（油气井工程专业论文）定向井轨迹误差分析及三维可视化描述研究.pdf

e r r o r a n a l y s i so f w e l lt r a j e c t o r ya n di t sv i s u a l i z a t i o nr e s e a r c h d o c t o r a lc a n d i d a t e sn a l n e s u p e r v i s o r m a j o r u n i v e r s i t y c h e nw e i q i n g g u a nz h i c h u a n o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m a b s t r a c t i no r d e rt oc o n f i r mw e l l t r a j e c t o r yu n c e r t a i n t yc o m p l e t e l ya n de x a c t l y , t h i s d i s s e r t a t i o nh a ss e tu par e l a t i v ec o m p l e t ew e l lt r a j e c t o r ye r r o ra n a l y s i sm e t h o db y t a k i n ga c c o u n to ft h ef a c e to fv e r i f i c a t i o no fw e l ls i t e ，o fw e l lt r a j e c t o r ym e a s u r e m e n t a n do fw e l lt r a j e c t o r ys u r v e ye r r o r s b yu s eo fo o pa n do p e n g l ，t h ed i s s e r t a t i o nh a s a c h i e v e dt ov i s u a l i z et h et r a j e c t o r ya n di t su n c e r t a i n t y t h i sd i s s e r t a t i o nc o v e i ss u c h c o n t e n t s ：t h ea n a l y s i so fg e o d e t i cd a t ai n f l u e n c eo ns u r v e yc a l c u l a t i o n ，o fs u r v e y c a l c u l a t i o nm o d e le r r o r , o fm e a s u r e m e n tt h e o r yo fo r d i n a r ys u r v e yt o o l s ，o fw e l l t r a j e c t o r ym e a s u r e m e n tu n c e r t a i n t y , t h ec o l l i s i o np r o b a b i l i t ya n a l y s i s ，t h ev i s u a l i z a t i o n o ft r a j e c t o r ya n di t su n c e r t a i n t y d u r i n gt h er e s e a r c h ，s e v e r a lt e c h n i c a lf i e l d sh a v eb e e n t o u c h e d s u c h 嬲t h ee r r o rt h e o r y , t h ed r i l l i n ge n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y , t h eg e o d e t i c t h e o r ya n dt h ev i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y 1 1 1 er e s e a r c hr o u ti n c l u d e st h e o r e t i c a la n a l y s i s n u m e r i c a le x p e r i m e n t sa n do n s p o td a t at e s t s t h ed i s s e r t a t i o nh a sd r a w nt h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n s t h ea m e n d m e n to fg e o d e t i cd a t ao no r d i n a r ys u r v e yc a l c u l a t i o ni sv e r y i m p o r t a n tt ot h ev e r i f i c a t i o no fw e l lp a t hp o s i t i o n d u r i n gt h ec o u r s eo fa m e n d m e n t ，i t n o to n l yp a y sa t t e n t i o nt ok e e pt h es u r v e yd a t aa n dg e o d e t i cd a t ao fw e l ls i t ei nu n i f o r m c o o r d i n a t es y s t e m ，b u ta l s oc o n s i d e r st h ev a r i a t i o no ft w ov i t a lp a r a m e t e r s ( t h e 鲥d c o n v e r g e n c ea n ds c a l ef a c t o r ) a l o n gw e l lp a t h i fn o tc o n s i d e r i n gt h i s ，t h i sk i n do fe r r o r s h o u l db et r e a t e da sc e r t a i ns y s t e m a t i ce r r o r s o t h ee r r o rc o u l db ee l i m i n a t e db yu s eo f t h ea m e n d m e n tm e t h o d t h ee r r o ro fs u r v e yc a l c u l a t i o nm o d e l si sap a r to ft h e i n t e g r a t e de r r o ra n a l y s i sm o d e lo fw e l lp a t h i fb a s e do nt h es a m eo r i g i n a ls u r v e yd a t a , t h em o d e le r r o r so fd i f f e r e n to r d i n a r ys u r v e yc a l c u l a t i o nm e t h o dw o u l dt a k es i m i l a r v a r i a t i o nt e n d e n c y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw e l lt r a j e c t o r y , t h i sk i n do fe r r o rt a k e s l i n e a rv a r i a t i o nt e n d e n c y t h em o r ev a r i a t i o no fw e l lp a t h sc u r v a t u r e ，t h em o r e v a r i a t i o nt h i sk i n do fe r r o rw i l lt a k e a n dt h ef r e q u e n c yv a r i a t i o no fw e l lp a t h s c u r v a t u r eh a sl i t t l ei m p a c to nt h i se r r o r , b u tt h ev a l u ev a r i a t i o nt a k e sm u c he f f e c to ni t i ft h es u r v e yc a l c u l a t i o nt a k e sp l a c eo nt h es t r a i g h tw e l lp a t h ，t h em o d e le r r o ro fs u r v e y c a l c u l a t i o nc o u l db ei g n o r e d t h ee r r o rd i s t r i b u t i o n d e n s i t yf u n c t i o no fd i f f e r e n t o r d i n a r ys u r v e yc a l c u l a t i o nc o u l dt a k eu n i f o r mf o r m u l ab ys t a t i s t i c a la n a l y s i si nr e l a t i v e l a r g es a m p l i n gs p a c e t h i sd i s s e r t a t i o na l s om a k e st h em e a s u r e m e n te r r o ra n a l y s i s m o d e lo fw e l lp a t hm o r ei n t e g r a t e d b e s i d e si n c l u d i n gt h ee l i m i n a t i n gm e t h o df o r c e r t a i n s y s t e m a t i c e r r o r , t h ea n a l y s i so fu n c e r t a i n s y s t e m a t i c e r r o ri sm o r e c o m p r e h e n s i v ea n da l s ot h ee r r o ro fm i s a l i g n m e n tb e t w e e ns u r v e yi n s t r u m e n ta n dw e l l t r a j e c t o r yi sr e g a r d e da sak i n do fr a n d o me r r o r b a s e do nt h ee x i s t i n gc o l l i s i o n p r o b a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o do fw e l lt r a j e c t o r i e s ，t h er e s e a r c hi n d i c a t e st h ec o v a r i a n c e m a t r i xo fw e l lp a t hp o s i t i o nu n c e r t a i n t yt a k e sl i n e a rv a r i a t i o nt e n d e n c y a c c o r d i n gt o t h i sc o n c l u s i o n ，t h ei n t e r p o l a t i o nm e t h o df o rw e l lp a t hp o s i t i o nu n c e r t a i n t yi sf o u n d e d a n da b l et oa n a l y z ec o l l i s i o np r o b a b i l i t yb e t w e e na n yp o s i t i o n so ft w ow e l lt r a j e c t o r i e s d u r i n gt h e r e a l i z a t i o np r o c e s so fv i s u a l i z a t i o no fw e l lt r a j e c t o r ya n di t s p o s i t i o n u n c e r t a i n t y , a n e wc o n c e p tn a m e do f t h ec o n t o u rs u r f a c eo fw e l l p a t hp o s i t i o n u n c e r t a i n t y ”i sf o r m e d t h ei n n o v a t i v ep o i n t so ft h i sd i s s e r t a t i o nc o v e rt h ef o l l o w i n g f o u ra s p e c t s t h ef i r s ti st h a tar e v i s e da l g o r i t h mf o rs u r v e yc a l c u l a t i o ni sf o r m e db y c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fg e o d e t i cd a t a a n di tl a y sf o u n d a t i o nf o ro n g o i n gi n t e g r a t e d e r r o ra n a l y s i so fw e l lp a t h t h es e c o n di st h a tt h ed i s s e r t a t i o nc a r r i e so u tc o m p r e h e n s i v e a n ds y s t e m a t i ca n a l y s i so fm o d e le r r o ro fo r d i n a r ys u r v e yc a l c u l a t i o nm e t h o d s t h e a n a l y s i sg a i n st h eu n i f o r me r r o rd i s t r i b u t i o nd e n s i t yf u n c t i o na n dc o v a r i a n c em a t r i xf o r o r d i n a r ys u r v e yc a l c u l a t i o nm e t h o d s t h et h i r di st h a tt h eo r i g i n a lu n c e r t a i ns y s t e m a t i c e r r o ra n a l y s i sm o d e li sa m e n d e db yt a k i n gm o r ee r r o rs o u r c e si n t oa c c o u n t a n dt h e m i s a l i g n m e n te r r o ri st r e a t e da sa k i n do f r a n d o me r r o r a n da ni n t e g r a t e de r r o ra n a l y s i s m o d e li ss e tu p a l s oo nt h eb a s i so ft h ea b o v ei n t e g r a t e de r r o ra n a l y s i sm o d e l ，t h e r e a l i z a t i o no fc o l l i s i o n p r o b a b i l i t ya n a l y s i s b e t w e e na n yp o s i t i o n so ft w ow e l l t r a j e c t o r i e sh a sb e e na c h i e v e d a n dt h el a s tp o i n ti st h ev i s u a l i z a t i o no fw e l lp a t ha n di t s p o s i t i o nu n c e r t a i n t yb yu s i n go o p a n do p e n g l an e w c o n c e p to f t h ec o n t o u rs u r f a c e o f w e l tp a t hp o s i t i o nu n c e r t a i n t y ”i sc o i n e d s u b j e c tw o r d s ：w e l lt r a j e c t o r y , e r r o r , s u r v e yc a l c u l a t i o n ，g e o d e t i cs u r v e y , v i s u a l i z a t i o n 独创性声明 我呈交的学位论文是在导师指导下个人进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它 学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此声明。 声明人( 签孙脚净净咱昭 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。特此说明。 说明人( 签名) ：丝i 垒ia - 墟j 指导教师( 签名) ： l 月w 定向井轨迹误差分析及三维可视化描述研究 创新点摘要 1 建立了一套考虑测地数据影响的测斜计算修正方法，奠定了后续并眼轨迹综合 误差分析的基础。该方法是利用大地测量学中的高斯投影和u t m 投影的正算和反 算方法，结合实际的钻井轨迹测量特点建立的。在注意保持井口测地数据、井眼 测斜数据、投影坐标数据之间的参考坐标系的一致性的基础上，需要解决的关键 问题是全井段上的方格收敛度和比例系数的变化。未进行此项修正而产生的井眼 位置误差属于己定系统范畴。通过此方法，既可以避免钻井过程的多种测地、测 斜数据的参考系混淆，又能进一步提高定向井轨迹测斜计算的精度，从而实现了 真实描述地球体中的井跟轨迹。( 见第2 章) 2 通过数值实验和对常用的测斜计算方法误差进行量化对比分析，得出了井眼轨 迹测斜计算误差的统计分布规律为：测斜计算误差随测深呈线性变化；井眼曲率 变化的幅值与测斜计算方法误差大小成正比；常用测斜计算方法可以采用统一的 误差分布密度函数表达。并给出了相应的误差分布特征、误差分布密度函数和协 方差矩阵。为建立综合误差分析模型奠定了基础。( 见第3 章) 3 。通过考虑测斜仪本身精度和钻井液磁化干扰对井眼轨迹测量误差的影响，完善 了原有的井眼轨迹测量未定系统误差分析模型，丰富了误差源参数，并将测斜仪 与井眼轴线的不对中误差纳入到随机误差范畴。建立了完整的井眼轨迹综合误差 分析模型，并在此基础上形成了全井段任意位置之间的井眼轨迹交碰概率分析方 法。利用该方法，可定量描述并眼轨迹位置的不确定分布范围和相应的概率分布， 满足特殊工艺井的井眼轨迹监测要求、提高井眼轨迹的描述精度。( 见第5 、6 章) 4 通过结合面向对象技术和可视化技术，实现了井眼轨迹和井眼轨迹误差的可视 化描述，并在此过程中提出了“井眼轨迹误差包络曲面”的概念，给出了具体的 分析和实现方法。建立了一种可直观体现井眼轨迹误差的描述手段。利用该手段， 可使得井眼轨迹位置的不确定分布以图形图像的形式更直观地展现出来，成为进 一步准确监测井眼轨迹、防碰扫描以及实时调整建井方案的有效途径。( 见第7 童) 第1 章引言 1 1 研究目的和意义 第1 章引言 建井过程中，井跟轨迹质量的好坏直接关系着钻井施工的整体质量，如果并眼 轨迹质量差，很可能会造成卡钻或施加钻压困难的情况发生，特别是对于大位移 井。而井眼轨迹的测量、井眼轨迹位冒参数的确定与描述是复现井眼轨迹的最有 力的方法。 如今，特殊工艺井的应用越发广泛。首先，随着油阳开发后期对于井网布置要 求的提高，丛式井的增多，井间扫描和防碰已经越来越受到人们的重视。第二， 对于老油阳。需要通过小井眼特殊工艺技术来提高油气采收率。进行小井眼侧钻 钻井时，对丌窗点的定位和随后的侧钻井眼的轨迹控制也是要求非常精确的，这 就要求对原有的井眼和侧钻的新井眼的轨迹测量能达到足够的精度才能实现既定 的作业目标。第三，为了进一步提高油田的产量，目前，薄油藏的开发也进入了 一个新的阶段，而t f 是由于薄油藏本身的空l 日j 特点，对井眼轨迹的位置精度要求 同样很高。除了丌发陆地油气用外，海洋油气资源的勘探丌发也已进入了一个新 阶段，目前，丌发诈向着更深更远的目标发展。水平井、大位移井和海上丛式井 的应用越来越广泛，由于这些钻井作业的中靶精度要求达到矢量中靶，因此，对 井眼轨迹误差分析与描述必将有助于更顺利、有效地促进陆上油气f 开的后期开发 和开发近海、深海油气用。除了进行币常的钻井作业，如果需要进行事故处理， 如救援井作业，那么井眼轨迹的位置精度问题也是至关重要的问题之一。可见， 井眼轨迹的测量和分析，对于油用整体丌发具有重要作用。 j 下是在这些背景条件下，本课题通过研究，力求从井位确定、测斜计算、测量 误差三个方面综合考虑各种因素的作用，建立起较完整的井眼轨迹的误差分析方 法，并通过三维可视化的手段进行直观描述。 1 2 国内外研究现状及分析 总体来讲，目前，还没有完整的关于井眼轨迹误差分机的研究结果出现，已 有的研究成果都是只对轨迹误差分析的某一部分进行了研究”，而且，研究多是 对单点进行的，对轨迹误差的传播性的分析尚很欠缺。虽然国外某些公司已经研 发出了分析井眼轨迹测量误差的力j 法和软件，但是。出于技术保密的原因，国内 在进行相关分析的时候，只能是购买和租用这些技术成果，成本高而且得到的数 第1 章引言 掘并不完善，无法进行更为深入的分析研究。因此，为了更好地为我国的油气资 源丌发提供技术服务，对井眼轨迹误差地系统分析和综合描述就显得十分必要。 下面就将有关轨迹误差分析的相关研究进展情况做一简单总结与分析。 1 2 1 井眼轨迹弯曲和挠曲参数 根掘l u b i n s k i 、韩志勇【”1 、刘修善17 1 、高志强、辛俊和【、郑斐2 0 1 的研 究成果，井眼轨迹的空日j 形念可以用两个参数加以描述：弯曲参数和挠曲参数。 弯曲参数的计算主要是微分几何法、l u b i n s k i 法。 挠曲参数的计算按照刘修善得出的方法予以计算。他利用微分几何中的“活 动杯架”的概念，推导出了计算挠曲参数的方法。 1 2 2 测斜计算 鉴于目前已有的测斜计算方法繁多【”2 卜3 “，并且有些计算方法的应用并不广 泛，因此只对其中常用的5 种进行简要的介绍。下面是它们的理论假设。 表1 1 常h 洲斜计算方法的理论假设 测斜计算方法理论假殴 平均角法测段为直线，该百线方向为上 两删点处，t 眼方向的久肇雨i 平衡正切法 翌# 絮竺翁妥嚣焉翼嚣凳篙二妻的直线构成的折线，它们的方向分别与 校止平均角法 鬻凳釜；蔷磊荔螺旋角的圆干 螺线，螺线在两端点处与上、”一测点处 最小曲率法 鬻嚣是平面上的一段圆弧圆弧在两端点处与上f 一测点的，r 眼方向线 弦步法同最小曲率法 可见，现有的测段计算方法均是在一定的数学近似的基础上进行测段参数计 算的。因此在测斜计算过程中存在着测斜计算模型带柬的误差。 1 2 3 测量误差分析 国内外的研究表明，井眼轨迹的误差主要来自测量误差和计算轨迹的数学模 型误差两个方面，在量值上，以测量误差为主1 7 母】。 早期的误差分析理论是w d w 误差模式，是由c j m w o l 行和j p d ew a r d t 于1 9 8 1 年提出的f 9 l ，基丁系统误差理论的井眼轨迹测量误差分析方法。该理论所 研究的对象是基于磁性罗盘或自由陀螺的仪器，在测量直井和中等斜度井时，测 量系统误差引起的井眼位霄的不确定性，主要假设有： 2 第1 章引言 对于确定的测量类型，其误差主要是系统误差。即对于某种特定的测量仪器， 所出现的误差始终不变，并按一定的规律变化。 在东、北和垂直方向的坐标系中，井眼轨迹和各测量位冒误差之| 日j 的基本关系 为一矢量式。 w o l f f 和d ew a r d t 的研究发现，按照井眼曲率的变化是否明显，可将误差分析 分为两种：非线性误差分析和线性误差分析。前者适用于井眼曲率变化较大的情 况，后者则适用于直斜井的情况。 w d w 误差模式主要是针对测量误差计算的，原因是两学者认为测斜计算方法 所引起的误差要比测量方法所引起的误差小得多，所以将测斜计算方法误差忽略 了。 后来，董本京等学者对经典的w d w 误差模式提出了自己的看法 4 1 ，认为此模 式己不适合现代钻井的需要，需要进行修正，并指出了w d w 模式所存在的八种缺 陷。同时，董本京等学者在自己研究的基础上，总结出了七个误差来源。 此外，葛云华也提出了误差椭球的求解方法和相应的误差源分析 3 5 】，并提出 了八种井眼轨迹测量误差源。 柳贡慧、董本京等人在2 0 0 0 年1 5 1 对井跟轨迹的误差椭球的计算也提出了自己 的演绎过程，大体与上面讲述的方法相似，只是在推导误差椭球计算公式时，柳、 董等学者很明确的提出“在井眼轨迹测量领域中，通常假定井眼位霄坐标是服从正 念分却的”这一假设，在此基础上，他们得到的井眼位置在三维空问内的正态分布 概率密度函数。同时，得到了误差椭球置信因子a 的计算公式和误差椭圆的基本方 程。但柳、董学者所得到的误差椭球基本参数的计算式与葛云华所得到的计算式 是相同的。两位学者还在误差椭球的基础上，进一步分析了井眼位霄落入相应误 差椭球( 圆) 内的概率。 以上这些关于井眼轨迹测量误差的分析，都是集中在单个测点上或某深度位 置上的。如果，将对单点的误差分析延拓到整个井跟轨迹曲线上，那么，将会得 到“误差椭圆柱”，这对于整个轨j ；坠的分析显然更有帮助。但是，进行这项工作需要 的井眼轨逊测量在不同深度位置上的误差传播计算，从而需要分析在测量过程， 测量仪器的工具面角参数的变化情况。这方面的研究并没有得到具体的实现。 乐识非对陀螺测斜仪的工具面角的计算做了一些研究【3 6 1 。他从陀螺罗盘测角 的原理出发，分析了双加速度计和双轴速率陀螺中在井斜角很小的情况下( 小于3 度) 准确依靠现有的数掘和重力高边数掘计算工具面角的方法。 第1 章引言 t h o r o g o o d 在研究井眼轨逊测量误差时，发现深度测量误差项会影响到角度测 量的误差】。由于深度测量误差本身是具有系统性的，因此，所造成的角度测量 上的误差( 井斜角、方位角和工具面角) 也相应的表现出系统性。应用这观点， 就可以解释为什么在井眼曲率变化很大的时候，即使是对同一口井进行多次测量， 仍然会出现某一项较大的误差。 b r o o k s 和w i l s o n 研究发现【l “，在分析误差源时，不要局限在某个测量通道上， 而应该将考虑与陔测量通道相关的各种因素，例如比例系数、线性化、温度、数 字化采集等方面的误差因素。这些因素都应该考虑在误差分析模型当中。如果同 一套测斜仪在两次测量过程中问没有进行校正，则不需要引入新的系统性误差项。 而如果测量过程一经改变( 更换测斜仪或经过了仪器校难) ，那么就应该重新引入 新的系统误差项。 w i l s o n 和b r o o k s 在研究影响井眼轨迹测量的磁化干扰误差项时，发现钻井液 中的磁化干扰，对磁性测量结果的影响很大4 1 。因为目前的m w d 测斜仪中， 基本都是以磁力计作为传感器的，原来的胞工作业中，视图通过加装足够长度的 无磁钻铤来屏蔽钻柱的磁化干扰，但是，如果是钻井液中存在的磁性物质的话， 那么此项误差无法通过无磁钻铤来加以消除的。通过理论分析和现场以及室内实 验的验证，证实了在实际的钻井作业中，如果采用的是m w d 测斜方式的话，会 受到来自钻井液自身的磁化影响。这种磁化影响在混合钻井液和油基钻井液中将 会表现的更为明显。通过文中的研究发现，钻并液中的铁质来自于钻柱和套管之 间的磨损( 其实在裸眼井段，应该是钻杜与岩石之f n j 的磨损，包括钻头的磨损) 。 钻井液所造成的磁干扰问题，可以通过多重磁化修诈解决。 t o r g e i rt o r k i l d s e n 等人也对钻井液的磁化干扰做了研究1 3 7 。他们发现，实验测 得的磁化干扰要比模型预测的高，原因可能有下面几个：两圆柱体之l 日j 的轴线 对中程度的高低将直接影响介质的磁化衰减特性。越不对中，那么将会将诱导磁 场发生旋转，并且衰减得非常明显；磁性传感器的安装处的b h a 部分与岩石直 接接触。高狗腿度和b h a 、扶f 器的弯曲：井眼的低边上的岩屑沉积造成的b h a 与岩石日j 接接触；钻井液的净化措施对消除由于套管磨损所产生的磁性颗粒没 有作用；磁通门与液体之间的作用，在实验室内和现场上不同；液体的磁化 系数是随着温度和压力的变化而变化的。 1 2 4 测量基础及工具部分 由于测量工具的性能直接影响着测量结果的质量和随后的轨迹误差的分析计 算，因此，总结各种测斜工具的性能参数以及对轨迹测量误差的影响是十分必要 4 第1 章引言 的。 测斜仪先后经过了磁性单点照相测斜仪一磁性多点照相测斜仪一电子多点测 斜仪e s s 一有线随钻测斜仪s s t m w d 一高精度陀螺测斜仪一惯导系统的发展过 程【2 站州】。可以况，在保证了测量精度不断提高的条件下，逐步做到了随钻测量、 及时测量。很多资料上都介绍了不同类型的测斜工具的使用情况。 测量工作时的参考标准都是以大地为基础的，都与地球参考系有直接的关系。 但是，实际作业过程中，许多人为误差的出现都与测量参考基础与数据转换中的 基础不同造成的，不少专家学者对这方面也做了一定的研究f 4 5 剐j 。 在测量数据的参照数掂转换方面，国内的周华林给出了一些说明【4 5 1 ，但没有 列出具体的转换方法。j w w r i e s t 经过研究】，指出在定向井，特别是大位移井 中，已经不能再简单的将测斜数据和并位数据建立在平面地球豹模型基础之上了， 而应该考虑在应用了曲面地球模型之后，各种参考坐标系之l 日j 的关系以及相应的 转换参数，但仍未就这些参数的计算详细探讨。h _ s w i l l i a m s o n 和h fw i l s o n 等 人就定向钻井过程常用的几种数据参照坐标系予以了详细说明i 幢4 8 删，也提出应 该在计算井眼位置时，正确的转换不同参照系下的数据，同样的。他们也未能就 如何具体计算这些参照系之日j 的转换参数做足够的说明。从这些资料上看，现代 先进的钻进工艺中，已经频繁的使用着不同的参照系下的各种数据进行井限位置 的计算，丽且应改将这些计算纳入统一的坐标参照系内，但是具体如何进行转换， 现有的资料并不能给出满意的答案。 测量工具的性能也是测量基础中的一个重要方面。张守钦结合目前胜利油田中 的测斜仪的使用情况，给出了常用的几种测斜仪的性能参数1 6 j 。 表l - 2 常州的儿种；9 1 1 i 斜仪的性能参数 并提出了影响水平井测量精度的因素：1 钻具结构及其受力状态：2 井眼形状： 3 , n m d c 及加长打长度；4 不同的测量方式；5 套管鞋磁场对磁性测量仪器的影响。 5 第】章引言 1 3 课题研究目标、研究内容及拟解决的关键问题 1 3 1 研究目标 建立一套能够综合分析定向井井服轨迹误差的方法，并进行三维可视化描述。 1 3 2 研究内容 从以上简要的对国内外在定向井井眼轨迹误差分析方面的研究进展情况的介 绍中可以看出，虽然已有的关于井眼轨迹误差分析所做的研究比较多，但是，各 种研究普遍存在着缺乏系统研究的问题，有些研究还缺乏细化研究、量化研究。 因此，要想比较圆满的定量的分析和描述现阶段技术条件下的井眼轨迹误差分布， 进一步进行系统化的研究是十分必要的。 鉴于影响井眼轨迹误差的因素很多，而且各种因素的协同作用的机理也比较 复杂，因此，本项目拟定在以下几个方面柬具体实施研究工作。 课题的研究内容 包括：( 1 ) 测地数据的转换以及对于井眼轨迹误差的影响分析；( 2 ) 井眼轨迹 测斜计算方法误差对比分析研究；( 3 ) 现场测斜作业数据的采集、工具的资料整 理；( 4 ) 轨迹测量误差的分析；( 5 ) 井眼交碰概率分析； ( 6 ) 井眼轨迹误差的 三维可视化描述。 ( 1 ) 测地数据的转换以及对于井眼轨迹误差的影响分析 针对不同的测地数据的参考系，合理、萨确地进行数掘转换计算，准确的确 定各种转换中| 日j 参数和使用范围，使得施工在统一的参考系下进行。这其中包括 以下具体内容： 钻井过程中常用的地球参考系和投影图的投影机理； 工程参数网、高斯一克吕格投影参数网、u t m 投影参数网和本地参数网之 间的转换参数的确定： 分析已有的井网的参照数掘以及在施工中所造成的误差； ( 2 ) 井眼轨逊测斜计算方法误差研究 对已有的多种井眼轨迹测段计算方法进行类比总结，选择适合实际施工的方 法，并分析计算误差对整体井眼轨迹误差的影响。具体内容有： 现有的测段参数计算方法的对比分析； 测斜计算误差对轨迹误差的影响研究； 6 第1 章引言 ( 3 ) 现场测斜作业数据的采集、工具的资料整理 原始的测斜数掘对进行误差分析的数值实验具有重要作用，同时，清楚的了 解实际作业中所使用的工具工作参数和测量操作规程以及测斜仪测斜原理，也是 分析测量误差中必不可少的环节之一。具体内容有： 结合胜利油用的现场定向井作业情况，采集相关的测斜数掘资料，为进行 轨迹误差分析和描述奠定基础； 采集目前常用的测斜仪器的性能参数，为进行测量误差分析做准备； ( 4 ) 轨迹测量误差的分析 这一部分的分析是整个井眼轨迹误差的核心部分。根据已有的研究成果，进 一步进行完善，具体的研究内容包括： 测斜工具的测斜原理研究，为确定工具测量误差源奠定基础； 根据现场取得的测斜工具的性能参数和利用其他途径获得的工具参数，从 工具的角度对影响井眼轨迹测量误差的误差源进行研究； 根据钻井作业的整体作业环境，研究影响轨迹测量误差的其他因素； ( 5 ) 井眼交碰概率分析 在建立的井眼轨迹综合误差分析的基础上，进行两井之间的井眼交碰概率分 析，给出具体的方法，并利用实测数据进行验证。 ( 6 ) 井眼轨迹误差的三维可视化 根据前面已经进行的各项研究成果，建立井眼轨迹误差的三维可视化描述方 法，并编制相应的程序。利用现场实测数掘进行分析，对模型进行必要的修正， 以期达到较为满意的应用效果和的景。 1 3 3 拟解决的关键问题 根据以上所述的项目研究内容，论文的研究目标是在充分的调研使用钻井测 斜施工资料和相关井眼轨迹误差分析资料的基础上，从数学机理上对影响井眼轨 迹误差的各种因素进行定量分析，建立能够完整、准确描述定向并井眼轨迹误差 的模型，并利用实测数掘进行算例分机。这其中需要解决的关键技术问题包括： ( 1 ) 测地数据误差对轨迹误差的影响： ( 2 ) 测段计算方法对轨迹误差的影响： 7 第】章引言 ( 3 ) 轨迹测量误差的分析方法的建立； ( 4 ) 井眼轨迹误差传递性的综合分析方法的建立； ( 5 ) 井眼轨迹误差三维可视化描述。 1 4 研究方案 本项目主要是采用理论分析、数值实验、现场实测数据实例分析相结合的方 式进行研究。涉及到的理论工具主要是误差分析理论、钻井工程理论、大地测量 学、可视化技术。研究所采用的技术路线主要分为四个阶段：理论分析一建立方 法，编制程序一数值实验分析一现场施工数据的采集一实测数据应用。它们之间 的具体关系如下图所示。 第1 章引言 理论分析 。测地数据的转换算法 0 测地数据的误芹分析 0 测斜计算方法的比较 0 测段计算方法误芹分析 。测斜t 具测斜蟓理研究 。测斜t 具误芹源分析 综合井眼轨迹误芹分析 现场施工数据采集与整理 。现场测斜数据采集与帮理 。测斜仪器性能参数的莽理 程序模块的实现 。测地数据转换计算和误斧 分析模块 。测段计算方法对比模块 。测段t 算方法误差分析模 块 。轨迹测角系统误芹分析模 块 轨迹测嚣随机误芽分析模 块 。综合误芹分析模块 图1 1 论文的研究技术路线示意图 9 数值实验分析 井眼轨迹及误差 三维可视化描述 l 够 1 l 实测数据应用 第2 章测地数据的转换算法以及对r 升眼轨迹计锋的影响分析 第2 章测地数据的转换算法以及对于井眼轨迹计算的影响分析 钻井测斜时一般都是将井口作为参考坐标系的原点，并将得到的测斜数掘作 为常规的笛卡尔坐标系中的数掘进行应用，实际上由于地球表面并非平面，这种 做法会导致测斜计算得到的井眼位置并不是真正意义上的三维直角坐标位置。本 章将针对不同的测地数据参考坐标系，合理进行数掘转换，保证井口测地数据和 测斜数掘在相同地参考系下进行，其中具体内容将包括钻井过程中使用的地球参 考系和投影图投影原理，工程参数网、高斯克吕格投影参数网、u t m 投影参数 网和本地参数网之间地转换参数地确定，测地数掘修f 对井眼位置确定的影响分 析。 2 1 钻井过程中常用的地球参考系和投影图的投影原理简介 2 1 1 常用的地球参考系简介 通常提到的地球上的点位表示方法是经纬表示法，这种表示方法的基准参考面 实际上就是国家参考椭球面，即国家参考椭球面是国家大地测量计算的基准面。 这罩有几个概念必须要先解释下。 ( 1 ) 大地水准面 大地水准面是具有物理意义的地球形状的一种表达。在一定的假设条件下，若 把平均海水平面看作为只受重力作用的自由运动的匀质流体达到平衡状态后的一 个面，那么它就成为地球重力场中的一个等位面，设想将其延伸至大陆下面，就 形成了一个连续闭合的曲面，它具有水准面的全部特性，即为大地水准面。 ( 2 ) 参考椭球面 参考椭球面是最佳拟和于区域性大地水准面的旋转椭球面。之所以提出参考椭 球面的概念，是因为大地水准面比实际地球表面光滑得多，但是，若要进行数学 表达则仍然非常复杂，因此，利用椭球面这一规则的几何体来近似表示大地水准 面是必要的。但由于各个国家和地区采用各自的区域性大地水准面，因此，最佳 拟和于某一区域大地水准面的旋转椭球面，一般爿称之为参考椭球面。国家参卡 椭球面作为国家大地测量计算的基准面，其椭球几何元素的选定以及椭球的定位 和定向的确定是和国家大地坐标系的建立有着密切的关系。由此确定的参考椭球 面只适合于所在的局部区域。由于在椭球中心位詈的确定中并不要求与地球质心 ( 地心) 相一致，因此椭球中心与地心之间往往存在较大的偏离。国家参考椭球 0 第2 章测地数据的转换算法以及对于井眼轨迹计算的影响分析 面除了作为国家大地测量计算的基准面以外，还作为地图投影的参考面。 ( 3 ) 平均地球椭球 平均地球椭球是最佳拟和于全球大地水准面且为正常位面的旋转椭球面。根据 平均地球椭球的定义，它具有以下特点： 为正常椭球，其表面正是等位面，其上与大地水准面上具有相同的重力位； 其中心与地心重合，总质量等于地球的质量； 作为旋转轴的短轴与地球旋转轴重合，并具有与之相同的角速度； 其正常重力场具有地球重力场相同的二阶带谐系数。 全球定位系统所对应的w g s 8 4 椭球就是一个平均地球椭球。 ( 4 ) 地球坐标系 地球坐标系就是固定在地球并和地球一起自转和公转的坐标系。 ( 5 ) 地心坐标系和参心坐标系 根据所选取的坐标原点不同，地球坐标系可分为地心坐标系和参心坐标系，前 者坐标原点与地球质心相重合；后者的坐标原点则偏离于地心，而重合于某个国 家、地球所选用的参考椭球的中心。 地球坐标系的建立与地球椭球的选取有着十分密切的联系。对于协议地球坐标 系，最好设置平均地球椭球与其相对应，而参心坐标系则直接源自于参考椭球。 2 1 2 地图投影概述 2 1 2 1 地图投影的意义 可以直接在地球椭球面上进行大地坐标的计算，但是，过程相当繁琐。为了进 行测量定位和测制绘图的需要，需要将地球椭球面上的各个元素( 包括坐标、方 向和长度) 按照一定的数学法则归算( 投影) 到某个平面，这就是地图投影。椭 球面上的点位坐标( e 三) ( 其中口表示大地纬度，上表示大地经度) 与投影平面上 的点位坐标( t 力应有一一对应的关系，即： 工= e ( 占，l )( 2 1 ) y = e p ，l )( 2 - 2 ) ( 2 1 ) 、( 2 - 2 ) 式即为投影方程。从应用需要出发，确定地图投影的种类和性质，得 1 1 第2 章测地数据的转换算法以及对丁升眼轨迹计算的影响分析 出相应的投影方程，就能实现大地坐标与平面直角坐标之问的转换，测制符合某 种需要的地图。 2 1 2 2 钻井过程中使用到的地图投影 ( 1 ) 高斯一克吕格投影 高斯一克吕格投影按照投影变形的性质来说，属于正形投影。正形投影就是使 椭球面上的微小图形投影后保持形状相似的一种投影。这就要求在任一投影点上 各个方向的长度比保持相同，但不同点的长度比可以不同。由于变形椭圆上的两 个主方向上的长度比相等，即日= b ，而成为一个微分圆，因此，正形投影也就是 等角投影，亦即在同一个点上所有的投影角度均与椭球面上的相应角度保持