浅析目前苏里格气田及时更新地磁模型的必要性
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摘要：本文中，主要论述了目前苏里格气田中采用地磁模型已多年未得到及时更新，且在定向井轨迹计算中一直未考虑子午线收敛角校正，在随着苏里格气田水平井施工常规化、密集化，已逐渐显现出其对井眼轨迹的不利影响，如果不能得到足够重视，今后会给相应的施工带来一定的困难。文中介绍了地磁模型的基本概念、子午线收敛角的概念、定义和性质，介绍了子午线收敛角的计算方法，最后介绍了在定向井轨迹计算中进行子午线收敛角校正的方法。希望苏里格气田尽快更新目前地磁模型。
关键词：水平井；国际地磁参考场；子午线收敛角；方位参照系转换；
随着近年钻井技术的进步，苏里格气田所施工水平井已逐渐常规化、密集化，且水平位移在逐年增加，很多水平井设计水平段1500m左右，且随着布井密度增加，这样目前苏里格所采用的地磁模型已明显不能满足施工要求。
本文的目的在于通过分析及实例，使得苏里格气田施工技术人员能尽早意识到目前所用的地磁模型对井眼轨迹不利影响，及时对模型进行更新，以免造成今后不必要的损失。
一、地磁模型基本介绍
1、地磁模型的基本概念
地磁模型包括全球的和局部地区的两种。全球地磁场模型就是到目前为止国际地磁学与高空大气物理学协会（IAGA）的有关小组每五年给出一个国际地磁参考场” （International Geomagnetic Reference Field， IGRF）。除此之外，为了适应导航的需求，美国国家地球物理数据中心（NGDC）和英国地质调查所（BGS）共同提出世界地磁模型（World Magnetic Model， WMM），其主要目的在于实现空间和海洋磁自主导航。90%的地球主磁场可以用国际地磁参考模型（IGRF）和世界地磁模型（WMM）来描述。
局部磁场模型是一些国家研制的自己地区的地磁场模型。由于国际地磁参考场（IGRF）的误差由100多nT（有的地方达200多nT），还不能满足某些方面的需要，很多国家就开始研究自己地区的地磁场模型。局部地区的地磁场模型方面的学术问题与全球的有所不同，局部地区的地磁场模型不能采用球谐分析方法因为没有“三维”意义。
2、地磁场的长期变化情况
地磁场具有长期变化，是英国吉利布兰（Gel-librand）于1634年从英国伦敦的磁偏角变化中发现并首先提出的，后来世界许多地方也先后发现了地磁场的长期变化。地磁场长期变化是一种全球性的现象。
地磁场各种要素年均值的逐年变化。许多地磁台上各地磁要素的年均值均有缓慢而明显的逐年变化。这些要素不仅数值有变化，而且方向也有变化。这种情况反映出地磁场的长期变化不是个别台站的现象，而是全球性的。
为了给出一个全世界通用的标准，从1968年开始，国际地磁和高空大气物理协会相继讨论和通过了几个不同年代的基本磁场模型，它们被称为某某年代国际地磁参考场（IGRF-RV）。这是由于地磁场具有长期变化的特点，所以在一个模型提出来以后，每经过五年又要根据新的资料对它进行一定的修正，以提高这些参考资料的精确度。
这也就是为什么我们在使用LANDMARK、NAVIGATOR软件时，选择地磁模型会有WMM_2010、IGRF_2010之类的选择。而目前我们在苏里格地区所采用的地磁模型，数据数十年无变化，这样明显是不合理的。
二、地磁模型的重要性
1、采用收敛角必要性
目前苏里格气田采用的地磁模型，未考虑到子午线收敛角问题。而在2003年的SY/T5435-2003《定向井轨道设计与轨迹计算》新标准中，在轨迹计算中有一条很重要的规定：“井斜方位角应进行磁偏角和子午线收敛角校正。”这是我国石油天然气行业标准关于子午线收敛角校正问题的第一次明确规定。
对井斜方位角的磁偏角校正，现在施工中是没有问题的。而井斜方位角的子午线收敛角校正问题，直到现在陆上油田只有新疆、四川等少数油田及国外石油商承包区块推行应用，许多技术人员还不了解其必要性和重要性。
首先先看一个算例。如在苏47区块，有一口设计靶前距400m，水平段长 1000m 的水平井，设计靶区为左右 20m，子午线收敛角 1.93。在完钻后进行轨迹计算时，只进行了磁偏角的校正，没有进行子午线收敛角校正。假如计算结果是靶心距等于零（100%中靶），但是钻至靶点A时，实际的靶心距却是13.47m，钻至靶点B时，实际靶心距为20.21m，已经脱靶了。
这个算例说明，子午线收敛角的校正是必要的以及重要的。水平位移越大的井，越显得重要。如果是救援井，那就更显得重要了。
文献[1]介绍了一个由于磁偏角和子午线收敛角校正失误导致脱靶造成数百万美元损失的典型例子，值得我们深思。
所以在苏里格地区应及时进行子午线收敛角的校正，其对井眼轨迹的影响已十分明显和严重。
2、收敛角的基本概念
子午线收敛角（meridian convergence angle，Gauss grid convergence）又称坐标纵线偏角。在高斯投影坐标系中，地球上各点的真子午线（即经线）是彼此互不平行的，任一点都有其坐标北方向，且都与中央子午线方向相同，此坐标北方向称为“网格北（Grid North）”，用 GN 表示。同时，任一点还有其“真北（True North）”方向（沿子午线在该点的切线方向），以 TN 表示。GN 与 TN 之间的夹角，称为高斯平面子午线收敛角，通常用y表示，它们都收敛于（通过）南北两极，所以同一纬度直线上各点的方位角也不相同。
此角有正、负之分，以真子午线北方向为准，当坐标纵轴线北端位于以东时称东偏，其角值为正；位于以西时称西偏，其角值为负。某地面点此角的大小与此点相对于中央子午线的经差L和此点的纬度B有关，其角值可用近似计算公式y=AL·sinB计算。
在一个投影带内，高斯平面子午线收敛角的变化有一定规律。距离中央子午线越远，收敛角越大，在中央子午线上收敛角等于零。距离赤道线越远，则收敛角越大。在赤道线上收敛角等于零。
3、收敛角的校正
井斜方位角的测量通常使用磁性测量仪器，测得的方位角是以磁北为基准。当使用非磁性测量仪器（例如陀螺仪）时，测得的方位角是以真北为基准。可是我们定向井轨道设计和轨迹计算都使用的是高斯投影坐标系，是以网格北为基准的。所以需要把测量的磁北为基准的井斜方位角转换成以网格北为基准的井斜方位角，这项工作称为“方位角校正”，国外称为“方位参照系转换（Azimuth Conferences System Conversion）”
（1）当使用磁性测斜仪时，井斜方位角校正包括磁偏角校正和子午线收敛角校正。这两个校正应结合起来一起完成。如右图所示，方位角校正的具体方法可用公式表示：
α= Am + δ-γ
式中，α——经过方位校正之后用于轨迹计算的方位角，度；
Am——测量仪器测得的井斜方位角，度；
δ ——磁偏角，东磁偏角为正值，西磁偏角为负值，度；
γ ——高斯平面子午线收敛角，东收敛角为正值，西收敛角为负值，
（2）当使用非磁性测量仪器（例如陀螺仪）时，只进行子午线收敛角校正，校正公式为：
α= Am – γ
4、目前苏里格气田使用地磁模型情况
目前苏里格气田不仅是未进行收敛角的校正，另外一个严重不足点在于地磁模型数年未变更。经过上面介绍可知，地磁模型每五年变更一次，我院在苏里格地区施工水平井时间有近10年之久，但苏里格区块磁偏角并未变更过。下表为目前苏里格常钻区块目前所采用的地磁模型与实际的差值。（注：本次所采用的实际地磁模型为IGRF2010）
由上表可明显看出现行苏里格地区所采用的地磁模型与实际之间有较大差距，而这些差距在井位日益紧密的情况下，弊端将越来越显现出来。
下面经过一个算例可以说明问题。如在苏47区块，有一口设计靶前距400m，水平段长 1000m 的水平井，设计靶区为左右 20m，子午线收敛角 1.93，如仍然执行设计所给的磁偏角。在完钻后进行轨迹计算时，假如计算结果是靶心距等于零（100%中靶），但是钻至靶点A时，实际的靶心距却是8.4m，钻至靶点D时，实际靶心距为21m，已经脱靶了。
今后在苏里格气田将逐渐试验水平段长1500-3000m的水平井，如果按靶前距450m计算，可见钻至最后一个靶点时，偏离靶心距的距离将达到40.95-72.45m，这样不仅仅是脱靶的问题，对今后邻井的施工也带来了防碰问题。
（注：据长庆油田公司工程部文件“2011年靖边气田、靖边南、苏里格南区、南部产能建设钻采工程方案”：
水平段长度
水平段长度1000～1500m：靶前距400-450m；
水平段长度>1500m：靶前距450-500m；）
三、结论
苏里格气田目前施行的地磁模型不足之处已十分明显，不能满足苏里格气田今后大发展的需求。为今后气田钻井施工带来了隐患。应尽快对现在实施的地磁模型进行更正。亡羊补牢，为时未晚！
参考文献
[1] 韩志勇 关于子午线收敛角校正问题 石油钻探技术 2006年4期
[2] 郭凤霞， 张义军， 言穆弘 地磁场长期变化特征及机理分析 地球物理学报2007 年11 月
[3] 车振， 杨昌茂 地磁场模型理论及其应用 水雷战与舰船防护 2007 年11 月
[4] Coordinate Conversions and Transformation including Formulas International Oil and Gas Producers Association part 2 – July 2012