CN113756721B - 一种钻探***的消除倾角积累误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻探***的消除倾角积累误差的方法，其特征在于：包括如下步骤：1)误差计算：1.1)对所有数据采集点，计算每一钻杆相对于原始钻头钻进路径的起始点的落差L、以及起始点水平方向至终点的距离X_n；1.2)计算倾角误差δ，δ＝atan((L_n‑(A_n‑A₀)+(h_n‑h₀))/X_n)，其中L_n是原始钻头钻进路径的终点相对于起始点的落差，A₀是起始点的高程，A_n是终点的高程，h₀是起始点处钻头离地面的深度，h_n是终点处钻头离地面的深度；2)误差校正：2.1)对每一个数据采集点做倾角补偿，α′＝α‑δ，其中α是原始倾角，α′是纠偏后的新倾角；2.2)按新倾角重新计算钻杆的数据，得到纠正后的钻头钻进路径。

Description

一种钻探***的消除倾角积累误差的方法

技术领域

本发明涉及非开挖技术领域，尤其是一种非开挖技术领域使用的钻探***的消除倾角积累误差的方法。

背景技术

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。

因此，目前也已开发使用了非开挖铺管技术，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。

非开挖铺管技术应用较广的为水平导向前进法，其是利用非开挖导向仪引导装有钻头的钻杆进行定向前进来实现。非开挖导向仪包括提供钻头实时的工况-深度、倾角以及钟点方向，让地面的操作人员实时掌握钻孔轨迹以便对后续的操作进行及时的修正，以保证按既定的路径轨迹精确定向，完成非开挖铺管。由此可见，非开挖铺管技术对于非开挖导向仪的精确测量有着很高的要求。

在非开挖工程中，传统的挖掘路径记录办法是使用钻头上安装的加速度传感器记录每一个数据点钻杆和水平面的倾角，然后结合钻杆的长度来计算每个记录点相对于起始点的位置，进而可以将轨迹绘成图示。计算所得的钻杆的路径都是以起始点为参考点的，如果倾角有积累误差，那么所得出的路径都是不准确的。

倾角的误差来源有多个。目前广泛使用的加速度传感器，其精度只能达到％0.1度。因此无论怎么校准也无法避免长距离挖掘后的误差积累。误差也可能来自碳棒和碳棒仓之间存在的微小夹角。另外，施工过程中，更换钻杆时的钟点数典型地停在一个固定的钟点(如12：00点钟)，其结果更使同一个方向的积累误差便不可避免。倾角积累误差表现在路径的终点不在应在的位置(高度)，如图1所示，路径终点会高出(或低于)地面许多，导致无法完成正常的钻进工作，其中O₀为钻头钻进路径的起始点，O_n为钻头钻进路径的终点，G为地面，L₁为原始钻头钻进路径。

发明内容

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***的消除倾角积累误差的方法，能够纠正规划路径，确保钻进工作的正常进行。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种钻探***的消除倾角积累误差的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)误差计算：

1.1)对所有数据采集点，计算每一钻杆相对于原始钻头钻进路径的起始点的落差L、以及起始点水平方向至终点的距离X_n；

1.2)计算倾角误差δ，δ＝atan((L_n-(A_n-A₀)+(h_n-h₀))/X_n)，其中L_n是终点相对于起始点的落差，A₀是起始点的高程，A_n是终点的高程，h₀是起始点处钻头离地面的深度，h_n是终点处钻头离地面的深度；

2)误差校正：

2.1)对每一个数据采集点做倾角补偿，α′＝α-δ，其中α是原始倾角，α′是纠偏后的新倾角；

2.2)按新倾角重新计算钻杆的数据，得到纠正后的钻头钻进路径。

根据本发明的一个方面，L、L_n和X_n的计算方法为：

1)利用导向仪的GPS数据计算钻头当前位置对应的地面上的当前点和钻头前一个位置对应的地面上的前一点的水平距离d：前一点的GPS坐标是(La_-1,Lo_-1,A_-1)，当前点的GPS坐标是(La,Lo,A)，计算这两点之间水平距离的方法如下：

1.1)把前一点的GPS高度用当前点的高度替换，使得前一点和当前点处在同一高度，得到新的GPS坐标(La_-1,Lo_-1,A)；

1.2)把同一高度的两点(La_-1,Lo_-1,A)和(La,Lo,A)换成大地坐标(X_-1,Y_-1,Z_-1)和(X,Y,Z)；

1.3)计算大地坐标上两点的距离：d＝SQRT((X–X_-1)²+(Y-Y_-1)²+(Z–Z_-1)²)；计算所有数据采集点获得的d之和得到X_n；

2)利用导向仪的GPS数据计算当前点和起始点的高度差，a＝A–A₀，A₀表示起始点的GPS高度；

3)计算当前点和前一点的平均倾角β＝(α+α_-1)/2，其中α_-1是前一点的倾角，α是当前点的原始倾角；

4)计算当前点相对于前一点的落差l＝d×tanβ；

5)计算当前点相对于起始点的落差L＝L_-1+l，当前点为终点时，L为L_n。

根据本发明的另一个方面，L、L_n和X_n的计算方法为：

1)利用导向仪的GPS数据计算钻头当前位置对应的地面上的当前点和钻头的钻进路径的起始点的高度差：当前点的GPS坐标是(La,Lo,A)，起始点的GPS坐标是(La₀,Lo₀,A₀)，a＝A–A₀；

2)计算当前点和钻头前一个位置对应的地面上的前一点的平均倾角β＝(α+α_-1)/2，其中α_-1是前一点的倾角，α是当前点的原始倾角；

3)计算当前点相对于前一点的落差l＝R×sinβ，R为钻探***的钻杆的长度；

4)计算当前点相对于起始点的落差L＝L_-1+l，当前点为终点时，L为L_n；

5)计算两个钻杆之间的水平距离，d≈Rxcosβ，计算所有数据采集点获得的d之和得到X_n。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过计算钻进路径存在的倾角误差，并对每一个数据采集点作出倾角补偿，将误差校正，从而得到纠偏后的钻进路径，能够确保钻进工作的正常进行。

附图说明

图1为本发明实施例的方法形成的路径和现有技术的路径的对比示意图；

图2为本发明实施例的钻探***的数据采集点及钻探路径地下剖面示意图；

图3为现行相对落差的近似算法示意图。

具体实施方式

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。

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。

参见图1，一种钻探***的消除倾角积累误差的方法，不需要特定的施工工序要求，但需要注意起始点和终点的数据记录要求。如果使用现有测绘方法，如GPS点位器，至少测绘并记录工程入土点和出土点的海拔高度(可按工程要求使用不同精度的设备)。如果使用传统路径记录方法，需要记录第一杆和最后一杆的入土长度(不一定是整个钻杆长度)。如果第一杆或者最后一杆不出土，需要提供两点钻头离地面的深度。后续路径成图及矫正的效果将取决于数据记录的准确度。

包括如下步骤：

1)误差计算：

1.1)对所有导向记录点(数据采集点)，计算每一钻杆相对于原始钻头钻进路径L₁的起始点O₀的落差L、以及起始点O₀水平方向至终点O_n的距离X_n；

1.2)计算倾角误差δ，δ＝atan((L_n-(A_n-A₀)+(h_n-h₀))/X_n)，其中L_n是原始钻头钻进路径L₁的终点O_n相对于起始点O₀的落差，A₀是起始点O₀的高程(或者海拔高度)，A_n是终点O_n的高程，h₀是起始点O₀处钻头离地面的深度，h_n是终点O_n处钻头离地面的深度；

2)误差校正：

2.1)对每一个数据采集点做倾角补偿，即，对原始记录的倾角作纠偏运算，α′＝α-δ，其中α是原始的倾角记录，α′是纠偏后的新倾角；

2.2)按新倾角重新计算钻杆的其他数据，如深度，水平方向距离等，得到纠正后的钻头钻进路径L₁’。

上述步骤1.1)中的L_n和X_n、步骤2.2)中其他数据的计算方法，优选的，利用在钻探***的导向仪中安装的GPS模块来实现测量，并通过导向仪内的控制模块进行计算，参见图2：

1)利用导向仪的GPS数据计算钻探***的钻头当前位置对应的地面上的当前点和钻头前一个位置对应的地面上的前一点的水平距离d：其中O₀与上相同，为钻头钻进路径的起始点，O_-1为前一点(其中一个数据采集点)，O₁为当前点(其中一个数据采集点)，找到地面上与钻头对应位置的数据采集点可采用现有技术：

假设前一点O_-1的GPS位置是(La_-1,Lo_-1,A_-1)，这里使用通用的MGS84格式；纬度La，经度Lo，和高度A_-1，如果当前点O₁的位置是(La,Lo,A)，计算这两点之间水平距离的方法如下：

1.1.1)把前一点O_-1的GPS高度用当前点O₁的高度替换，使得前一点O_-1和当前点O₁处在同一高度，得到新的GPS坐标(La_-1,Lo_-1,A)，这意味着前一点O_-1和当前点O₁处在同一水平高度；

1.1.2)把同一高度的两点(La_-1,Lo_-1,A)和(La,Lo,A)换成大地坐标(X_-1,Y_-1,Z_-1)和(X,Y,Z)，坐标换算可见公共领域所颁布的通用算法；

1.1.3)计算大地坐标上两点(当前点和前一点)之间的水平距离：d＝SQRT((X–X_-1)²+(Y-Y_-1)²+(Z–Z_-1)²)，计算所有数据采集点获得的d之和即为X_n；

2)利用导向仪的GPS数据计算当前点O₁和起始点O₀的高度差，a＝A–A₀，这里A₀表示起始点O₀的GPS高度(与前文相同)；

3)计算当前点O₁和前一点O_-1的平均倾角β＝(α+α_-1)/2，其中α_-1是前一点O_-1记录的倾角；

4)计算当前点O₁相对于前一点O_-1的落差l＝d×tanβ；

5)计算当前点O₁相对于起始点O₀的落差L＝L_-1+l，即当前点O₁的落差加上前一点O_-1的相对于起始点O₀的落差，供下一点计算时使用；当前点O₁为终点O_n时，L即为L_n；

6)计算H＝L+a，H便是当前点O₁对应的钻头离地面的高度，即钻头的深度。

可替代的，落差也可以利用现行算法计算两个钻杆之间的落差。结合图3，计算钻头在地下的深度的方法包括如下步骤：

1)利用导向仪的GPS数据计算当前点O₁和起始点O₀的高度差：假设当前点O₁的位置是(La,Lo,A)，起始点O₀的位置是(La₀,Lo₀,A₀)，a＝A–A₀，这里A₀表示起始点O₀的GPS高度；

2)计算当前点O₁和前一点O_-1的平均倾角β＝(α+α_-1)/2，其中α_-1是前一点O_-1记录的倾角；

3)计算当前点O₁相对于前一点O_-1的落差l＝R×sinβ，假设每根钻杆的长度固定，且长度为R，以弯曲成一定弧度的钻杆4等同当前点O₁和前一点O_-1之间的连线长度来计算落差；

4)计算当前点O₁相对于起始点O₀的落差L＝L_-1+l，即当前点O₁的落差加上前一点O_-1的相对于起始点O₀的落差，供下一点计算时使用；

5)计算两个钻杆之间的水平距离，其近似公式为：d≈Rxcosβ。所有数据采集点水平距离的总和便是这里所需的水平距离X_n。

起始点O₀和终点O_n的相对高程变化是计算倾角积累误差的关键，除精准GPS定位仪(来测高程)外，也可使用其他测绘方式来确定两点的高程变化。

Claims (3)

1.一种钻探***的消除倾角积累误差的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)误差计算：

1.1)对所有数据采集点，计算每一钻杆的前侧端点相对于原始钻头钻进路径(L₁)的起始点(O₀)的落差L、以及起始点(O₀)水平方向至原始钻头钻进路径(L₁)的终点(O_n)的距离X_n；

1.2)计算倾角误差δ，δ＝atan((L_n-(A_n-A₀)+(h_n-h₀))/X_n)，其中L_n是原始钻头钻进路径(L₁)的终点(O_n)相对于起始点(O₀)的落差，A₀是起始点(O₀)的高程，A_n是原始钻头钻进路径(L₁)的终点(O_n)的高程，h₀是起始点(O₀)处钻头离地面的深度，h_n是原始钻头钻进路径(L₁)的终点(O_n)处钻头离地面的深度；

2)误差校正：

2.1)对每一个数据采集点做倾角补偿，α′＝α-δ，其中α是原始倾角，α′是纠偏后的新倾角；

2.2)按新倾角重新计算钻杆的数据，得到纠正后的钻头钻进路径(L₁’)。

2.根据权利要求1所述的钻探***的消除倾角积累误差的方法，其特征在于：L、L_n和X_n的计算方法为：

1)利用导向仪的GPS数据计算钻头当前位置对应的地面上的当前点(O₁)和钻头前一个位置对应的地面上的前一点(O_-1)的水平距离d：前一点(O_-1)的GPS坐标是(La_-1,Lo_-1,A_-1)，当前点(O₁)的GPS坐标是(La,Lo,A)，计算这两点之间水平距离的方法如下：

1.1)把前一点(O_-1)的GPS高度用当前点(O₁)的高度替换，使得前一点(O_-1)和当前点(O₁)处在同一高度，得到新的GPS坐标(La_-1,Lo_-1,A)；

1.2)把同一高度的两点(La_-1,Lo_-1,A)和(La,Lo,A)换成大地坐标(X_-1,Y_-1,Z_-1)和(X,Y,Z)；

1.3)计算大地坐标上两点的距离：d＝SQRT((X–X_-1)²+(Y-Y_-1)²+(Z–Z_-1)²)；计算所有数据采集点获得的d之和得到X_n；

2)利用导向仪的GPS数据计算当前点(O₁)和起始点(O₀)的高度差，a＝A–A₀，A₀表示起始点(O₀)的GPS高度；

3)计算当前点(O₁)和前一点(O_-1)的平均倾角β＝(α+α_-1)/2，其中α_-1是前一点(O_-1)的倾角，α是当前点(O₁)的原始倾角；

4)计算当前点(O₁)相对于前一点(O_-1)的落差l＝d×tanβ；

5)计算当前点(O₁)相对于起始点(O₀)的落差L＝L_-1+l，当前点(O₁)为原始钻头钻进路径(L₁)的终点(O_n)时，L为L_n。

3.根据权利要求1所述的钻探***的消除倾角积累误差的方法，其特征在于：L、L_n和X_n的计算方法为：

1)利用导向仪的GPS数据计算钻头当前位置对应的地面上的当前点和钻头的钻进路径的起始点(O₀)的高度差：当前点(O₁)的GPS坐标是(La,Lo,A)，起始点(O₀)的GPS坐标是(La₀,Lo₀,A₀)，a＝A–A₀；

2)计算当前点(O₁)和钻头前一个位置对应的地面上的前一点(O_-1)的平均倾角β＝(α+α_-1)/2，其中α_-1是前一点(O_-1)的倾角，α是当前点(O₁)的原始倾角；

3)计算当前点(O₁)相对于前一点(O_-1)的落差l＝R×sinβ，R为钻探***的钻杆的长度；

4)计算当前点(O₁)相对于起始点(O₀)的落差L＝L_-1+l，当前点(O₁)为原始钻头钻进路径(L₁)的终点(O_n)时，L为L_n；

5)计算两个钻杆之间的水平距离，d≈R x cosβ，计算所有数据采集点获得的d之和得到X_n。