基于地球椭球的井间定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于地球椭球的井间定位方法，其包括：确定指北基准及井口坐标系、建立地固直角坐标系、求取井口点的地固直角坐标、确定参考井和比较井的井眼轨迹、选取参考坐标系、求取井眼轨迹的地固直角坐标及参考系坐标、获取参考点和比较点等。通过建立基于地球椭球的地固直角坐标，本发明专利技术将参考井和比较井归算到任意参考坐标系下，并提供了简洁实用的一步式算法；按最近距离和法面距离等扫描原理，分别建立了参考井与比较井的井间定位方法。本发明专利技术考虑了地球表面弯曲、子午线收敛角和磁偏角时空变化等因素影响，消除了现有井间定位技术中的存在缺陷及误差，能精准定位两井及多井间的相对位置关系。

【技术实现步骤摘要】
基于地球椭球的井间定位方法
本专利技术涉及油气井钻井
，具体而言，涉及基于地球椭球的井间定位方法。
技术介绍
丛式井的井间距离小，在设计与施工时应保持一定的安全距离，以避免井眼相碰。而救援井则期望连通事故井，以便实施压井、灭火等救援措施。可见，无论是邻井防碰还是救援井中靶，都需要计算井间距离。为便于叙述两井间的相对位置关系，常把它们分别称之为参考井和比较井。一般情况下，参考井是新设计或是正在钻进的井，而比较井是已设计或是已完钻的邻井。显然，无论是参考井还是比较井都既可以是设计轨道也可以是实钻轨迹，其计算方法本身与井眼轨迹的类型无关。为满足井眼轨迹设计、监测及控制需求，每口定向井都有自己的井口坐标系。显然，邻井防碰和救援井中靶都需要将参考井和比较井归算到同一个坐标系下，才能计算它们之间的距离。为方便，一般将比较井归算到参考井的井口坐标系下，这样不必归算参考井就使两井拥有了共同的坐标系。现有技术是基于地图投影原理来进行井眼定位，明显存在一些缺陷：(1)将大地水准面看作是水平面现有技术将大地水准面或似大地水准面看作是水平面，采用水平面定位和垂向定位相结合进行空间定位，并且二者互不相关。但事实上，大地水准面接近于椭球面，并非平面。在很小的区域内，大地水准面可近似为水平面，但并不存在严格意义上的水平面。例如，假设在赤道和北极分别打两口直井，现有技术认为这两口井将平行向下钻进。但实际上，这两口直井应相互垂直而非平行，且越来越靠近并相交于地心。因此，在定位参考井与比较井之间的相对位置关系时，现有技术明显存在偏差。(2)地图投影变形导致井间定位存在误差投影变形是地图投影的固有缺陷，任何地图投影方法都不可避免地存在长度、方向、角度或面积变形甚至多种变形共存。因此，基于地图投影坐标进行定位，必然存在误差。(3)没有考虑子午线收敛角和磁偏角沿井眼轨迹的变化现有技术以网格北作为指北基准建立井口坐标系，并进行井眼轨道设计与监测。在将实钻轨迹归算到井口坐标系时，必然用到子午线收敛角和磁偏角等参数。但是，子午线收敛角与地理位置有关，磁偏角还与测量时刻有关，所以它们沿井眼轨迹变化，而现有技术采用井口处的子午线收敛角和磁偏角来归算全井的井眼轨迹，显然存在误差。总之，现有技术明显存在缺陷和误差，不能准确地定位井间的相对位置。
技术实现思路
本专利技术为解决上述技术问题，提供了一种基于地球椭球的井间定位方法。该方法包括：S1、确定指北基准并基于地球椭球建立参考井和比较井的井口坐标系，其中比较井为一个或多个；S2、以地球椭球中心为原点建立地固直角坐标系；S3、根据所述比较井和参考井的井口点的大地坐标求取所述井口点在所述地固直角坐标系下的地固直角坐标；S4、按预先确定的指北基准及井口坐标系来归算所述参考井和比较井；S5、选取参考坐标系，将所述参考井和比较井归算到所述参考坐标系下，对于所述参考井和比较井上任一点的归算步骤包括：S6、基于任一点在所述井口坐标系下的坐标求取该点在所述地固直角坐标系下的地固直角坐标；S7、基于所述地固直角坐标求取所述参考坐标系下的参考系坐标；或者S8、联合求取所述地固直角坐标和所述参考系坐标，用一步式算法将所述参考井和比较井从各自的井口坐标系归算到参考坐标系下；S9、在所述参考井上选取参考点，并按规则确定出所述比较井上的比较点，从而确定参考坐标系下所述参考点和比较点之间的相对位置，实现井间定位。根据本专利技术的基于地球椭球的井间定位方法，在一个实施例中，具体说在步骤S3中，可按照以下方法来求取参考井和比较井的井口点在地固直角坐标系下的地固直角坐标：其中式中：a为地球椭球的长半轴，单位m；b为地球椭球的短半轴，单位m；e为地球椭球的第一偏心率，无因次；RN为卯酉圈的曲率半径，单位m；L为大地经度，单位(°)；B为大地纬度，单位(°)；h为大地高，单位m；X、Y、Z为地固直角坐标O-XYZ下的坐标，单位m；i为油气井序号，参考井i＝1，比较井i＝2。对于具体的地球椭球，参数a、b和e均为常数。根据本专利技术的基于地球椭球的井间定位方法，在一个实施例中，具体说在步骤S1和S4中，采用真北方向作为指北基准，在参考井和比较井的各自井口坐标系下，先将方位角归算为真方位角，然后再用真方位角计算其坐标值，便将参考井和比较井归算到以真北为指北基准的井口坐标系下：当参考井或比较井为设计轨道且基于地图投影的纵横坐标进行井眼轨道设计时，由于此时设计轨道的指北基准为网格北，所以应按如下公式将网格方位角φG归算为真方位角φ，φ＝φG+γ当参考井或比较井为实钻轨迹时，由于利用MWD等仪器所测得的方位角一般为磁方位角φM，所以应按如下公式将磁方位角φM归算为真方位角φ，φ＝φM+δ式中：φ为真方位角，单位(°)；φG为网格方位角，单位(°)；φM为磁方位角，单位(°)；γ为子午线收敛角，单位(°)；δ为磁偏角，单位(°)。根据本专利技术的基于地球椭球的井间定位方法，在一个实施例中，具体说在步骤S5～S7中，可任意选取一个参考坐标系，然后将参考井和比较井分别归算到所述的参考坐标系下，以便实现井间定位。例如，当参考坐标系为参考井的井口坐标系时，依次使用如下计算公式，可将比较井上任一点Q归算到参考坐标系：式中：(N2Q，E2Q，N2Q)为比较井上Q点在比较井井口坐标系O2-N2E2H2下的坐标，单位m；(XQ，YQ，ZQ)为比较井上Q点在地固直角坐标系下的坐标，单位m；(N1Q，E1Q，H1Q)为比较井上Q点在参考井井口坐标系O1-N1E1H1下的坐标，单位m。根据本专利技术的基于地球椭球的井间定位方法，在一个实施例中，具体说，在步骤S8中，为将参考井和比较井归算到所述的参考坐标系，本专利技术提供了简洁实用的一步式算法：其中根据本专利技术的基于地球椭球的井间定位方法，在一个实施例中，具体说，在步骤S9中，对于选定的参考点P，按最近距离和法面距离等扫描原理，分别建立了比较点Q的获取方法，进而可实现参考井与比较井之间的井间定位。当按最近距离进行井间定位时，用如下公式确定对应于参考点P的比较点Q：(NQ-NP)sinαQcosφQ+(EQ-EP)sinαQsinφQ+(HQ-HP)cosαQ＝0当按法面距离进行井间定位时，用如下公式确定对应于参考点P的比较点Q：(NQ-NP)sinαPcosφP+(EQ-EP)sinαPsinφP+(HQ-HP)cosαP＝0式中：N为北坐标，单位m；E为东坐标，单位m；H为垂深坐标，单位m；α为井斜角，单位(°)；φ为真方位角，单位(°)。本专利技术的有利之处是，通过建立基于地球椭球的地固直角坐标，本专利技术将参考井和比较井归算到任意参考坐标系下，并提供了简洁实用的一步式算法；按最近距离和法面距离等扫描原理，分别建立了参考井与比较井的井间定位方法。本专利技术考虑了地球表面弯曲、子午线收敛角和磁偏角时空变化等因素影响，消除了现有井间定位技术中的存在缺陷及误差，能精准定位两井及多井间的相对位置关系。由于本专利技术不涉及地图投影问题，因此不存在地图投影的缺陷及误差，从根本上解决了现有技术中存在的关键技术问题。采用本专利技术的方法能精准定位井间的相对位置，为涉及邻井防碰和救援井中靶等钻井设计与施工提供了关键技术。本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于地球椭球的井间定位方法，其特征在于，所述方法包括：S1、确定指北基准并基于地球椭球建立参考井和比较井的井口坐标系，其中比较井为一个或多个；S2、以地球椭球中心为原点建立地固直角坐标系；S3、根据所述比较井和参考井的井口点的大地坐标求取所述井口点在所述地固直角坐标系下的地固直角坐标；S4、按预先确定的指北基准及井口坐标系来归算所述参考井和比较井；S5、选取参考坐标系，将所述参考井和比较井归算到所述参考坐标系下，对于所述参考井和比较井上任一点的归算步骤包括：S6、基于任一点在所述井口坐标系下的坐标求取该点在所述地固直角坐标系下的地固直角坐标；S7、基于所述地固直角坐标求取所述参考坐标系下的参考系坐标；或者S8、联合求取所述地固直角坐标和所述参考系坐标，用一步式算法将所述参考井和比较井从各自的井口坐标系归算到参考坐标系下；S9、在所述参考井上选取参考点，并按规则确定出所述比较井上的比较点，从而确定参考坐标系下所述参考点和比较点之间的相对位置，实现井间定位。

【技术特征摘要】
1.一种基于地球椭球的井间定位方法，其特征在于，所述方法包括：S1、确定指北基准并基于地球椭球建立参考井和比较井的井口坐标系，其中比较井为一个或多个；S2、以地球椭球中心为原点建立地固直角坐标系；S3、根据所述比较井和参考井的井口点的大地坐标求取所述井口点在所述地固直角坐标系下的地固直角坐标；S4、按预先确定的指北基准及井口坐标系来归算所述参考井和比较井；S5、选取参考坐标系，将所述参考井和比较井归算到所述参考坐标系下，对于所述参考井和比较井上任一点的归算步骤包括：S6、基于任一点在所述井口坐标系下的坐标求取该点在所述地固直角坐标系下的地固直角坐标；S7、基于所述地固直角坐标求取所述参考坐标系下的参考系坐标；或者S8、联合求取所述地固直角坐标和所述参考系坐标，用一步式算法将所述参考井和比较井从各自的井口坐标系归算到参考坐标系下；S9、在所述参考井上选取参考点，并按规则确定出所述比较井上的比较点，从而确定参考坐标系下所述参考点和比较点之间的相对位置，实现井间定位。2.如权利要求1所述的基于地球椭球的井间定位方法，其特征在于，在步骤S3中，按照以下方法，求取参考井和比较井的井口点在地固直角坐标系下的地固直角坐标：其中式中：a为地球椭球的长半轴，单位m；b为地球椭球的短半轴，单位m；e为地球椭球的第一偏心率，无因次；RN为卯酉圈的曲率半径，单位m；L为大地经度，单位(°)；B为大地纬度，单位(°)；h为大地高，单位m；X、Y、Z为地固直角坐标O-XYZ下的坐标，单位m；i为油气井序号，参考井i＝1，比较井i＝2。对于具体的地球椭球，参数a、b和e均为常数。3.如权利要求1所述的基于地球椭球的井间定位方法，其特征在于，在步骤S1和S4中，采用真北方向作为指北基准，在参考井和比较井的各自井口坐标系下，先将方位角归算为真方位角，然后再用真方位角计算其坐标值，便将参考井和比较井归算到以真北为指北基准的井口坐标系下：当参考井或比较井为设计轨道且基于地图投影的纵横坐标进行井眼轨道设计时，由于此时设计轨道的指北基准为网格北，所以应按如下公式将网格方位角...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘修善，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11