一种钻探系统的钻探路线地面航向计算方法与流程

1.本发明涉及非开挖技术领域，尤其是一种钻探系统的钻探路线地面航向计算方法。


背景技术：

2.随着城市建设的大规模发展，需要在城市中铺设截污管或能源(液化气、天然气等) 供应管，较常用的方法是开挖槽来埋管埋线，这会造成环境污染，引起交通堵塞，并且存在施工安全隐患。
3.在非开挖技术出现之前，如果需要铺设地下管道，通常需要动用挖掘机在路面挖出一条有一定深度的壕沟来，铺设管道后再把壕沟回填。这种施工方法，不但费时、费力，还会对路面设施及交通造成危害。在某些环境下，如遇到河流、建筑物等时，开挖壕沟是不可能的。
4.因此，目前也已开发使用了非开挖技术，即一种利用岩土钻掘手段，在路面不挖沟、不破坏大面积地表层的情况下，铺设、修复和更换地下管线的施工技术。使用非开挖技术具有周期短、成本低、污染少、安全性能好等优点，而且不会影响正常的交通秩序。
5.在非开挖行业横向钻井施工中，根据施工性质，有一些工程对挖掘路线的弯度变化有着及其严格的要求。因此，施工过程中必须有一定的工序和办法来监督记录钻头行进的轨迹，以确保施工后地下管线的弯度控制在限定的范围之内。
6.目前在垂直切面已有既经济又成熟的方法，那就是使用重力加速传感器实时测量钻杠的在垂直方向的角度变化。然而在地面水平方向，虽然可以使用指南针，但由于环境的影响，其可靠性还不足以达到工程使用要求。为了确定钻头的行进航向，通常的做法是在挖掘行进的路线上铺设人工磁场，并通过偏航仪对磁场的感应来计算航向的变化。虽然这种人工地磁施工方法是可行的，但其施工费用也是很昂贵的。除了在施工路线上需要铺设人工磁场外，还需要使用电线通过钻杆连接钻头上的偏航仪及其他传感器。因此，亟需一种简便而又成本低的航向计算方法。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种钻探系统的钻探路线地面航向计算方法，既能有效提高施工速度，又能降低施工成本。
8.本发明解决上述技术问题所采用的第一个技术方案为：一种钻探系统的钻探路线地面航向计算方法，所述钻探系统包括具备gps数据采集功能的导向仪，其特征在于：包括如下步骤：
9.1)对钻探路线上的当前点的数据进行记录，利用导向仪得到当前点的gps坐标数据 (la，ln)；
10.2)对gps坐标数据(la，ln)作地平面投射运算，得出平面坐标(x,y)，并把平面坐标 (x,y)和原始的gps坐标数据(la，ln)一同保存；
11.3)判断当前点是否为钻探路线施工的起始点，如果是，进入步骤3.1)；如果不是，进入步骤3.2)；
12.3.1)初始化偏航角p为0，将偏航角记录保存；
13.3.2)按下列公式计算当前点的偏航角p：
14.p＝atan((x-x-1
)/(y-y-1
))，其中(x-1
，y-1
)是前一点的平面坐标；将偏航角记录保存；
15.4)计算偏航角变化δ＝p-p-1
，其中p-1
为前一点的偏航角。
16.优选的，所述导向仪包括能够接收钻探系统的探棒所处位置信息的地下定位器和地面定位器，所述地面定位器包括第一gps接收器。
17.为便于提高gps定位精度，所述地面定位器还包括差分数据接收器和gps矫正计算模块，所述第一gps接收器和差分数据接收器的输出端还与gps矫正计算模块的输入端连接；所述钻探系统还包括固定基点矫正器，所述固定基点矫正器包括第二gps 接收器、差分计算模块、能够向导向仪的差分数据接收器发送信号的差分数据发射器和基点位置输入模块，所述第二gps接收器和基点位置输入模块的输出端均连接到差分计算模块的输入端，所述差分计算模块的输出端连接差分数据发射器的输入端；在步骤 1)中，利用导向仪的第一gps接收器对当前点进行gps位置信息采集，利用固定基点校正器对采集到的gps通过gps矫正计算模块进行矫正。
18.优选的，所述方法在综合显示及计算装置上实现，所述综合显示及计算装置包括用户界面、根据导向仪的gps数据进行偏航角计算的偏航角计算模块以及用于将偏航角存储到存储设备的钻杆数据记录模块，所述偏航角计算模块、钻杆数据记录模块与用户界面连接。
19.为便于钻机手根据不同维度的倾角决定钻杆的钻探路线，所述综合显示及计算装置还包括能从导向仪获取倾角的水平倾角采集模块，所述水平倾角采集模块与用户界面连接。
20.本发明解决上述技术问题所采用的第二个技术方案为：一种钻探系统的钻探路线地面航向计算方法，所述钻探系统包括具备gps数据采集功能的导向仪，其特征在于：包括如下步骤：
21.1)利用导向仪实时获取当前的gps坐标数据(la，ln)，并且不作记录；
22.2)对gps坐标数据(la，ln)作地平面投射运算，得出平面坐标(x,y)，并把平面坐标 (x,y)和原始的gps坐标数据(la，ln)一同保存；
23.3)判断当前点是否为施工的起始点，如果是，进入步骤3.1)；如果不是，进入步骤 3.2)；
24.3.1)初始化偏航角p为0，将偏航角记录保存；
25.3.2)按下列公式计算当前点的偏航角p：
26.p＝atan((x-x-1
)/(y-y-1
))，其中(x-1
，y-1
)是前一点的平面坐标；将偏航角记录保存；
27.4)计算偏航角变化δ＝p-p-1
，其中p-1
为前一点的偏航角，并且在用户界面显示，然后回到步骤1)，直到当前钻杆钻进结束。
28.优选的，所述导向仪包括能够接收钻探系统的探棒所处位置信息的地下定位器和
地面定位器，所述地面定位器包括第一gps接收器。
29.为便于提高gps定位精度，所述地面定位器还包括差分数据接收器和gps矫正计算模块，所述第一gps接收器和差分数据接收器的输出端还与gps矫正计算模块的输入端连接；所述钻探系统还包括固定基点矫正器，所述固定基点矫正器包括第二gps 接收器、差分计算模块、能够向导向仪的差分数据接收器发送信号的差分数据发射器和基点位置输入模块，所述第二gps接收器和基点位置输入模块的输出端均连接到差分计算模块的输入端，所述差分计算模块的输出端连接差分数据发射器的输入端；在步骤 1)中，利用导向仪的第一gps接收器对当前点进行gps位置信息采集，利用固定基点校正器对采集到的gps通过gps矫正计算模块进行矫正。
30.优选的，所述方法在综合显示及计算装置上实现，所述综合显示及计算装置包括用户界面、根据导向仪的gps数据进行偏航角计算的偏航角计算模块以及用于将偏航角存储到存储设备的钻杆数据记录模块，所述偏航角计算模块、钻杆数据记录模块与用户界面连接。
31.为便于钻机手根据不同维度的倾角决定钻杆的钻探路线，所述综合显示及计算装置还包括能从导向仪获取倾角的水平倾角采集模块，所述水平倾角采集模块与用户界面连接。
32.与现有技术相比，本发明的优点在于：通过使用地面gps数据来计算钻头行进的航向，使用无线技术，因此不需要考虑连线问题，也不需要布置人工磁场，因而克服了常规施工方法所存在的缺点，从而会有效地提高施工速度，降低施工的成本；将两个不同维度的倾角(偏航角、水平倾角)同时展示在钻机手面前时，钻机手才可综合决定钻杆如何推进，使得钻杆合理钻进。
附图说明
33.图1为本发明实施例所使用的钻探系统整体布局示意图；
34.图2是本发明实施例所使用的导向仪和固定基点矫正器的一种结构的框图；
35.图3为本发明实施例所使用的偏航角计算及倾角综合显示及计算装置的示意图；
36.图4为钻探系统的钻杆的水平倾角及偏航角示意图。
具体实施方式
37.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，由于本发明所公开的实施例可以按照不同的方向设置，所以这些表示方向的术语只是作为说明而不应视作为限制，比如“上”、“下”并不一定被限定为与重力方向相反或一致的方向。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
39.实施例一
40.参见图1，一种钻探系统的钻探路线地面航向计算方法，所利用的综合显示及计算装置，可在计算机或任何具有计算能力的移动设备(计算功能载体)上实现。计算功能载体和导向仪3之间的连接可采用现有的有线或无线技术，如优选的，采用(但不限于)现有的无线技术，如蓝牙协议。综合显示及计算装置包括用户界面91、偏航角计算模块 92、水平倾角采集模块94和钻杆数据记录模块95。
41.用户界面91为人机交互界面，便于数据的显示以及用户操作。偏航角计算模块92 用于根据检测到的数据进行计算，得到当前的偏航角。水平倾角采集模块94用于从导向仪3获得钻杆的水平倾角。钻杆数据记录模块95得到的钻杆数据可存储到载体的本地存储设备，如存储器100中，亦可采用云存储实现。上述的偏航角计算模块92、水平倾角采集模块94和钻杆数据记录模块95均与用户界面91连接，以便在用户界面91操作和显示。
42.在本实施例中，偏航角计算模块92需要利用gps坐标数据计算偏航角。为此，在导向仪3具备有gps定位功能。参见图2，显示了一种非开挖的钻探系统，钻探系统包括钻进装置和导向装置，其中，钻进装置包括位于地面的钻机1和在地面下钻进的钻头 2，导向装置包括导向仪3、设置在钻头2上的探棒4、以及固定基点矫正器5，导向仪 3为精准定位智能导向仪，与固定基点矫正器5都分别能接收卫星6的gps信号，固定基点矫正器5能传递信号到导向仪3。导向仪3还能通过网络7接收云端服务器8的信号。现已有了具备gps数据采集功能的导向仪3，但为了提高gps数据精度，本发明利用固定基点矫正器5，通过现场的固定基点校正方法来提高定位精度，将传统的定位精度提高了一个数量级。
43.参见图3，导向仪3包括地下定位器31和地面定位器32，下文对于地下定位器31 和地面定位器32的描述中，“连接”均为电连接。其中地下定位器31包括如下模块：探棒磁场信号接收器311和地下探棒定位信号处理模块312，探棒磁场信号接收器331 能够接收探棒4发出的磁场信号，探棒磁场信号接收器311的输出端和地下探棒定位信号处理模块312的输入端连接，通过地下探棒定位信号处理模块312处理探棒磁场信号，并发送到地面定位器32。
44.地面定位器32包括第一gps接收器321、差分数据接收器322、导向仪控制模块 323、gps矫正计算模块324和人机界面/显示模块325。第一gps接收器321能够接收卫星6的gps信号，此外，第一gps接收器321和差分数据接收器322的输出端还与 gps矫正计算模块324的输入端连接，以便得出精确地面位置。gps矫正计算模块324 的输出端、人机界面/显示模块325的输入端和输出端均与导向仪控制模块323连接。人机界面/显示模块325供操作人员完成导向仪各类操作及控制。
45.固定基点矫正器5包括第二gps接收器51、差分计算模块52、差分数据发射器53 和基点位置输入模块54。第二gps接收器51能够接收卫星6的gps信号，其和基点位置输入模块54的输出端均连接到差分计算模块52的输入端，第二gps接收器51和基点位置输入模块54输入的基点位置作为两个输入变量传递到差分计算模块52，差分计算模块52的输出端连接差分数据发射器53的输入端。导向仪3的差分数据接收器322 和固定基点矫正器5的差分数据发射器53之间无线通信。
46.由此，固定基点矫正器5能够通过自身基点位置和gps位置产生矫正信息通过差分数据发射器53发送到导向仪3的差分数据接收器322。导向仪3的gps矫正计算模块324由差
分数据接收器322接收到的矫正信息对第一gps接收器321的gps信号记性矫正计算，并发送到导向仪控制模块323。固定基点矫正器5的基点为绝对gps位置，可以使用通用的测量技术获得。一旦基点的gps位置确定后，其他位置的gps位置也就确定了，而且比使用通用gps矫正得来的位置更为精确。基于精准位置信息，施工人员(参见图1中的操作钻机1的钻机手和操作导向仪3的导向手)便可精确地控制钻头 2的推进。
47.通过上述方式，可以采用gps对每个关键点进行精确定位记录，关键点为钻探路径必须经过之处，比如，一个社区的煤气管道必须连接到主管道，主管道所处的最近位置就应当是个关键点。需要特别注意的是，每次记录gps数据时确保导向仪3在钻头2 的正上方，否则会引起测量误差。
48.再参见图2，施工之前，施工人员按施工要求先确定整个施工的起点101和终点102，然后在尽可能开阔而又靠近起始两点的位置之间选定放置作为基点的固定基点矫正器5，并固定在稳定的支架上55。整个施工过程中，这个固定基点矫正器5尽量避免迁移。为获取精准gps位置坐标，固定基点矫正器5需要输入或自动获取基点的gps位置。
49.确定基点gps位置，有三种方案可用：1)让基点的gps自动收敛：收敛需要一定的时间，可在施工前几天提前开启固定基点矫正器5的第二gps接收器51，并将几天收集的坐标作平均计算，以此作为基点的固定坐标；2)用其他通用测量的方法获得基点的固定坐标，并将固定坐标输入与固定基点矫正器5中；3)若想缩短第1种方案所需的收敛时间，基点的gps亦可采用网上的矫正服务(需要有网络可用)，以加速获取基点的 gps坐标。设定基点的gps坐标后，导向仪3便有了地面精准定位功能。导向仪3将获得的精准定位数据发送到偏航角计算模块92中，以便进行计算。
50.参见图4，平面a为钻杆垂直切面，l
a-1
为前一点，α-1
为前一点l
a-1
的倾角，l
a
为当前点，α为前一点l-1
的倾角，l0为地平线，21表示一个完整的钻杆。利用上述的综合显示及计算装置进行地面航向计算的方法，在本实施例中，为在线计算法，包括如下步骤：
51.1)对当前关键点(当前点)的数据进行记录，得到gps坐标数据la(纬度)、ln(经度)；
52.2)对gps坐标数据(la，ln)用现行算法，如墨卡托投射，作地平面投射运算，得出平面坐标(x,y)，并把平面坐标(x,y)和原始的gps坐标数据(la，ln)一同保存；
53.3)判断当前点是否为施工的起始点(第一点)，如果是，进入步骤3.1)；如果不是，进入步骤3.2)；
54.3.1)初始化偏航角p为0，将偏航角记录保存，同时也可以将当前点的其他数据，如倾角、深度等一起记录保存；
55.3.2)按下列公式计算当前点的偏航角p：
56.p＝atan((x-x-1
)/(y-y-1
))，其中(x-1
，y-1
)是前一点的平面坐标；将偏航角记录保存，同时也可以将当前点的其他数据，如倾角、深度等一起记录保存；
57.4)计算偏航角变化δ＝p-p-1
，其中p-1
为前一点的偏航角。需要注意的是，起始点(第一点)和第二点的δ均为0，δ反映经过当前钻杆后偏航角的变化，工程人员需要注意偏航角的变化，并及时控制钻杆推进的方向以满足工程对路线弯度的要求。
58.在步骤4)中，直线行进的办法是让钻头旋转并推进，曲线行进测需要控制推进钻杆时的钟点数，如12：00点朝上方偏移，6：00点朝下方偏移，3：00点朝右，9：00点朝左，如此
等等。导向按倾角、偏航角、作业所处的地质情况、及经验来控制钻杆的推进。
59.实施例二
60.在本实施例中，偏航角计算方法为实时计算。在实施例一中，偏航角计算是在每一钻杆完成后进行的。如果偏航角不满足工程要求，工程需要回退钻杆，并重新推进。为避免这种情形出现，在本实施例中，采用实时计算的方法，具体的，包括如下步骤：
61.1)实时获取当前的gps坐标数据(la，ln)，但无需记录，以便随时计算导向仪3所处位置的航向，从而获得当前点的航向；
62.2)对gps坐标数据(la，ln)用现行算法，如墨卡托投射，作地平面投射运算，得出平面坐标(x,y)，并把平面坐标(x,y)和原始的gps坐标数据(la，ln)一同保存；
63.3)判断当前点是否为施工的起始点(第一点)，如果是，进入步骤3.1)；如果不是，进入步骤3.2)；
64.3.1)初始化偏航角p为0，将偏航角记录保存，同时也可以将当前点的其他数据，如倾角、深度等一起记录保存；
65.3.2)按下列公式计算当前点的偏航角p：
66.p＝atan((x-x-1
)/(y-y-1
))，其中(x-1
，y-1
)是前一点的平面坐标；将偏航角记录保存，同时也可以将当前点的其他数据，如倾角、深度等一起记录保存；
67.4)计算偏航角变化δ＝p-p-1
，并且在用户界面91显示，然后回到步骤1)，直到当前钻杆钻进结束。
68.在此过程中，导向手需要使用导向仪3实时跟踪钻头2的行进，并随时将航向信息反馈给钻机手，以便控制钻进方向。