手機(jī)導(dǎo)航在油田測井井位定位中的的應(yīng)用

(大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163000)

0 引 言

測井資料采集是油田測井工作的重要一環(huán)。由測井技術(shù)人員攜帶測井儀器設(shè)備到達(dá)目標(biāo)井位，測試油井的油層壓力、示功圖、動液面、油層溫度、油量、氣量、水量及出砂等技術(shù)指標(biāo)。測試采集工作必須在野外實(shí)地完成，而油井的分布是相當(dāng)分散和復(fù)雜的，特別是在油田邊遠(yuǎn)地區(qū)，大量的油井沒有用建設(shè)規(guī)范的井排公路，分布在耕地、沼澤或林地等復(fù)雜的地表環(huán)境中，給及時順利地到達(dá)井位帶來了很大的難題，浪費(fèi)寶貴的測井時間，稍有不慎造成測井井位錯誤[1]。

隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的高速發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航方法已經(jīng)被人們廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)生活中。利用衛(wèi)星定位測量設(shè)備可以以厘米級的精度定位或向目標(biāo)導(dǎo)航，如石油勘探中的測線物理點(diǎn)放樣、油田鉆探井位的測量、天然氣管線的施工、電力線路的維護(hù)等工作已經(jīng)利用甚至依賴于衛(wèi)星定位測量技術(shù)，因?yàn)樵擁?xiàng)技術(shù)能夠帶來高效和準(zhǔn)確的效果。用于導(dǎo)航的衛(wèi)星定位技術(shù)一般能夠保證5～10 m的精度，專業(yè)的導(dǎo)航儀成本較高。但是目前的智能手機(jī)幾乎全部集成了導(dǎo)航定位芯片，能夠安裝導(dǎo)航應(yīng)用軟件，下載電子地圖，為生產(chǎn)生活中的導(dǎo)航提供了方便。本文主要討論智能手機(jī)導(dǎo)航在尋找油田測井井位工作中的應(yīng)用方法。

1 手機(jī)導(dǎo)航的技術(shù)現(xiàn)狀

近年來，智能手機(jī)制造技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)高速發(fā)展，原本用來完成通話或短信的電信工具融合了大量與人們工作和生活密切相關(guān)的科學(xué)技術(shù)。集數(shù)據(jù)計(jì)算、文本編輯、網(wǎng)絡(luò)通訊、攝影攝像、定位導(dǎo)航等功能于一身，給使用者帶來了非常大的便利和享受，由于手機(jī)固有的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，加之衛(wèi)星定位測量技術(shù)，手機(jī)導(dǎo)航較之專業(yè)導(dǎo)航測量儀具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。

1.1 手機(jī)中的衛(wèi)星定位測量技術(shù)

衛(wèi)星定位測量技術(shù)自美國推廣全球定位系統(tǒng)(GPS)應(yīng)用后開始了飛速發(fā)展，先后有歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GALILEO)、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS)、中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)等相繼建立和運(yùn)行，統(tǒng)稱為GNSS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)。各衛(wèi)星定位系統(tǒng)相互獨(dú)立，其共同點(diǎn)是所有的衛(wèi)星定位系統(tǒng)都是通過建立在地面上的監(jiān)控站控制距離地面2萬公里左右若干繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星，向用戶設(shè)備提供持續(xù)不斷的導(dǎo)航定位信號。而用戶設(shè)備可以按照硬件的設(shè)計(jì)接收來自不同衛(wèi)星系統(tǒng)的導(dǎo)航信息，加以處理，結(jié)合用戶設(shè)備中的導(dǎo)航軟件，計(jì)算個人或設(shè)備的位置信息。由于設(shè)備制造成本和衛(wèi)星系統(tǒng)成熟度的原因，目前智能手機(jī)中廣泛應(yīng)用的是美國的GPS信號，新型的高端智能手機(jī)開始使用北斗和格洛納斯信號[2]。

打開手機(jī)衛(wèi)星定位功能，手機(jī)便可以接收到衛(wèi)星信號，當(dāng)接收4顆以上的衛(wèi)星信號時，就可以得到手機(jī)的地面位置，這個位置可以展示在電子地圖上，或以坐標(biāo)數(shù)字的形式顯示出來，測量的精度為5～10 m。測量精度受到衛(wèi)星數(shù)量、天氣、環(huán)境干擾等的影響，衛(wèi)星數(shù)量越多、周圍電磁干擾越少定位的精度越高。

1.2 利用手機(jī)電信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定位

一個手機(jī)之所以能夠接打電話，是因?yàn)槿舾蛇B成網(wǎng)絡(luò)的電信基站幫助傳遞信息。手機(jī)的操作是通過附近的基站完成，那么就誕生了基站定位技術(shù)，也就是移動位置服務(wù)(LBS-Location Based Service)，通過移動運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)獲取終端用戶的位置信息。因?yàn)橐獪y量手機(jī)發(fā)出的信號到各個基站的時間差來計(jì)算位置，手機(jī)所在的基站網(wǎng)絡(luò)越完善，定位精度越高，精度一般在50～100 m。

當(dāng)手機(jī)處在WIFI的環(huán)境下，由于WIFI的MAC地址是被標(biāo)記了坐標(biāo)的，所以使用該WIFI的終端即電話或電腦的位置信息就成為已知的，應(yīng)用軟件可以讀取這個信息，精度為該WIFI所覆蓋的范圍，即10～20 m。

AGPS就是在電信網(wǎng)絡(luò)輔助下的GPS衛(wèi)星定位技術(shù)，當(dāng)手機(jī)打開GPS定位和“網(wǎng)絡(luò)輔助GPS”功能時，手機(jī)就可以通過衛(wèi)星定位和電信網(wǎng)絡(luò)定位共同計(jì)算手機(jī)所在的位置，比單獨(dú)使用GPS衛(wèi)星定位速度更快，精度更高[3]。

1.3 手機(jī)定位應(yīng)用軟件

智能手機(jī)之所以應(yīng)用廣泛，最主要的原因是系統(tǒng)可以接受大量的應(yīng)用軟件，只有安裝了應(yīng)用軟件手機(jī)才能發(fā)揮硬件功能，提供與使用者交互的機(jī)會。用于定位的應(yīng)用一般可分為兩種：數(shù)據(jù)定位和地圖導(dǎo)航。當(dāng)安裝數(shù)據(jù)定位應(yīng)用軟件時，手機(jī)可以通過觀測衛(wèi)星、電信網(wǎng)絡(luò)等獲得坐標(biāo)數(shù)據(jù)，如手機(jī)所在位置的緯度、經(jīng)度、高程、移動方向、移動速度等信息；當(dāng)手機(jī)安裝了地圖導(dǎo)航應(yīng)用軟件時，手機(jī)的實(shí)時位置可以在電子地圖上顯示出來，用一個符號顯示手機(jī)與道路、房屋等地物的相對位置關(guān)系，或使用曲線顯示手機(jī)的行進(jìn)軌跡等。有些應(yīng)用軟件兼具數(shù)據(jù)定位和地圖導(dǎo)航的功能。手機(jī)定位的應(yīng)用軟件可以通過手機(jī)從因特網(wǎng)上免費(fèi)下載安裝。

2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法

手機(jī)通過衛(wèi)星和網(wǎng)絡(luò)得到的位置數(shù)據(jù)稱為坐標(biāo)，如緯度、經(jīng)度和高程等，而坐標(biāo)是在一定的基準(zhǔn)下定義的，手機(jī)應(yīng)用軟件提供的坐標(biāo)一般是以世界坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的，與衛(wèi)星系統(tǒng)定義的基準(zhǔn)相同，即WGS84世界大地坐標(biāo)系。與我們油田測井施工使用的地方坐標(biāo)系是不同的。為了提供較高的導(dǎo)航精度，需要進(jìn)行必要的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[4]。

2.1 求算轉(zhuǎn)換參數(shù)

轉(zhuǎn)換參數(shù)是將坐標(biāo)從一個坐標(biāo)基準(zhǔn)向另一個坐標(biāo)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的參數(shù)，根據(jù)技術(shù)要求不同，轉(zhuǎn)換模型也不相同，轉(zhuǎn)換參數(shù)的數(shù)量和量度也不同。如精度要求較高的大地測量要求使用基準(zhǔn)平移、轉(zhuǎn)換、尺度等7個參數(shù)，導(dǎo)航工作中可以使用二維平移2參數(shù)或三維平移3參數(shù)。這里通過二維平移2參數(shù)進(jìn)行敘述。

首先在一個具有已知井位坐標(biāo)的井上利用手機(jī)進(jìn)行觀測，取得該井的衛(wèi)星定位坐標(biāo)。一般井位坐標(biāo)為平面直角坐標(biāo)，需要進(jìn)行平面直角坐標(biāo)至大地坐標(biāo)的變換[5]：

(1)

設(shè)觀測得到的WGS84坐標(biāo)系大地坐標(biāo)緯度為(B84，L84)，則轉(zhuǎn)換參數(shù)為：

(2)

式中，(B84，L84)為觀測WGS84坐標(biāo)系井位坐標(biāo)緯度、經(jīng)度；(B井，L井)為已知地方坐標(biāo)系井位坐標(biāo)緯度、經(jīng)度；(ΔB，ΔL)為坐標(biāo)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)緯度差、經(jīng)度差。

如果希望提高轉(zhuǎn)換參數(shù)的精度，可以增加在已知地方坐標(biāo)的井位上觀測次數(shù)，用多次觀測的平均值來計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，消除偶然誤差[6]。

2.2 計(jì)算目標(biāo)井位坐標(biāo)

測井施工下達(dá)任務(wù)書包含了測井井號、井位坐標(biāo)等基本信息，根據(jù)井位坐標(biāo)，利用轉(zhuǎn)換參數(shù)可以計(jì)算出導(dǎo)航點(diǎn)坐標(biāo)。

首先利用公式(1)進(jìn)行平面直角坐標(biāo)至大地坐標(biāo)的變換，然后利用求取的轉(zhuǎn)換參數(shù)將目標(biāo)井位的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航坐標(biāo)，即WGS84坐標(biāo)系基準(zhǔn)下的坐標(biāo)：

(3)

式(3)中，(Bi，Li)為目標(biāo)井位WGS84坐標(biāo)系緯度、經(jīng)度。

3 導(dǎo)航數(shù)據(jù)的編輯方法

電子地圖是導(dǎo)航的基礎(chǔ)平臺，能夠顯示較實(shí)時和詳細(xì)的地面信息。但是出于國家安全和數(shù)據(jù)保密的原因，電子地圖在制作和發(fā)行時是進(jìn)行了人為偏移或扭曲。所以要想使井位數(shù)據(jù)與電子地圖基準(zhǔn)吻合，必須將井位坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成為電子地圖的語言[7]。

3.1 選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)航平臺

目前有很多的電子地圖導(dǎo)航平臺可供下載和使用，每種軟件特點(diǎn)和功能有所不同。為了實(shí)現(xiàn)精確的導(dǎo)航，并且能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)井位作為導(dǎo)航點(diǎn)或?qū)Ш胶骄€的批量導(dǎo)入，需要選擇能夠接收坐標(biāo)文本數(shù)據(jù)的軟件作為導(dǎo)航平臺。經(jīng)測試，能夠接收坐標(biāo)文本文件導(dǎo)入的軟件包括奧維互動地圖、谷歌地圖、oruxmaps等，其中奧維互動地圖具有較好的交互界面和導(dǎo)航功能。

3.2 編輯導(dǎo)航點(diǎn)數(shù)據(jù)

常用的導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式一般為KML和GPX文本數(shù)據(jù)格式等，可用于一般的計(jì)算機(jī)電子地圖軟件、手機(jī)導(dǎo)航電子地圖應(yīng)用。KML是由開放地理空間聯(lián)盟維護(hù)的國際標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于谷歌地球、谷歌地圖等平臺中顯示地理數(shù)據(jù)[5]。主要文本格式如下所示：

寧波西鄰紹興、杭州，北面與上海隔海相望，一直就處在杭州、上海兩地國內(nèi)頂尖醫(yī)院的輻射圈內(nèi)。作為代表寧波醫(yī)療服務(wù)水平的大型三甲醫(yī)院，寧波一院需要持續(xù)提升自身的綜合實(shí)力，才能夠留住本地患者。

其中，為地圖顯示的點(diǎn)名稱，可以設(shè)計(jì)為目標(biāo)井的井號；

為目標(biāo)井經(jīng)度、緯度和概略高程，大地坐標(biāo)以十進(jìn)制數(shù)據(jù)“度”為單位，高程以“米”為單位。

GPX是一種GPS交換數(shù)據(jù)格式，可以用來在不同的GPS設(shè)備和軟件之間交換數(shù)據(jù)。主要文本格式如下所示：

其中，為地圖顯示的點(diǎn)名稱，可以設(shè)計(jì)為目標(biāo)井的井號；

為目標(biāo)井緯度和經(jīng)度，大地坐標(biāo)以十進(jìn)制數(shù)據(jù)“度”為單位，高程以“米”為單位。

在實(shí)際應(yīng)用中可以利用計(jì)算機(jī)谷歌地球、奧維互動地圖等軟件導(dǎo)出一個導(dǎo)航點(diǎn)樣本文件，通過手工編輯或編寫程序的方式將經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的目標(biāo)井位坐標(biāo)編輯和保存在文本文件中，即建立了導(dǎo)航數(shù)據(jù)文件。

4 野外導(dǎo)航

當(dāng)需要進(jìn)行油田測井野外施工時，利用手機(jī)、地圖導(dǎo)航應(yīng)用及建立的目標(biāo)井位數(shù)據(jù)可以進(jìn)行導(dǎo)航。

4.1 導(dǎo)入導(dǎo)航數(shù)據(jù)

導(dǎo)航數(shù)據(jù)文件可以通過數(shù)據(jù)線、網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙等方法從計(jì)算機(jī)傳遞到手機(jī)內(nèi)存，供野外導(dǎo)航應(yīng)用。

啟動導(dǎo)航應(yīng)用軟件，如奧維互動地圖，打開應(yīng)用的“更多”設(shè)置，選擇“數(shù)據(jù)管理”中的“導(dǎo)入導(dǎo)出對象”，選擇“從文件導(dǎo)入”，找到保存導(dǎo)航點(diǎn)數(shù)據(jù)文件的目錄，則會顯示帶有KML、GPX等擴(kuò)展文件名的文件，選擇指定的文件，地圖平臺就會顯示出各目標(biāo)井位的標(biāo)示，井位的位置在地圖上被準(zhǔn)確地表示出來。

4.2 地圖導(dǎo)航

打開手機(jī)設(shè)置中的關(guān)于衛(wèi)星定位和網(wǎng)絡(luò)定位的設(shè)置，一般表示為“訪問我的位置”，允許“使用GPS衛(wèi)星”定位和允許“使用無線網(wǎng)絡(luò)”定位，不同類型的手機(jī)的表示方法可能有所不同。

當(dāng)手機(jī)觀測到足夠的衛(wèi)星或獲得GSM網(wǎng)絡(luò)位置時，地圖會顯示當(dāng)前手機(jī)的位置。通過地圖應(yīng)用中的“編輯”和“測繪”功能，可以丈量出當(dāng)前位置到目標(biāo)井位的距離和方位。

如果距離目標(biāo)較遠(yuǎn)，到達(dá)目標(biāo)井位需要經(jīng)過公路，可以通過“路線”導(dǎo)航的形式搜索可行的道路，顯示目標(biāo)點(diǎn)的路程和方向，指引車輛運(yùn)行。

5 結(jié) 論

隨著智能手機(jī)的發(fā)展，其功能越來越強(qiáng)大，在一定程度上替代了導(dǎo)航儀、計(jì)算機(jī)等設(shè)備，而且具有成本低、攜帶方便的優(yōu)勢。利用手機(jī)的衛(wèi)星定位和網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，協(xié)助油田測井人員和設(shè)備到達(dá)目標(biāo)井位，能夠提高生產(chǎn)效率。同時本文討論的方法可以推廣到管線檢測、井位維護(hù)、運(yùn)輸保障等多種需要移動和搜尋目標(biāo)的工作中，為生產(chǎn)者及時、準(zhǔn)確地指引目標(biāo)。