角，其中井斜磁轴与地球自转轴之间的夹角约为11．5。，见图1。传感器一般采用重力加速度计，方位传感器多采用地心磁偶极子轴线与地球表面的2个交点称为地磁磁通门和陀螺仪¨J。磁通门传感器所测得的方位极，地磁北极和地磁南极指的是地理位置，按磁性来角是以地磁北极为基准的磁方位角，陀螺仪所测得说地磁两极和磁针两极的极性恰好相反。的方位角是以大地北极为基准的大地方位角(真方地轴磁轴位角)。地质设计常用高斯

4、投影平面坐标来提供地面井位和目标点，在此基础上钻井工程师进行钻井工程设计，所得到的设计轨道其方位角和坐标都是以高斯平面坐标北为基准。地磁北极、大地北极和高斯平面坐标北的方向互不相同，所以在井眼轨迹监测与控制中需要对方位角及其坐标进行转换。图1地心偶极子磁场示意图井眼轨迹的方位角归化问题要涉及到磁偏角和子午线收敛角。这2个参数源自大地测量学J，大地磁场是一个弱磁场，地面上的平均磁感应强多数钻井工程师对大地测量学有关知识了解不够，度约为0．5×10一T。地磁场是由各种不同来源的特别是关于子午线收敛角的概念、计算方法及其使磁场叠加而

5、成的，包括主要来源于地球内部的稳定用方法J。文中将系统地阐述磁偏角和子午线收磁场和主要起源于地球外部的变化磁场。变化磁场敛角的相关理论和方法，并将其应用于井眼轨迹方比稳定磁场弱得多，最多只占地磁场感应强度的位角和坐标的归化问题。2％～4％。因此，地磁场是一个稳定磁场。1地磁场及磁偏角的测算方法地磁场的高斯一施密特理论把稳定磁场分为起1．1地磁场源于地球内部的内源场和起源于地球外部的外源攻关项目：中国石油化工股份有限公司科技攻关项目“电磁波随钻测量系统研制”，项目编号：P06062。作者简介：刘修善，1962年生。2000年于清

6、华大学博士后站出站，现为副所长，教授级高级工程师，SPEDrilling&Completion编委。电话：0534—2670199，E—mail：xliu@pepris．corn。维普资讯http://www.cqvip.com2石油钻采工艺2007年8月(第29卷)第4期场，其中内源场占地磁场感应强度的99％以上，并针的N极向下倾，在南半球磁针的S极向下倾。磁采用球谐分析方法把地磁要素的分布表示成地理坐倾角下倾时为正，上倾时为负E5,63。标的数学函数'。其中，地球表面上的磁场强度0北分量为＼，／东Z(g~'cosmA+^：

7、sinma)Pm(cosO)n=lm：=Ol(1)y(sinmA—h~cosraa)P~(cosO)图2地心偶极子磁场示意图(2)地磁要素有6项，即曰在3个地理坐标轴上的z=一∑∑(n+1)(gmcosmA+si)(cosl9)分量、y、z以及H、6、。要确定出地磁场的强度n=lmO和方向，至少需要测出3个相互独立的地磁要素，其(3)中磁偏角6是必须要测量的。目前，只有6、、H、Z式中，A为地心经度，。；0为地心余纬度，0=90。一和曰能够直接测量。在地磁台上直接由仪器记；m、^?为内源场的高斯球谐系数；pm(cosO)为施录

8、的通常是日、Z和63个要素。密特形式的缔合勒让德函数。根据地磁场的全球模型和区域模型都可以得到自1968年以来，国际地磁和高空物理协会(IA．任意地理位置处的、y、z分量，于是可用下式计算GA)每5年给出一套全球性的国际地磁参考场(IG—出磁偏角RF)。国际地磁参考场的误差大