一种基于管道长度的定向钻轨迹拟合方法及装置与流程

本发明涉及计算机领域，尤其涉及一种基于管道长度的定向钻轨迹拟合方法及装置。

背景技术：

定向钻一般多用于石油、天然气以及一些市政管道建设，由大型的定向钻机进行钻孔、扩孔、清孔等过程以后再进行管道回拖。

现行的钻孔轨迹多是凭借人工经验或者通过陀螺仪进行测量得到测出的轨迹，然而通过人工经验不能有效的得到轨迹数据，通过陀螺仪测量只能适用于新建管道，对在役管道则可用，且操作繁琐不方便，因此，设计一种对定向钻轨迹拟合的方案成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于管道长度的定向钻轨迹拟合方法及装置。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明的一个方面提供了一种基于管道长度的定向钻轨迹拟合方法，包括：s1，获取已知数据，其中，已知数据至少包括：入土点坐标、出土点坐标、水平间距、管道长度、入土角度和出土角度，其中，入土点坐标和出土点坐标为将三维坐标系数据转化成的二维坐标系体系数据；s2，利用已知数据绘制初步轨迹曲线，其中，初步轨迹曲线中包含多条光滑圆弧曲线，且多条圆弧曲线的长度符合预设长度；s3，获取管道准确长度及钻杆参数，利用钻杆参数对初步轨迹曲线进行拟合修正，得到多条拟合轨迹曲线，其中，钻杆参数至少包括：钻杆管道材质弯曲屈服强度、强度设计系数、焊缝系数以及管材弹性模量；s4，确定多条拟合轨迹曲线中符合预设条件的一条轨迹曲线为拟合后的轨迹曲线，绘制拟合后的轨迹曲线。

其中，将三维坐标系数据转化成的二维坐标系体系数据包括：将三维坐标系中入土点gps坐标(x1，y1，z1)、出土点gps坐标(x2，y2，z2)根据水平间距h，投影转化为(x，y)的二维坐标体系数据，其中，z轴方向代表高程。

其中，光滑圆弧曲线通过如下方式计算得到：根据入土点a坐标(x1，y1)、出土点b坐标(x2，y2)、入土角α、出土角β，管道长度为l，确定钻孔轨迹曲线为两个相内切的圆的两段圆弧构成，其中，两圆的圆心分别为o1(m1，n1)和o2(m2，n2)，切点为c(x3，y3)，根据如下公式求解圆心o1(m1，n1)、o2(m2，n2)以及切点c(x3，y3)的坐标所满足的关系式：

圆o1方程为：(x-m1)²+(y-n1)²＝(n1-y1)²+(m1-x1)²

圆o2方程为：(x-m2)²+(y-n2)²＝(n2-y2)²+(m2-x2)²

n1＞y1，n2＞y2

(x3-m1)²+(y3-n1)²＝(n1-y1)²+(m1-x1)²

(x3-m2)²+(y3-n2)²＝(n2-y2)²+(m2-x2)²；

将圆o1自入土点a至切点c段对应角度较小的圆弧段与圆o2自点出土点b至切点c段对应角度较小的圆弧段进行拼合得到光滑圆弧曲线。

其中，多条圆弧曲线的长度符合预设长度包括：多条圆弧曲线的长度最接近管道长度l。

其中，利用钻杆参数对初步轨迹曲线进行拟合修正，得到多条拟合轨迹曲线包括：

确定管材许用应力[σ]：[σ]＝k·η·σ；其中，σ为钻杆管道材质弯曲屈服强度，k为强度设计系数，η为焊缝系数；确定管道最小弯曲半径r满足：其中，e为管材弹性模量；根据管材许用应力[σ]以及管道最小弯曲半径r绘制多条拟合轨迹曲线。

其中，预设条件包括：拟合轨迹曲线的曲率半径在预设范围内，且拟合轨迹曲线的长度最为接近管道准确长度l。

其中，方法还包括：输出图片格式的拟合后的轨迹曲线，以及表格格式的拟合轨迹数据。

本发明另一方面提供了一种基于管道长度的定向钻轨迹拟合装置，包括：获取模块，用于获取已知数据，其中，已知数据至少包括：入土点坐标、出土点坐标、水平间距、管道长度、入土角度和出土角度，其中，入土点坐标和出土点坐标为将三维坐标系数据转化成的二维坐标系体系数据；确定模块，用于利用已知数据确定初步轨迹曲线，其中，初步轨迹曲线中包含多条光滑圆弧曲线，且多条圆弧曲线的长度符合预设长度；拟合模块，用于获取管道准确长度及钻杆参数，利用钻杆参数对初步轨迹曲线进行拟合修正，得到多条拟合轨迹曲线，其中，钻杆参数至少包括：钻杆管道材质弯曲屈服强度、强度设计系数、焊缝系数以及管材弹性模量；绘制模块，还用于确定多条拟合轨迹曲线中符合预设条件的一条轨迹曲线为拟合后的轨迹曲线，绘制拟合后的轨迹曲线。

其中，将三维坐标系数据转化成的二维坐标系体系数据包括：将三维坐标系中入土点gps坐标(x1，y1，z1)、出土点gps坐标(x2，y2，z2)根据水平间距h，投影转化为(x，y)的二维坐标体系数据，其中，z轴方向代表高程。

其中，光滑圆弧曲线通过如下方式计算得到：根据入土点a坐标(x1，y1)、出土点b坐标(x2，y2)、入土角α、出土角β，管道长度为l，确定钻孔轨迹曲线为两个相内切的圆的两段圆弧构成，其中，两圆的圆心分别为o1(m1，n1)和o2(m2，n2)，切点为c(x3，y3)，根据如下公式求解圆心o1(m1，n1)、o2(m2，n2)以及切点c(x3，y3)的坐标所满足的关系式：

圆o1方程为：(x-m1)²+(y-n1)²＝(n1-m1)²+(m1-x1)²

圆o2方程为：(x-m2)²+(y-n2)²＝(n2-y2)²+(m2-x2)²

n1＞y1，n2＞y2

(x3-m1)²+(y3-n1)²＝(n1-y1)²+(m1-x1)²

(x3-m2)²+(y3-n2)²＝(n2-y2)²+(m2-x2)²；

将圆o1自入土点a至切点c段对应角度较小的圆弧段与圆o2自点出土点b至切点c段对应角度较小的圆弧段进行拼合得到光滑圆弧曲线。

其中，多条圆弧曲线的长度符合预设长度包括：多条圆弧曲线的长度最接近管道长度l。

其中，拟合模块通过如下方式利用钻杆参数对初步轨迹曲线进行拟合修正，得到多条拟合轨迹曲线：确定管材许用应力[σ]：[σ]＝k·η·σ；其中，σ为钻杆管道材质弯曲屈服强度，k为强度设计系数，η为焊缝系数；确定管道最小弯曲半径r满足：其中，e为管材弹性模量；根据管材许用应力[σ]以及管道最小弯曲半径r绘制多条拟合轨迹曲线。

其中，预设条件包括：拟合轨迹曲线的曲率半径在预设范围内，且拟合轨迹曲线的长度最为接近管道准确长度l。

其中，装置还包括：输出模块，用于输出图片格式的拟合后的轨迹曲线，以及表格格式的拟合轨迹数据。

由此可见，通过本发明提供的基于管道长度的定向钻轨迹拟合方法及装置，可以根据已知的管道施工基础数据，如入土点坐标、出土点坐标、水平间距、管道长度、入土角度和出土角度等，将定向钻轨迹进行拟合，且拟合结果精度高。填补了水平定向钻钢质管道施工轨迹归档资料的空白，对管道的安全运行提供技术支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的基于管道长度的定向钻轨迹拟合方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的光滑圆弧曲线确定原理图；

图3为本发明实施例提供的基于管道长度的定向钻轨迹拟合装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1示出了本发明实施例提供的基于施工数据的定向钻轨迹拟合方法的流程图，参见图1，本发明实施例提供的基于管道长度的定向钻轨迹拟合方法，包括：

s1，获取已知数据，其中，已知数据至少包括：入土点坐标、出土点坐标、水平间距、管道长度、入土角度和出土角度，其中，入土点坐标和出土点坐标为将三维坐标系数据转化成的二维坐标系体系数据。

具体地，预先获取已知数据，在水平定向钻施工完成后可以得到该已知数据。其中，已知数据中：

入土点出土点坐标：施工完成记录实际管道入土点、出土点的位置坐标；

水平间距：施工完成记录入土点和出土点二者之间的实际水平间距；

管道长度：施工完成记录埋设管道的实际长度，单位精确到cm；

入土出土角度：施工完成后分别记录入土点处和出土点处的管道偏移角度。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，将三维坐标系数据转化成的二维坐标系体系数据包括：将三维坐标系中入土点gps坐标(x1，y1，z1)、出土点gps坐标(x2，y2，z2)根据水平间距h，投影转化为(x，y)的二维坐标体系数据，其中，z轴方向代表高程。具体地，由于进行二维曲线绘制，因此，假设在三维坐标系中入土出土点gps坐标为(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，z轴方向代表高程，根据水平间距h，投影转化为(x，y)的二维坐标体系。

s2，利用已知数据绘制初步轨迹曲线，其中，初步轨迹曲线中包含多条光滑圆弧曲线，且多条圆弧曲线的长度符合预设长度。

具体地，在利用已知数据绘制初步轨迹曲线时，可以假设钻孔轨迹曲线为两个相内切的圆的两段圆弧构成。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，参见图2，光滑圆弧曲线通过如下方式计算得到：

根据入土点a坐标(x1，y1)、出土点b坐标(x2，y2)、入土角α、出土角β，管道长度为l，确定钻孔轨迹曲线为两个相内切的圆的两段圆弧构成，其中，两圆的圆心分别为o1(m1，n1)和o2(m2，n2)，切点为c(x3，y3)，根据如下公式求解圆心o1(m1，n1)、o2(m2，n2)以及切点c(x3，y3)的坐标所满足的关系式：

圆o1方程为：(x-m1)²+(y-n1)²＝(n1-y1)²+(m1-x1)²

圆o2方程为(x-m2)²+(y-n2)²＝(n2-y2)²+(m2-x2)²

n1＞y1，n2＞y2

(x3-m1)²+(y3-n1)²＝(n1-y1)²+(m1-x1)²

(x3-m2)²+(y3-n2)²＝(n2-y2)²+(m2-x2)²；

将圆o1自入土点a至切点c段对应角度较小的圆弧段与圆o2自点出土点b至切点c段对应角度较小的圆弧段进行拼合得到光滑圆弧曲线。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，多条圆弧曲线的长度符合预设长度包括：多条圆弧曲线的长度最接近管道长度l。

具体实施中，根据上述几何关系式，可以求解出圆心o1(m1，n1)、o2(m2，n2)以及切点c(x3，y3)的坐标所满足的关系式，取圆o1自入土点a至切点c段对应角度较小的圆弧段与圆o2自出土点点b至切点c段对应角度较小的圆弧段进行拼合。由于自入土点a至出土点b可作出无数条光滑圆弧曲线，取其长度最接近管道真实长度l的曲线作为初步轨迹曲线。

s3，获取管道准确长度及钻杆参数，利用钻杆参数对初步轨迹曲线进行拟合修正，得到多条拟合轨迹曲线，其中，钻杆参数至少包括：钻杆管道材质弯曲屈服强度、强度设计系数、焊缝系数以及管材弹性模量。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，利用钻杆参数对初步轨迹曲线进行拟合修正，得到多条拟合轨迹曲线包括：

确定管材许用应力[σ]：[σ]＝k·η·σ；

其中，σ为钻杆管道材质弯曲屈服强度，k为强度设计系数，η为焊缝系数；

确定管道最小弯曲半径r满足：

其中，e为管材弹性模量；

根据管材许用应力[σ]以及管道最小弯曲半径r绘制多条拟合轨迹曲线。

其中，强度设计系数k可以为0.4～0.72；无缝管η＝1，直缝管η＝0.8，双面焊螺旋管η＝0.9，单面焊螺旋管η＝0.7。

具体地，由于钻进过程中岩土性质的变化及钻杆管道材质弯曲屈服强度限制，真实轨迹曲线的曲率半径是有范围的，结合这一点，需要对曲线进行拟合修正。

其中，钻进过程中岩土性质的变化及钻杆管道材质弯曲屈服强度限制包括：

岩土变化对定向钻敷设管道轨迹的限制简单可以理解为：浅层土壤较软，越深岩土越硬，管道越往下越难钻，不能无限制的往下，所以最终轨迹是类似锅底的一个弧线。

屈服强度的限制指的是：钢质管道都有一定的屈服强度，在屈服强度范围内可以弯曲，但是不能像细线一样无限的弯折，所以在钢质管道弯曲的曲率半径有一定的范围，这个范围是受钢材的屈服强度限制的。

s4，确定多条拟合轨迹曲线中符合预设条件的一条轨迹曲线为拟合后的轨迹曲线，绘制拟合后的轨迹曲线。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，预设条件包括：拟合轨迹曲线的曲率半径在预设范围内，且拟合轨迹曲线的长度最为接近管道准确长度l。

具体地，根据步骤s3的参数，对最初拟合的系列可能的轨迹曲线进行再次优选，其同时满足以下两个条件：

1、拟合曲线的曲率半径(不小于r)在合理范围内；

2、拟合曲线的长度最为接近管道准确长度。

结合上述计算及逻辑遴选，选择出最优的拟合轨迹曲线作为拟合后的轨迹曲线。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，本发明提供的基于管道长度的定向钻轨迹拟合方法还包括：输出图片格式的拟合后的轨迹曲线，以及表格格式的拟合轨迹数据。由此可以直观地确定基于施工数据的定向钻轨迹拟合结果，方便人员使用。

由此可见，通过本发明提供的基于管道长度的定向钻轨迹拟合方法，可以根据已知的管道施工基础数据，如入土点坐标、出土点坐标、水平间距、管道长度、入土角度和出土角度等，将定向钻轨迹进行拟合，且拟合结果精度高。填补了水平定向钻钢质管道施工轨迹归档资料的空白，对管道的安全运行提供技术支持。

图3示出了本发明实施例提供的基于管道长度的定向钻轨迹拟合装置的结构示意图，该基于管道长度的定向钻轨迹拟合装置应用上述方法，以下仅对基于管道长度的定向钻轨迹拟合装置的结构进行简单说明，其他未尽事宜，请参照上述基于管道长度的定向钻轨迹拟合方法中的相关描述，参见图3，本发明实施例提供的基于管道长度的定向钻轨迹拟合装置，包括：

获取模块，用于获取已知数据，其中，已知数据至少包括：入土点坐标、出土点坐标、水平间距、管道长度、入土角度和出土角度，其中，入土点坐标和出土点坐标为将三维坐标系数据转化成的二维坐标系体系数据；

确定模块，用于利用已知数据确定初步轨迹曲线，其中，初步轨迹曲线中包含多条光滑圆弧曲线，且多条圆弧曲线的长度符合预设长度；

拟合模块，用于获取管道准确长度及钻杆参数，利用钻杆参数对初步轨迹曲线进行拟合修正，得到多条拟合轨迹曲线，其中，钻杆参数至少包括：钻杆管道材质弯曲屈服强度、强度设计系数、焊缝系数以及管材弹性模量；

绘制模块，还用于确定多条拟合轨迹曲线中符合预设条件的一条轨迹曲线为拟合后的轨迹曲线，绘制拟合后的轨迹曲线。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，为将三维坐标系数据转化成的二维坐标系体系数据包括：将三维坐标系中入土点gps坐标(x1，y1，z1)、出土点gps坐标(x2，y2，z2)根据水平间距h，投影转化为(x，y)的二维坐标体系数据，其中，z轴方向代表高程。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，光滑圆弧曲线通过如下方式计算得到：根据入土点a坐标(x1，y1)、出土点b坐标(x2，y2)、入土角α、出土角β，管道长度为l，确定钻孔轨迹曲线为两个相内切的圆的两段圆弧构成，其中，两圆的圆心分别为o1(m1，n1)和o2(m2，n2)，切点为c(x3，y3)，根据如下公式求解圆心o1(m1，n1)、o2(m2，n2)以及切点c(x3，y3)的坐标所满足的关系式：

圆o1方程为：(x-m1)²+(y-n1)²＝(n1-y1)²+(m1-x1)²

圆o2方程为：(x-m2)²+(y-n2)²＝(n2-y2)²+(m2-x2)²

n1＞y1，n2＞y2

(x3-m1)²+(y3-n1)²＝(n1-y1)²+(m1-x1)²

(x3-m2)²+(y3-n2)²＝(n2-y2)²+(m2-x2)²；

将圆o1自入土点a至切点c段对应角度较小的圆弧段与圆o2自点出土点b至切点c段对应角度较小的圆弧段进行拼合得到光滑圆弧曲线。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，多条圆弧曲线的长度符合预设长度包括：多条圆弧曲线的长度最接近管道长度l。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，拟合模块通过如下方式利用钻杆参数对初步轨迹曲线进行拟合修正，得到多条拟合轨迹曲线：确定管材许用应力[σ]：[σ]＝k·η·σ；其中，σ为钻杆管道材质弯曲屈服强度，k为强度设计系数，η为焊缝系数；确定管道最小弯曲半径r满足：其中，e为管材弹性模量；根据管材许用应力[σ]以及管道最小弯曲半径r绘制多条拟合轨迹曲线。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，预设条件包括：拟合轨迹曲线的曲率半径在预设范围内，且拟合轨迹曲线的长度最为接近管道准确长度l。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，本发明提供的基于管道长度的定向钻轨迹拟合装置还包括：输出模块，用于输出图片格式的拟合后的轨迹曲线，以及表格格式的拟合轨迹数据。

由此可见，通过本发明提供的基于管道长度的定向钻轨迹拟合装置，可以根据已知的管道施工基础数据，如入土点坐标、出土点坐标、水平间距、管道长度、入土角度和出土角度等，将定向钻轨迹进行拟合，且拟合结果精度高。填补了水平定向钻钢质管道施工轨迹归档资料的空白，对管道的安全运行提供技术支持。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flashram)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitorymedia)，如调制的数据信号和载波。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。