CN110863813A - 一种基于施工数据的定向钻轨迹拟合方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于施工数据的定向钻轨迹拟合方法及装置，其中方法包括：S1，获取已知数据，其中，已知数据至少包括：钻杆长度、钻杆数量、钻头埋深和每根钻杆角度；S2，根据已知数据确定分段函数表达式；S3，根据分段函数表达式绘制初步轨迹曲线；S4，根据初步轨迹曲线，建立差值多项式；S5，获取给定的数据，建立次数小于等于预设值的多项式拟合给定的数据，使偏差的平方和最小；S6，绘制拟合后的轨迹曲线。可以根据已知的施工数据：钻杆长度、钻杆数量、钻头埋深，每个钻杆角度等，将定向钻轨迹进行拟合，且拟合结果精度高。

Description

一种基于施工数据的定向钻轨迹拟合方法及装置

技术领域

本发明涉及计算机领域，尤其涉及一种基于施工数据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。

发明内容

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施工数据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施工数据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：钻杆长度、钻杆数量、钻头埋深和每根钻杆角度；S2，根据已知数据确定分段函数表达式；S3，根据分段函数表达式绘制初步轨迹曲线；S4，根据初步轨迹曲线，建立差值多项式；S5，获取给定的数据，建立次数小于等于预设值的多项式拟合给定的数据，使偏差的平方和最小；S6，绘制拟合后的轨迹曲线。

其中，分段函数表达式包括：

；其中，

x_i＝x_i-1+l_i·cosθ_i；y_i＝y_i-1+l_i·sinθ_i，l_i为钻杆长度，θ_i为钻杆角度，y_i为钻头埋深，初始点为(x₀，y₀)，n为数据个数。

其中，给定的数据包括x_i，y_i，i＝1，2，…，n，预设值小于等于n。

其中，次数小于等于预设值的多项式包括：

y＝a₀+a₁x+a₂x²+…+a_mx^m；

偏差的平方和通过如下公式计算：

其中，拟合给定的数据利用如下公式：

其中，

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施工数据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：钻杆长度、钻杆数量、钻头埋深和每根钻杆角度；确定模块，用于根据已知数据确定分段函数表达式；绘制模块，用于根据分段函数表达式绘制初步轨迹曲线；建立模块，用于根据初步轨迹曲线，建立差值多项式；拟合模块，用于获取给定的数据，建立次数小于等于预设值的多项式拟合给定的数据，使偏差的平方和最小；绘制模块，还用于绘制拟合后的轨迹曲线。

其中，分段函数表达式包括：

；其中，

x_i＝x_i-1+l_i·cosθ_i；y_i＝y_i-1+l_i·sinθ_i，l_i为钻杆长度，θ_i为钻杆角度，y_i为钻头埋深，初始点为(x₀，y₀)，n为数据个数。

其中，给定的数据包括x_i，y_i，i＝1，2，…，n，预设值小于等于n。

其中，次数小于等于预设值的多项式包括：

y＝a₀+a₁x+a₂x²+…+a_mx^m；

偏差的平方和通过如下公式计算：

其中，拟合给定的数据利用如下公式：

其中，

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施工数据的定向钻轨迹拟合方法及装置，可以根据已知的施工数据：钻杆长度、钻杆数量、钻头埋深，每个钻杆角度等，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施工数据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初步轨迹曲线示意图；

图3为本发明实施例提供的拟合后的轨迹曲线示意图；

图4为本发明实施例提供的基于施工数据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施工数据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：钻杆长度、钻杆数量、钻头埋深和每根钻杆角度。

具体地，已知钻杆长度、钻杆数量、钻头埋深，每根钻杆角度。其中：

钻杆长度：根据水平定向钻工程敷设管道的长度、管径、埋深、曲率半径、地层条件等来选择钻机设备和与之相匹配的钻杆规格，钻杆规格一旦选定，则可以直接确定钻杆长度。

钻杆数量：在水平定向钻施工过程中记录的所用钻杆的总数量。

钻头埋深：在施工过程中记录每根钻杆的实际埋深。

钻杆角度：在施工过程中记录每根钻杆的偏移角度。

以上四个数据是水平定向钻施工必须记录的过程数据，因此，可以在归档资料中查到，从而可以通过查询归档资料得到已知数据。

S2，根据已知数据确定分段函数表达式。

具体地，利用已知数据，可将该已知数据简化为由多段直线连接的分段函数。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，分段函数表达式包括：

其中，x_i＝x_i-1+l_i·cosθ_i；y_i＝y_i-1+l_i·sinθ_i，l_i为钻杆长度，θ_i为钻杆角度，y_i为钻头埋深，初始点为(x₀，y₀)，n为数据个数。

S3，根据分段函数表达式绘制初步轨迹曲线。

具体地，根据表达式可以绘制初步轨迹曲线如图2所示。

S4，根据初步轨迹曲线，建立差值多项式。

具体地，对初步轨迹曲线(折线式轨迹曲线)进行拟合优化的过程中，首先利用下式：

x_n＝x_n-1+l_n·cosθ_n；

y_n＝y_n-1+l_n·sinθ_n

可以将施工钻杆数据转化为多个点的数据，即已知轨迹曲线函数f(x)在若干点x_i(i＝1，2，…，n)处的值y_i，便可根据插值原理来建立插值多项式作为f(x)的近似值。

S5，获取给定的数据，建立次数小于等于预设值的多项式拟合给定的数据，使偏差的平方和最小。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，给定的数据包括x_i，y_i，i＝1，2，…，n，预设值小于等于n。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，次数小于等于预设值的多项式包括：

y＝a₀+a₁x+a₂x²+…+a_mx^m；

偏差的平方和通过如下公式计算：

作为本发明实施例的一个可选实施方式，拟合给定的数据利用如下公式：

其中，

具体地，但在实际施工实践中，由于钻杆弯曲，节点上的函数值并不是很精确，这些点的函数值是由监测得到的数据，该监测得到的对应的就是钻头埋深，是在施工过程中由导向设备测得，而监测得到的数据不可避免地带有测量误差，如果要求所得的近似函数曲线精确无误地通过所有的点(x_i，y_i)，就会使曲线保留着一切测试误差。

出于上述考虑，从给定的数据(x_i，y_i)(该给定的数据为监测得到的数据)出发，构造一个近似函数，不要求函数完全通过所有的数据点，只要求所得的近似曲线能反映数据的基本趋势，因此利用最小二乘法对多点进行曲线拟合以获得轨迹曲线。对于给定的数据(x_i，y_i)(i＝1，2，…，n)多个数据，寻求次数不超过m(m≤n)的多项式：

y＝a₀+a₁x+a₂x²+…+a_mx^m；来拟合所给定的数据，使偏差的平方和Q最小，

由于Q可以看作是关于(j＝0，1，2，…，m)的多元函数，故上述拟合多项式的构造问题可归结为多元函数的极值问题。令：

则有：

由此，可以对初步轨迹曲线进行拟合。

S6，绘制拟合后的轨迹曲线。

具体地，拟合后的轨迹曲线可以如图3所示。

作为本发明实施例提供的一个可选实施方式，基于施工数据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，利用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，可以根据已知的施工数据：钻杆长度、钻杆数量、钻头埋深，每个钻杆角度等，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4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装置的结构示意图，该基于施工数据的定向钻轨迹拟合装置应用上述方法，以下仅对基于施工数据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，请参照上述基于施工数据的定向钻轨迹拟合方法中的相关描述，参见图4，本发明实施例提供的基于施工数据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：钻杆长度、钻杆数量、钻头埋深和每根钻杆角度；

确定模块，用于根据已知数据确定分段函数表达式；

绘制模块，用于根据分段函数表达式绘制初步轨迹曲线；

建立模块，用于根据初步轨迹曲线，建立差值多项式；

拟合模块，用于获取给定的数据，建立次数小于等于预设值的多项式拟合给定的数据，使偏差的平方和最小；

绘制模块，还用于绘制拟合后的轨迹曲线。

作为本发明实施例提供的一个可选实施方式，分段函数表达式包括：

其中，x_i＝x_i-1+l_i·cosθ_i；y_i＝y_i-1+l_i·sinθ_i，l_i为钻杆长度，θ_i为钻杆角度，y_i为钻头埋深，初始点为(x₀，y₀)，n为数据个数。

作为本发明实施例提供的一个可选实施方式，给定的数据包括x_i，y_i，i＝1，2，…，n，预设值小于等于n。

作为本发明实施例提供的一个可选实施方式，次数小于等于预设值的多项式包括：

y＝a₀+a₁x+a₂x²+…+a_mx^m；

偏差的平方和通过如下公式计算：

作为本发明实施例提供的一个可选实施方式，拟合给定的数据利用如下公式：

其中，

作为本发明实施例提供的一个可选实施方式，基于施工数据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，利用本发明实施例提供的基于施工数据的定向钻轨迹拟合装置，可以根据已知的施工数据：钻杆长度、钻杆数量、钻头埋深，每个钻杆角度等，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(flash RAM)。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(transitory media)，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。

Claims (12)

1.一种基于施工数据的定向钻轨迹拟合方法，其特征在于，包括：

S1，获取已知数据，其中，所述已知数据至少包括：钻杆长度、钻杆数量、钻头埋深和每根钻杆角度；

S2，根据所述已知数据确定分段函数表达式；

S3，根据所述分段函数表达式绘制初步轨迹曲线；

S4，根据所述初步轨迹曲线，建立差值多项式；

S5，获取给定的数据，建立次数小于等于预设值的多项式拟合所述给定的数据，使偏差的平方和最小；

S6，绘制拟合后的轨迹曲线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分段函数表达式包括：

其中，x_i＝x_i-1+l_i.cosθ_i；y_i＝y_i-1+l_i.sinθ_i，l_i为钻杆长度，θ_i为钻杆角度，y_i为钻头埋深，初始点为(x₀，y₀)，n为数据个数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述给定的数据包括x_i，y_i，i＝1，2，...，n，所述预设值小于等于n。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述次数小于等于预设值的多项式包括：

y＝a₀+a₁x+a₂x²+…+a_mx^m；

所述偏差的平方和通过如下公式计算：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述拟合所述给定的数据利用如下公式：

其中，

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

输出图片格式的所述拟合后的轨迹曲线，以及表格格式的拟合轨迹数据。

7.一种基于施工数据的定向钻轨迹拟合装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取已知数据，其中，所述已知数据至少包括：钻杆长度、钻杆数量、钻头埋深和每根钻杆角度；

确定模块，用于根据所述已知数据确定分段函数表达式；

绘制模块，用于根据所述分段函数表达式绘制初步轨迹曲线；

建立模块，用于根据所述初步轨迹曲线，建立差值多项式；

拟合模块，用于获取给定的数据，建立次数小于等于预设值的多项式拟合所述给定的数据，使偏差的平方和最小；

绘制模块，还用于绘制拟合后的轨迹曲线。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述分段函数表达式包括：

其中，x_i＝x_i-1+l_i.cosθ_i；y_i＝y_i-1+l_i.sinθ_i，l_i为钻杆长度，θ_i为钻杆角度，y_i为钻头埋深，初始点为(x₀，y₀)，n为数据个数。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述给定的数据包括x_i，y_i，i＝1，2，...，n，所述预设值小于等于n。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述次数小于等于预设值的多项式包括：

y＝a₀+a₁x+a₂x²+…+a_mx^m；

所述偏差的平方和通过如下公式计算：

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述拟合所述给定的数据利用如下公式：

其中，

12.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：

输出模块，用于输出图片格式的所述拟合后的轨迹曲线，以及表格格式的拟合轨迹数据。

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