基于GPS RTK技術(shù)鉆前工程征地坐標(biāo)快速推算方法

胡濤

摘? 要：在石油勘探開發(fā)鉆井施工中，鉆前工程的實(shí)施首先要確定工程用地范圍，這就涉及到征地，如何快速、高效地確定征地范圍，向土地管理部門提交準(zhǔn)確的征地坐標(biāo)，是一項(xiàng)必須要開展的測繪工作。該文通過分析井口位置、井場方位與井場各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的關(guān)系，與鉆前現(xiàn)場踏勘實(shí)際情況和GPS RTK的快速高效定位相結(jié)合，采用坐標(biāo)解析的方法，建立計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了鉆前征地坐標(biāo)的快速高效推算。

關(guān)鍵詞：GPS RTK? 鉆前工程? 征地坐標(biāo)? 坐標(biāo)推算

中圖分類號：P228.4 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）07（c）-0021-02

在石油勘探開發(fā)鉆井施工中，鉆前工程是首先要實(shí)施的一項(xiàng)工程，鉆前工程由道路建設(shè)、井場建設(shè)、井隊(duì)生活區(qū)建設(shè)等幾部分組成，其中井場建設(shè)是其中最重要的組成部分，井場建設(shè)包括井場、放噴坑、應(yīng)急場地3部分。鉆前工程的實(shí)施首先要確定工程用地范圍，這就涉及到征地，要準(zhǔn)確確定征地范圍，就需要提供征地點(diǎn)坐標(biāo)。征地坐標(biāo)不準(zhǔn)確或者誤差太大，將導(dǎo)致征地過大或過小，征地范圍過大時(shí)帶來征地費(fèi)用成本過高;征地范圍過小時(shí)，將導(dǎo)致工程因超出征地范圍而違法違規(guī)。因此，向國土資源管理部門提供準(zhǔn)確的征地坐標(biāo)，是保證征地范圍準(zhǔn)確的前提。

我們知道，整個(gè)鉆前工程是圍繞著井口位置來實(shí)施的，尤其是井場建設(shè)完全以井口位置為基準(zhǔn)，也就是說一旦井口位置確定了，只要給定了井場的擺放方位，那么整個(gè)井場位置包括放噴坑、應(yīng)急場地等也就確定了。因此，要提供準(zhǔn)確的征地坐標(biāo)，不能采用現(xiàn)場采集坐標(biāo)的方法，那樣效率太低，且施工難度較大，因?yàn)闊o論是RTK測量，還是全站儀測量，都很難剛好測出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的井場。

1? 解決方案

GPS RTK技術(shù)即實(shí)時(shí)動態(tài)測量技術(shù)，是全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)與數(shù)據(jù)通信技術(shù)相結(jié)合的載波相位實(shí)時(shí)動態(tài)差分定位技術(shù)[1]，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果。運(yùn)用RTK技術(shù)能快速、高精度測量放樣坐標(biāo)的這一優(yōu)勢，現(xiàn)場采集測量一部分關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)與鉆前工程各部分的關(guān)系，推算出整個(gè)鉆前工程的征地范圍坐標(biāo)，才是解決這個(gè)問題的方法。

鉆前工程施工前，首先要到現(xiàn)場進(jìn)行井位放樣和踏勘，以獲取井口初測坐標(biāo)[2]，來確定勘探開發(fā)部門提供的設(shè)計(jì)井口位置是否滿足鉆前工程施工要求，如果滿足要求，就需要確定井場的方位和井場道路接路口坐標(biāo)位置。實(shí)際上，井場方位是由井場道路接路口位置確定的，用RTK采集井場接路口的準(zhǔn)確坐標(biāo)，再結(jié)合井口初測坐標(biāo)，就可以運(yùn)用幾何學(xué)和測繪學(xué)的原理，推算出其他所有部分的準(zhǔn)確坐標(biāo)。

首先根據(jù)井場的尺寸及各部分的關(guān)系建立計(jì)算模型。中國石化集團(tuán)西北油田分公司在塔里木盆地部署的井位，井場的尺寸一般分為兩種，一種是85m×115m，另一種是90m×120m。由分析可知，井場征地坐標(biāo)點(diǎn)的相對位置是固定的，共有28個(gè)點(diǎn)構(gòu)成，也就是要提供28組坐標(biāo)。井場具體尺寸示意圖見圖1。

2? 推算方法

采用坐標(biāo)解析計(jì)算方法，根據(jù)井位坐標(biāo)和道路接路口坐標(biāo)確定的井場方位，及井口與井場、放噴坑、應(yīng)急場地、生活區(qū)等之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，推算出井場四角點(diǎn)、永久征地四角點(diǎn)、放噴坑四角點(diǎn)、應(yīng)急場地四角點(diǎn)、放噴坑道路、生活區(qū)四角點(diǎn)等的坐標(biāo)。具體步驟如下：

（1）建立坐標(biāo)系。為便于分析和計(jì)算，建立的坐標(biāo)系以井口位置為坐標(biāo)系原點(diǎn)（X0，Y0），井口至道路接路口連線方向?yàn)閄軸，北方向?yàn)檎?，過原點(diǎn)與X軸垂直的方向?yàn)閅軸，東方向?yàn)檎?。這樣建立的坐標(biāo)系能與測繪坐標(biāo)系保持一致，減少了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)系見圖1。

（2）計(jì)算各點(diǎn)的位置參數(shù)。根據(jù)井場各部分的尺寸及相互之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，以井口為原點(diǎn)，以X軸為起始方向，根據(jù)幾何學(xué)原理，逐一計(jì)算井口至各點(diǎn)的水平距離s和方位角θ，方位角可以通過反三角函數(shù)計(jì)算，為便于計(jì)算，角度應(yīng)以弧度表示。我們把井口位于坐標(biāo)系原點(diǎn)，接路口方向?yàn)檎钡那闆r，稱為標(biāo)準(zhǔn)模型。標(biāo)準(zhǔn)模型各點(diǎn)的方位角和距離是固定值。因?yàn)槲挥谄渌恢煤头较虻木?，只不過是在標(biāo)準(zhǔn)模型下的旋轉(zhuǎn)和平移。

（3）根據(jù)位置參數(shù)建立計(jì)算模型。計(jì)算方法采用的是測繪學(xué)上坐標(biāo)正算[3]的原理，即：已知一點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)水平距離s和方位角θ，計(jì)算另一點(diǎn)坐標(biāo)。計(jì)算公式為：

（1）

（4）根據(jù)鉆前現(xiàn)場踏勘采集的井場道路接路口坐標(biāo)（X1，Y1）和井口坐標(biāo)（X0，Y0），利用坐標(biāo)反算的原理，計(jì)算該井的井場方位角α。計(jì)算公式為：

（2）

（5）坐標(biāo)系平移和旋轉(zhuǎn)。把式（1）中方位角θ加上α，原點(diǎn)坐標(biāo)替換為實(shí)際井口坐標(biāo)，即可計(jì)算出各點(diǎn)的坐標(biāo)。

井隊(duì)生活區(qū)的計(jì)算也可采用上面原理。為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動化和批量化，可以采用Excel辦公軟件里的函數(shù)計(jì)算功能，將上述步驟編寫成公式，或直接編寫小軟件，實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動化和批量化，以提高計(jì)算效率。

3? 實(shí)際應(yīng)用

成熟的GPS RTK技術(shù)采用的是以載波相位技術(shù)為基礎(chǔ)的相對定位原理，能達(dá)到厘米級的定位精度[4]。在塔河油田2018年第3批、第4批共計(jì)39口開發(fā)井的鉆前征地坐標(biāo)采集中，該方法得到了實(shí)際應(yīng)用。通過現(xiàn)場踏勘確定道路接路口位置和井場方位，再采用RTK現(xiàn)場采集井場方位關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)和井口坐標(biāo)，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理人員根據(jù)采集的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)，用建立好的Excel計(jì)算表格快速推算出了各井的鉆前工程征地坐標(biāo)，并交給了施工單位進(jìn)行放線，經(jīng)現(xiàn)場測量驗(yàn)證，推算出來的坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)、精確，既兼顧了GPS RTK測量的精度，又實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)場探勘的情況的吻合，計(jì)算成果提交至地方土地管理部門得到了認(rèn)可，取得了很好的效果。

4? 結(jié)語

理論和實(shí)踐表明，將GPS RTK技術(shù)和現(xiàn)場踏勘的實(shí)際情況相結(jié)合，采用坐標(biāo)解析計(jì)算的方法，快速、高效、準(zhǔn)確地推算鉆前工程征地坐標(biāo)是可行的，既保證了提交坐標(biāo)成果的精度和準(zhǔn)確性，又兼顧了施工現(xiàn)場的實(shí)際情況，降低了技術(shù)人員的作業(yè)強(qiáng)度，提高了工作效率，具有參考借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡濤.長距離GPS RTK測量的精度檢核方法與實(shí)例[J].全球定位系統(tǒng)，2018，43（3）：67-69.

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[3] 潘正風(fēng)，楊正堯，程曉軍，等.數(shù)字測圖原理與方法[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2007：180-181.

[4] 胡濤.基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的手持GPS測量精度測定[J].全球定位系統(tǒng)，2017，42（3）：87-89.