[发明专利]基于地球椭球的井眼定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及油气钻探技术领域，具体涉及一种基于地球椭球的井眼定位方法。

背景技术

钻井工程师常采用井口坐标系来设计、监测和控制井眼轨道，而地质科学家采用大地坐标系来描述大地构造及储层展布形态。要适应和满足油气勘探开发需求，首先必须解决井眼定位问题。

现有技术是基于地图投影原理来进行井眼定位，根据井口和靶点的地图投影坐标进行井眼轨道设计，其指北方向为地图投影平面的坐标北。由于涉及地图投影及投影变换，所以存在一些固有缺陷，主要有以下几点：

(1)坐标系及参考基准问题

井口和靶点坐标可能由水文勘查、地球物理等部门分别提供，其参考基准、甚至包括地球椭球参数等大地坐标数据有可能不同。而钻井过程中的井眼轨道监测与控制是由定向井服务公司提供技术服务，其应用软件所采用的大地坐标系及参考基准也可能不同于前者。因缺少相应的数据审查及监管机制和行业标准，在实际工作中会存在忽视甚至误用数据的问题。

例如，当前设计或正在钻进的新井采用2000国家大地坐标系，而几十年前已完钻的邻井采用1954年北京坐标系。因这两个大地坐标系采用了不同的地球椭球，所以应进行包括大地坐标系转换在内的数据归算。然而，在实际工作中时常会忽视这种坐标系转换问题而直接进行井眼防碰等计算，致使计算结果不准确。

(2)地图投影问题

投影变形是地图投影的固有特性。基于地图投影坐标进行井眼轨道设计与监测，必然会产生误差，从而影响设计轨道设计和实钻轨迹计算的精度。此外，由于投影带内不同位置的投影变形程度不同，因此不同油井的设计与计算精度是不 同的。事实上，对于同一口油井，因投影变形而产生的误差也是沿井眼轨道变化的。

(3)地球椭球面的弯曲问题

现有技术没有考虑地球椭球面弯曲对定位的影响，从而带来了较大误差。例如，某水平井井口点的海拔高度为1000m，靶点的海拔高度为-2000m，则从井口到靶点的垂深为3000m。在现有技术中，得到这样结果的前提是：井口和靶点的海拔高度是以同一个水平面为起算基准。然而，高程是从大地水准面起算，大地水准面与地球椭球面有最佳吻合。所以，不存在绝对的“水平面”，应按地球椭球面来确定井口与靶点之间的相对位置，即应考虑地球椭球面的弯曲影响。

(4)满足勘探开发需求问题

使用地图投影坐标及子午线收敛角等参数在井口坐标系下归算井眼轨道，可以满足几何导向钻井的需求。但由于缺少井眼轨道的大地坐标等信息，不直接表征井眼轨道在地层中的行进情况，所以不便用于地质导向钻井。

因此，现有技术存在地图投影变形、没考虑椭球面弯曲等缺陷，带来了较大误差，严重影响了井眼定位精度及井眼轨道设计精度。

发明内容

本发明提供了一种基于地球椭球的井眼定位方法，其特征在于，基于地球椭球进行井眼定位，不仅消除了因地图投影变形而产生的误差，而且还考虑了地球椭球面的弯曲影响，包括以下步骤：

获取井口和靶点的大地坐标；

确定指北基准及井口坐标系；

求取井口和靶点的地心坐标；

计算井口坐标系下的靶点坐标；

设计井眼轨道。

所述确定指北基准及井口坐标系，具体为：采用真北方向作为指北基准，以井口点O为原点，建立井口直角坐标系O—NEH，其中N轴、E轴和H轴分别指向正北、正东和地心。

所述求取井口和靶点的地心坐标，具体为：根据井口点的大地坐标(h_o,L_o,B_o)和靶点的大地坐标(h_t,L_t,B_t)，分别按下式计算井口点的地心坐标(X_o,Y_o,Z_o)和靶点 的地心坐标(X_t,Y_t,Z_t)

其中，e为地球椭球的第一偏心率，R_N为卯酉圈的曲率半径，L为大地经度，B为大地纬度，h为高程。

所述计算井口坐标系下的靶点坐标(N_t,E_t,H_t)，具体按下式计算：

其中，N为北坐标，E为东坐标，H为垂深坐标。