CN101351617A - 磁信标制导系统 - Google Patents

Abstract

一种用于将探测器(20)引导到目标的方法包括：在所述目标放置磁场产生器，并且将所述探测器(20)引导到所述目标的区域。所述探测器承载测量传感器封装件(28)，并且所述方法包括：使用所述测量传感器封装件(28)来首先获得多个测量读数，其次利用由所述磁场产生器产生的磁场来获得多个磁信标读数。将选定数量的测量读数与所述磁信标读数相比较，并且确定所述测量读数和所述磁信标读数之间的差异。所述方法包括：其后补偿那个差异以将所述探测器(20)引导到所述目标。

Description

磁信标制导系统

技术领域

本发明涉及制导系统。更具体地，本发明涉及用于将探测器引导到目标的方法和系统。本发明具体地但不必然排他地具有的应用领域是在煤床甲烷气体提取领域内钻出达到竖直孔的横向孔的领域。

背景技术

在多个应用内，必须引导探测器穿过固体介质而到达目标。这样的应用的一个示例是在煤床甲烷气体(CBM)提取领域内。虽然已经对于这种应用特别开发了本发明，但是利用很少的修改(如果有修改的话)，本发明可以用于其他应用。因此，本发明不限于这样的应用，本领域普通技术人员容易理解本发明可以应用于其他使用领域。

在一种CBM提取方法中，从表面向下钻出竖直井并使其穿过目标煤床。泵在井底煤层之下的坑腔内保持低压力。水平地钻出横向孔并使其穿过煤层，其目的在于与所述井相交。泵进而用于从煤层中提取甲烷。横向孔从表面位置进入地面，其为上倾的并距离通风井的水平距离为300-1500米。一旦处于煤层内，则钻杆柱被转动到更水平的高度，但是沿着煤层的斜层。主要由于由测量系统引入的累积系统误差，因此产生了不确定性的椭圆。实际上，在钻杆柱的第一次通过时，横向孔与钻孔相交的机会很小。

结果，使得横向孔与钻孔相交是非常难得的事，并且迄今为止，需要钻杆柱的重复通过来实现这个目的。可以明白，操作钻机成本很大，并且因此钻杆柱的每次通过成本很大，虽然说不上它是耗时的。每次要求钻杆柱的另一次通过时，需要缩回钻杆柱并且绘制和钻出新的轨迹。

发明内容

按照本发明的第一方面，提供了一种用于将探测器引导到目标的方法，所述方法包括：

在所述目标处放置磁场产生器；

将所述探测器引导到所述目标的区域，所述探测器承载测量传感器封装件；

使用所述测量传感器封装件来获得多个测量读数(surveyreading)；

使用所述测量传感器封装件，以便于利用由所述磁场产生器产生的磁场获得多个磁信标读数；

将选定数量的测量读数与所述磁信标读数相比较，并且确定在所述测量读数和所述磁信标读数之间的差异；并且

其后补偿所述差异，以将所述探测器引导到所述目标。

测量读数和磁信标读数之间的差异可以包括角度差和/或位移差。

所述方法可以包括选择将具有预定尺寸的所述磁场产生器。具体地，所述方法可以包括：根据探测器可能远离所述目标的估计距离来选择所述磁场产生器的尺寸。因此，所述方法可以包括以多个分段来实现磁场产生器，以便可以使用期望长度的磁场产生器。

所述方法可以包括：初始限定探测器的开始位置(commencementposition)和结束位置。在煤床甲烷气体提取领域内，所述探测器的开始位置可以是要钻出的横向孔的进入环，结束位置可以是在假定没有误差的情况下探测器应当与目标相交的位置。

所述方法可以包括处理和记录由探测器沿其初始轨迹产生的数据。由于所述轨迹的一些部分可能导致死巷的原因，因此所述方法可以包括：排除与初始轨迹的未完成且不可使用的部分相关的数据。

所述方法可以包括：当所述探测器在所述磁场产生器的范围内时，获取预定数量的磁信标读数。所述方法可进一步包括：从至少两对预定磁信标读数中推导出方位(fix)。因此，所述方法可以包括：通过将磁信标读数与对应的测量读数相比较而选择每个磁信标读数，用于推导出所述方位；并且，如果磁信标读数与测量读数相差超过预定值的量，则忽略那个磁信标读数。所述方法可进而包括：从所述方位形成磁信标读数的一个分段。而且，所述方法可以包括：将所述磁信标读数的分段与对应的测量读数的分段相比较。

优选的是，所述方法包括：针对每个磁信标读数获得两个测量值，其中一个用于磁场产生器在第一方向上的磁极，另一个用于磁场产生器在相反方向上的磁极，以便最小化地球磁场的影响。

所述方法可以包括：获得用于表示在每个磁信标读数由所述磁场产生器产生的磁场的径向分量的向量。所述方法可以包括：将原始向量从每个磁信标读数变换以获得所述径向向量。

所述方法可以包括：计算每个磁信标读数和其相关联的测量读数之间的角度差，并且计算所述磁信标读数和其相关联的测量读数之间的位移差。

而且，所述方法可以包括：计算新的轨迹，并且向操作者显示所述新的轨迹。具体地，所述新的轨迹可以以图形和数字形式显示给操作者。

按照本发明的第二方面，提供了一种用于将探测器引导至目标的系统，所述系统包括：

磁场产生器，其将位于所述目标；

测量探测器，其将被引导到所述目标，所述测量探测器承载测量传感器封装件，所述传感器封装件的传感器是可操作的，以便于通过使用由所述磁场产生器产生的磁场来获得多个测量读数和多个磁信标读数；以及

处理设备，用于处理与选定数量的被测量的测量读数和磁信标读数相关的数据，以确定所述测量读数和所述磁信标读数之间的差异，并且用于其后补偿所述差异以将探测器引导到所述目标。

所述磁场产生器可以具有可变的尺寸，根据所述探测器可能距离所述目标的估计距离来选择所述磁场产生器的尺寸。优选的是，所述磁场产生器包括多个可互连的分段，以便可以使用期望长度的磁场产生器。所述磁场产生器可以是具有可切换磁极的螺线管。

所述测量传感器封装件可以包括多对磁力计/加速计，所述对被布置成获得沿笛卡儿坐标的读数。

所述处理设备是可操作的以便于处理和记录由探测器沿其初始轨迹产生的数据。

所述测量封装件是可操作的，以便于当所述探测器在所述磁场产生器的范围内时获得预定数量的磁信标读数。然后，所述处理设备可操作地用于从至少两对预定的磁信标读数推导出方位。

所述处理设备可操作地用于选择每个磁信标读数，用于通过将所述磁信标读数与对应的测量读数相比较而推导出方位，并且如果所述磁信标读数与所述测量读数相差超过预定值的量，则忽略那个磁信标读数。

而且，所述处理设备可操作地用于从所述方位形成磁信标读数的分段，并且将所述磁信标读数的分段与对应的测量读数的分段相比较。

所述系统可以包括切换装置，用于切换所述磁场产生器的磁极的相对方向，以最小化地球磁场的影响。

所述处理设备可操作地用于获得表示在每个磁信标读数由所述磁场产生器产生的磁场的径向分量的向量。因此，所述处理设备可以将原始向量从每个磁信标读数变换，以获得所述径向分量。

而且，所述处理设备可操作地用于计算每个磁信标读数和其相关联的测量读数之间的角度差，并且计算所述磁信标读数和其相关联的测量读数之间的位移差。由此，所述处理设备可以计算探测器的新的轨迹。

所述系统可以包括显示装置，用于向操作者显示所述探测器的所述新的轨迹。

附图说明

现在通过参见示意性附图以举例方式说明了本发明的实施例，附图中：

图1示出了按照本发明实施例的系统的示意图示，所述系统用于将探测器引导到目标；

图2示出了在图1的系统的探测器的原始轨迹和被调整的轨迹之间的比较的示意图；

图3示出了探测器的到达目标的路径的示意侧视图；

图4示出了探测器相对于目标的路径的最后部分的示意平面图，其表示拉回和相交操作；

图5示出了探测器相对于目标的路径的最后部分的示意平面图，其指示了根据本发明实施例的方法的一部分，所述方法用于将探测器引导到目标；

图6示出了目标的示意剖面侧视图，其中所述目标处具有磁场产生器；

图7示出了其上叠加了在所述方法中使用的向量的路径的一部分的示意平面图；

图8示出了其上叠加了在所述方法中使用的其他信息的、与图7的视图类似的视图；

图9示出了所述方法中所使用的向量变换之后的示意平面图；

图10示出了在轨迹校正之后的图8的路径的一部分的示意平面图；

图11示出了图1的系统的显示器的屏幕快照；以及

图12示出了图1的系统的显示的另一个屏幕快照。

具体实施方式

首先参见附图的图1，示出了用于将探测器引导到目标的系统的实施例，并且其由附图标号10总体指示。系统10可以用于多种应用。但是仅仅为了容易说明，将参考系统10在从煤层提取煤床甲烷气体(CBM)的领域内的应用来说明系统10。

在这样的系统内，朝向形式为竖直延伸的钻孔14的目标钻出横向孔12(图3)，以与钻孔14相交。钻出横向孔12并使其穿过附图的图6内的16所示意性指示的煤层。

系统10包含竖直钻孔14内所容纳的磁场产生器或信标18，其刚好悬挂在煤层16内，如附图的图6所示。

系统10还包括测量探测器20，其被布置在钻杆柱22内。更具体地，测量探测器20被布置在承载钻头26的底部孔组件24中。所述测量探测器20可以被安装到钻头26后方6-12米。所述测量探测器承载测量传感器封装件28。虽然在附图的图1内将测量传感器封装件28示出为独立的部件，但这纯粹是为了说明。实际上，测量封装件28被布置在测量探测器20内。测量封装件28承载多个传感器，所述传感器可操作地用于获得多个测量读数。更具体地，所述传感器包括三个磁力计和三个加速计，它们沿笛卡儿坐标30而布置成成对的磁力计/加速计。

测量探测器20、更具体地是其传感器封装件28与处理器32形式的远程布置的处理设备通信。所述处理器32在显示器34上显示所产生的数据。

磁信标18可以由任何适当的磁场产生器构成。在一个优选实现方式内，磁信标18具有可以切换其磁极的电磁铁或螺线管36的形式。但是，可以明白，磁信标18可以是永久磁铁，虽然这将需要从钻孔14取出信标18并倒转它以便倒转其极性。

螺线管36产生磁场38。磁场38的大小和形状被螺线管36的长度控制。因此，螺线管36可以被分段布置，所述分段可以以端对端的关系被固定在一起，以按照需要改变磁场38的大小和形状。

从进入位置或进入环40(图2)沿预定轨迹42朝向钻孔14挖出横向孔12。相对于基线44而绘制了轨迹42。

由于在传感器封装件28的传感器和诸如钻杆柱延伸的其他因素内的误差，当钻杆柱22沿轨迹42进行时，误差累积了。因此，虽然原始轨迹42被示出为从进入环延伸以与钻孔14相交，但是实际上，所钻出的轨迹更经常的是错过钻孔14，这并不是不可能发生的，如在附图的图2内的轨迹46所示。可以明白，在方位平面内的传感器的分辨率仅仅是大约0.5°。进入环40可以与目标14相距1500米，并且目标14仅仅具有大致15厘米的直径，因此，轨迹42与目标14相交的可能性低。

在附图的图2内，点48表示原始轨迹的最后测量点，并且点50表示被调整的轨迹的最后测量点。这示出了方位角误差52以及基线位移误差54。

另外，如附图的图3内所示，从表面挖出的横向孔14必须从竖直向水平转动几度，如附图的图3内的56所示。横向孔12的这种转动也向轨迹42引入了显著误差。

这些误差在轨迹42的长度上累积，必须补偿护着些误差以便横向孔12可以与目标14相交。

在开始钻井之前，进入环40和目标14必须被精确地限定在网格坐标内，因为它们是用于操作的重要数据点。通常，测量计算解析了相对于进入环40的位置，因此知道了进入环40在局部网格坐标内的位置会影响沿轨迹42的所有点的绝对测量精度。

同样地，一旦信标方位已经解析了相对于目标14的轨迹位置，则在假定已经良好地限定了进入环40的位置和目标14的位置两者的情况下，可以高精度确定在轨迹42的两端的探测器20的绝对网格位置。

作为开始步骤，处理和记录从探测器20产生的所有数据，以便可以将钻杆柱22的路径限定在传感器封装件28的传感器的容许极限内。但是，所述路径通常不仅仅是从进入环40向目标14绘制的单个连续孔。在典型的操作内，向目标14钻孔的过程通常需要钻出一系列分支孔，其被称为侧钻，当被排成一列时形成最后的路径。诸如在煤层16内的故障和滚动的因素的组合使得很难在煤层底板58(图6)和煤层顶部60内在计划的轨迹42的距离内导航。如上所述，使导航更困难的是下述事实：测量探测器20位于钻头26后方大约6米到12米。其与很受限的转动半径相结合意味着钻杆柱22可能在任何给定的操作期间无意地被驱动出煤层16多次。每次退出煤层16，钻杆柱22必须在可开始一个分支孔的位置撤回到煤层16。

系统10的处理器32的软件功能是确定从进入环40延伸到目标14的连续路径。分支孔的可用部分被包括在最后的轨迹42内，并且被插到它们的分支点，同时排除了不可用的死巷部分。

处理器32必须从探测器20的传感器封装件28获得所有的传感器数据，并且从操作者或者从附接到钻杆柱22的传感器获得被测量的深度间隔长度。这些数据用于使用来自探测器20的传感器封装件28的原数据来解析位置。假定轨迹42在任何两个被测量的点之间插入圆形路径，其具有由两点分段限定的方向和半径。使用2x方位角+2x倾斜角值Pt1(az1，inc1)-Pt2(az2，inc2)加上所测量的沿那个分段的距离(Δmd)来计算每个分段。

(Δmd＝md2-md1)                                     方程1

因为

$\cos \left(\mathrm{\θ}\right)=\stackrel{\→}{v}1\·\stackrel{\→}{v}2$ (任何两个向量的点积)

其中，θ是在被测量的两个向量之间的总的角度差。

则

$\mathrm{\θ}={\cos }^{-1}(\stackrel{\→}{v}{1^{\′}}_{\left(\mathrm{GCS}\right)}\·\stackrel{\→}{v}{2^{\′}}_{\left(\mathrm{GCS}\right)})$

其中

是被变换到网格坐标系的探测器到目标的单元向量。

f＝(2/θ)*tan(θ/2)                                 方程2

P.x＝(f*Δmd/2)*(sin(Inc_(i-1))*sin(Az_(i-1))+(sin(Inc_(i))*sin(Az_(i)))

                                                    方程3

P.y＝(f*Δmd/2)*(sin(Inc_(i-1))*cos(Az_(i-1))+sin(Inc_(i)*cos(Az_(i)))

                                                    方程4

P.z＝(f*Δmd/2)*cos(Inc_(i-1))+cos(Inc_(i))

                                                    方程5

其中：

P是分段的端点。

Δmd＝md2-md1

Inc＝倾斜角

Az＝方位角

i＝拍摄次序指数

所测量的深度(md)是相对于md＝0的进入环40沿着孔12测量的总距离。轨迹42是从自方程3至5产生的每个连续点的累积和中找到的。

$\mathrm{Trajectory}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{pt}}_i$                                    方程6

其中，n是需要解析的拍摄数量，从1开始的指数i是在集内的任何点的序号。从方程6，很清楚看到从点的累积和形成轨迹42，所述累积和是从沿着孔12所取的每个连续测量对计算的。

利用方程3至5替代方程6中的pt_i，得到：

$\mathrm{Trajectory}.x\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{\min \mathrm{curve}}x({\mathrm{Az}}_{(i-1)},{\mathrm{Az}}_{\left(i\right)},{\mathrm{Inc}}_{(i-1)},{\mathrm{Inc}}_{\left(i\right)},{\mathrm{md}}_i-{\mathrm{md}}_{(i-1)},f)$

                                           方程7

$\mathrm{Trajectory}.y=\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{\min \mathrm{curve}}y({\mathrm{Az}}_{(i-1)},{\mathrm{Az}}_i,{\mathrm{Inc}}_{(i-1)},{\mathrm{Inc}}_{\left(i\right)},{\mathrm{md}}_{\left(i\right)}-{\mathrm{md}}_{(i-1)},f)$

                                            方程8

$\mathrm{Trajectory}.z=\underset{t=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{\min \mathrm{curve}}z({\mathrm{Inc}}_{(i-1)},{\mathrm{Inc}}_{\left(i\right)},{\mathrm{md}}_{\left(i\right)}-{\mathrm{md}}_{(i-1)},f)$

                                            方程9

钻机22的操作者使用方程7至9的结果来沿着煤层16驱动以最终与目标14相交。在轨迹42内的每个点被绘制在图上，所述图示出了在平面图和竖直剖面图内投影的轨迹路径42、进入环40处的进入点、目标14和基线44。

为了使用信标18来排列目标14，螺线管36首先被降低到竖直目标孔14，因此下磁极位置刚好高于煤层16的顶部60。操作者通过执行一串信标拍摄来定位螺线管36，在所述一串信标拍摄中必然有至少三个好的拍摄品62、64和66(图4、5和10)。如下更详细所述，每个信标拍摄品62、64和66应当产生指向螺线管的大的径向向量。所述径向向量是磁场38的与螺线管36垂直的分量。在这一点上，可以注意到，磁场38的形状基本上是环状的(toroidal)，并且，场的具有大径向分量的那部分位于螺线管36的上方和下方，如箭头68所示。相反，磁场38的沿着螺线管36侧面的那部分具有与螺线管的纵轴平行的通量线，因此具有大的轴向分量和小的径向分量，如箭头70所示。

被提取的径向磁场向量作为指向螺线管36的指针。通过变换来自探测器20的传感器封装件28的原始向量来获得径向磁场向量，就好像探测器的坐标系(PCS)被定向到螺线管36和所述网格。

与探测器20的实际方向无关，处理器32数学地反旋每个传感器输出，因此它测量场38，就好像探测器20绕其轴线滚转且倾斜，因此探测器20的X传感器与螺线管36的纵轴平行。如果螺线管36是绝对竖直的，则X传感器将向上直指，用于表示1G，Y传感器将是水平的且垂直于地平线，因此示出0G，并且Z轴在网格坐标系(GCS)上被旋转到北部。

通过执行这个操纵，探测器20的传感器封装件28的所述Y、Z磁力计(被虚拟旋转作为所述变换的结果)将仅仅“看到”螺线管36的磁场38的径向分量68，而虚拟X传感器将仅仅看到螺线管36的磁场38的轴向分量70。因此，为了找到磁场36的径向分量68，执行这些旋转的变换被应用，并且获得Y、Z向量。考虑到水平向量将被旋转到所述网格，即，虚拟Z轴将指向北，则所述径向分量将被定位在水平平面内的GCS内。

在任何组的信标读数或者拍摄品62、64和66内，有比所获得的拍摄品数量少一个的方位，因此例如，所述三个信标拍摄品62、64和66(从6个磁极拍摄品获得)将获得两个双拍摄品方位72、74(其是一个多拍摄方位)，如图5内所示。

每个方位72、74处理成对的拍摄品--因此方位1包含拍摄品1和2，方位2包含拍摄品2和3，方位3包含拍摄品3和4等。例外的是在第一方位内的第一拍摄品和在最后方位内的最后拍摄品。这表示实际上总共有2*(n-1)个拍摄品，在图5内的76和78示出了可能不精确地彼此对准的公共点。两个公共点76和78被平均，以便具有与所获得的拍摄品的数量相同数量的点。但是，在使用点之前，其必须通过如下所述的未对准测试，或者其被拒绝。所述未对准测试操作如下：

●每个分段80(图4)被独立地推导得到，并且如果所有的测量数据完全正确，则每个分段将无缝地配合于下一个分段而没有像差。但是，通常不是这种情况，因为信标的磁场测量会是由噪声的--特别是如果场的径向分量的被测量磁通密度在大约100nt之下的话。因此，查看每个向量以确认从每一个拍摄品到下一个拍摄品的连续的空间对准，即，所述系统以其未对准的量的顺序来在两个双点方位之间将公共点排序。

●在对应的测量拍摄品(例如以82、84和86示出)和大于4度的信标拍摄品之间的任何角度偏差被当作不可接受的。如果这个条件存在，则处理器32拒绝引起所述问题的信标点。如果拒绝一个点，则使用下一个对，例如，如果从系列s1、s2、s3和s4拒绝点3，则方位f1(s1，s2)、f2(s2，s4)将保持，然后，在平均了公共点s2(s2(fix1)+s2(fix2))/2后，获得最后的方位(s1，s2，s4)。

●然后查看包含从3到8个拍摄品的每个置换，以确认相对于对应测量分段88的最佳适配的连续空间对准。

●如果发现在可接受的极限内，则对于美好置换来平均测量至信标拍摄的未对准距离，并且其有助于加权系数，所述加权系数用于确定分级顺序中的簇位置。所述加权系数被存储为单个加权数量，然后被列举在列表内。所述列表以最小未对准到最大未对准的顺序排序(最好的在第一位-最差的在最后一位)。处理器32将所述列表提供到用户，作为一组可选择的方案，如附图的图12所示。但是，系统10将默认为最佳方案，即，具有最小的测量至信标的未对准。

图5示出了使用三个信标拍摄品62、64和66的简单示例。如上所述，存在两个方位72和74，并且方位1和2产生略为不同的位移76和78。为了解析这一点，平均所述两个发生位移的拍摄品，并且结果被示出为拍摄品64。这得出了三个点，将所述簇减少回与实际上获得的信标拍摄品相同的数量。虽然发生位移了(由于系统误差)，但是应当注意到，信标拍摄品的分段80在形状和方向上与被计算以插入相同点的测量拍摄品的分段88非常一致。

如上所述，虚线的轨迹线42表示信标范围搜索运行(beaconranging run)。点82、84和86表示沿传统被测量轨迹42的内插的测量点，它们以精确相同的测量距离处于孔12内，因为当钻杆柱22分别在沿着孔12的md＝1210m、1216m和1222m时排列每个信标点，例如点p1、p2和p3。理论上，测量拍摄品82、84和86应当精确地覆盖在信标拍摄品62、64和66上。不是这样的情况表示有误差。可以假定所述测量数据内具有误差。当通过了准确性检查时，信标拍摄簇内似乎没有误差。

通过使用插值过程或者最小曲率算法计算两个已知点之间的点的坐标，处理器32找到重合的测量点。另一种获得测量点的方法是通过下述方式：通过隔离来将地球场过滤的处理反转，并且使用地球磁场来取代螺线管36的磁场38。

处理器32确定相对于信标18的、探测器20的处于水平面内的位置。这是通过下述方式实现的：即，在每个磁极状态下激励螺线管36的同时进行磁场向量测量，如下更详细所述。将从所述测量得出的累积的位置测量值与从信标得出的位置相比较。假定任何偏离分量是误差，并且将其量化。

使用下面的公式来计算所述测量点：

$G_{\left(\mathrm{total}\right)}=\sqrt{{G_{.x}}^2+{G_{.y}}^2+{G_{.z}}^2}$                                                               方程10

$\mathrm{Inc}={\tan }^{-1}(G_{.z}/(\sqrt{{G_{.x}}^2+{G_{.y}}^2})$                                                               方程11

G_(roll)＝tan^-1(-G_.z/G_.x)                            方程12

$M_{\left(\mathrm{total}\right)}=\sqrt{{M_{.x}}^2+{M_{.y}}^2+{M_{.z}}^2}$

M_(Azimuth)＝tan^-1((M_.y*G_.x-M_.x*G_.y)/(M_.z*G_(total) ²-M_.x*G_.x*G_.z-M_.y*G_.y*G_.z-M_.z*G_.z ²))

                                                               方程13

M_(dip)＝tan^-1(I/K)                                             方程14

并且

I＝M_.x*G_.x+M_.y*G_.y+M_.z*G_.z                                     方程15

J＝α_(total)*G_(total)                                          方程

                                                               16

$K=\sqrt{J^2-I^2}$ 方程17

其中

G_(total)＝地球重力

Inc＝测量工具的相对于竖直方向的倾斜角

G_(roll)＝探测器的径向方位(围绕在纵轴的旋转度数)。通过记录总是指向地球中心的G向量的方向来确定所述数据，即探测器的高侧。

M_(total)＝以nano-teslas计的总的磁通密度

M_(Azimuth)从磁北起顺时针0-360度

M_(dip)＝地球磁场的相对于水平线的倾角。

存在两种需要校正的误差：

方位角误差

方位角误差或者水平角误差52是在传统的测量分段88和信标分段80之间的方位角上的差。一旦这个误差52已经被确定，则可以通过向在轨迹42内的每个点加上所述方位角误差或者通过使用几何变换旋转所有的点来调整被测量的轨迹42。方位角误差在水平面内，并且表现为以沿着围绕进入环的弧线枢转的方式累积水平位置误差。可以从诸如全球和本地的地球磁场扰动、传感器未对准、运行的齿轮和抽油杆柱干扰等的未知因素引起所述误差。因为目标是长的竖直形成，因此不必校正竖直误差。而且，传感器封装件28加速计的分辨率与磁力计相比较大得多，通常在+-.1度的数量级。这在大于1000米的水平位移的情况下仅仅转换为大约一米等。

基线位移误差

基线误差在例如在附图的图2内的54示出的反向或者正向上沿着基线44累积。基线误差具有许多来源，包括抽油杆伸长(或者抽油杆误计数)，但是在其中钻孔12从几乎竖直向几乎水平上仰的操作期间，由于在井的竖直到倾斜高度部分累积的倾斜角误差，导致非常大的分量。这是在附图的图3内的轨迹42的开始处的悬链线部分56。

为了量化方位角误差52和基线位移误差54，处理器32首先将信标点簇与传统测量点簇相比较。为了使得能够如此进行，需要在轨迹42中的已知测量深度处(通常在探测器20向处理器32告知其正处于螺线管36的场38内的点处)获得信标拍摄品62、64和66。一旦通过未对准测试的信标拍摄品62、64和66的簇已经被获得并且标准化了公共点，则相对于由它们的测量深度值限定的其重合测量点来测试每个得到的信标点。应当注意，在附图的图6内仅示出了两个信标拍摄品62和64。这纯粹是为了清楚的目的，并且处理器在使用中需要至少三个可接受允许指标(即满足未对准标准)以解析所述误差。

是两个磁信标的径向单位向量，其中每个与它们各自的在方位时的测量点相关联。是量级为1的单位向量，因此仅仅传送方向信息。因此，可以被看作在方位的第一位置指向信标18的箭头，并且

被看作从该第二位置同样指向信标18的箭头。

每个信标拍摄品由两个测量值或者磁极拍摄品构成。在使用在顶部的正(北)极和在底部的负(南)极来激励螺线管36的同时，当探测器20的传感器封装件28在螺线管36的磁场38内时，由探测器20的传感器封装件28进行第一测量。当探测器20的传感器封装件28在相对于螺线管36的相同位置时，利用探测器20的传感器封装件28来进行第二测量，但是用到反转的螺线管36的磁场，即顶部的负(南)极和底部的正(北)极。

当在每个位置(在每个测量点获得两个磁极拍摄品以解析信标位置)执行所述测量过程时探测器20不移动时，从而重力向量将不大幅度波动，因此处理器32随意使用来自所述两个磁极拍摄品之一的重力向量。

如果探测器20不在拍摄品之间移动，则

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{BG}}_{\left(i\right)}.x\\ {\mathrm{BG}}_{\left(i\right)}.y\\ {\mathrm{BG}}_{\left(i\right)}.z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{G}_{\left(i\right)}.x\\ G_{\left(i\right)}y\\ G_{\left(i\right)}.z\end{array}\right)$ 方程18

BM和BG分别是从探测器20直接获得的原始磁向量和原始重力向量。它们是来自探测器20的模数转换器(ADC)的原始输出。每个ADC服务于探测器内的6个方位传感器之一--磁(x，y，z)和重力(x，y，z)。

为了从所述测量值去除地球磁场的影响，从第一磁极拍摄品内的地球磁向量减去第二磁极拍摄品内的地球磁向量。这消除了包括地球磁场的所有未改变的磁量(magnetic quantities)。相反，来自信标18的两个转换的磁场向量将是加成的，因此信标磁场向量的总密度将是单个测量值的两倍，如下面的方程19所示。

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{BM}}_{\left(i\right)}.x\\ {\mathrm{BM}}_{\left(i\right)}.y\\ {\mathrm{BM}}_{\left(i\right)}.z\end{array}\right)=(1/2)\left(\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}{M}_{\left(i\right)}.x\\ M_{\left(i\right)}.y\\ M_{\left(i\right)}.z\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}{M}_{(i-1)}.x\\ M_{(i-1)}.y\\ M_{(i-1)}.z\end{array}\right)\end{array}\right)$ 方程19

与暴露所述地球磁场相反：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{EM}}_{\left(i\right)}.x\\ {\mathrm{EM}}_{\left(i\right)}.y\\ {\mathrm{EM}}_{\left(i\right)}.z\end{array}\right)=(1/2)\left(\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}{M}_{\left(i\right)}.x\\ M_{\left(i\right)}.y\\ M_{\left(i\right)}.z\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}{M}_{(i-1)}.x\\ M_{(i-1)}.y\\ M_{(i-1)}.z\end{array}\right)\end{array}\right)$ 方程20

如上所述，系统10仅仅使用信标18的磁场38的径向分量68。为了提取径向分量68，被测量的磁场被变换到螺线管36的坐标系中。为了使得能够如此进行，必须知道螺线管36在钻孔14内的姿态，以便能够限定几何变换矩阵。

也需要考虑探测器20的姿态和侧倾角。为了如此进行，需要构造以螺线管36的姿态开始的3D变换S。可以使用螺线管36的方向向量或者通过将两个独立的旋转矩阵(螺线管36的方位角和倾斜角)相乘来构造S。例如，可以开始于被定向为指向正北的+z轴。首先围绕螺线管36的倾斜方向(如果有的话)旋转所述+z轴。然后，围绕Y轴再一次旋转+z轴(INC-90)。

为了找到变换矩阵T，必须将矩阵S乘以三个其他的矩阵，即PR(探测器滚动)、PI(探测器倾斜)然后是PA(探测器方位角)，以得出

T＝PR*PI*PA*S               方程11

其中

S是螺线管36的复合旋转矩阵，并且与T相同，仅仅滚动矩阵PR不与螺线管相关；

PA是探测器20的方位角旋转矩阵；

PI是探测器20的倾斜旋转矩阵；并且

PR是探测器20的滚动旋转矩阵。

这旋转了传感器输出，以使探测器的X传感器轴线与螺线管36的纵轴(其可以是竖直的)虚拟对准。首先，探测器20必须围绕其Z轴来旋转(滚动)，因此，实际上，Y传感器水平指向，而X传感器直向下指向，因此仅仅在X、Z传感器上感觉到重力，在Y轴传感器上为0G。然后，应当将所述坐标系旋转所述探测器倾斜的相同的量。最后，应当朝向网格北向而旋转所述坐标系。最简单的示例是，如果螺线管36是竖直的并且探测器20是水平的(90度倾斜角)，并且具有0滚动方位角(向高侧定向)且向北移动，在这种情况下，T将是单位矩阵。

如果探测器20围绕其Z轴线滚动至其高侧，这将使得探测器20的Y轴线平行于水平线并进而围绕其Y轴线转动直至Z也与水平线平行，那么探测器20的方向向量将看起来像PG之下。在这种构造中，在Y和Z轴线上的传感器封装件28的加速计的读数将是0G的力，因此Y轴线加速计将读出总数1G。

PG[1 0 0]

必须使用下面的方程22和23通过旋转来变换来自探测器坐标系(PCS)(也称为传感器坐标系(SCS))的向量。使用下面的方程22、23和24来旋转点。因为已经知道了探测器20的所计算的指向，因此可以使用下面的通用旋转函数：

BRv2.y′_(GCS)＝BRv2.x_(SCS)*sin(Az)+BRv2.y_(SCS)*cos(Az)

                                              方程22

BRv2.x′_(GCS)＝BRv2.x_(SCS)*cos(Az)-BRv2.y_(SCS)*sin(Az)

                                              方程23

其中，Az＝探测器20磁方向+磁偏角

当使用上述变换来变换两个或更多个点的分段时，第一点被变换到原点，所有其他点等同地被变换，因此在执行下面方程24内的旋转之前，BP1_(SCS)＝[0 0]。

BPn_(SCS)＝BPn_(SCS)-BP1_(SCS)       方程24

有时，也可以在执行所述变换后要求：

BPn_(SCS)＝BPn_(SCS)-BP1_(SCS)       方程25

如在附图的图9内最清楚地所示，为了重建真实的信标方位几何形状，必须找到标量s和tv。如此进行的方便方式是首先使用从

构造的变换来执行暂时旋转，因此

变为临时坐标系的X轴。通过下述方式来如此进行：获得由顶点BP1’、BP2’和信标B限定的三角形，并且将其旋转到X轴，并且将P1变换到原点，以得到：

方程22和23

p1″＝[0 0]                         方程26

p2″＝A*(BP2′_(GCS)-BP1′_(GCS))     方程27

其中，

$A=\stackrel{A}{\left(\begin{array}{cc}\mathrm{BRv}{{\stackrel{\→}{1}}^{\′}}_{\left(\mathrm{GCS}\right).x}& \mathrm{BRv}{{\stackrel{\→}{1}}^{\′}}_{\left(\mathrm{GCS}\right).y}\\ -\mathrm{BRv}{{\stackrel{\→}{1}}^{\′}}_{\left(\mathrm{GCS}\right).y^{\′}}& \mathrm{BRv}{{\stackrel{\→}{1}}^{\′}}_{\left(\mathrm{GCS}\right){.x}^{\′}}\end{array}\right)}$ 方程28

在上面的A内，v1’是指向信标但是被旋转到GCS内的单元向量，即BRv1′_(GCS)。也应当注意，在A内的行之间存在y和x的置换。

为了找到s，我们已经从上面知道p2”，并且

${v2}^{\′\′}=A*\mathrm{BR}\stackrel{\→}{v}{2}^{\′}$ 方程29

因此

$s=P2.x^{\′\′}/\stackrel{\→}{v}2.x^{\′\′}$ 方程30

$\mathrm{tv}=(s*{{\stackrel{\→}{v2}}^{\′}}_{.x}+{{p1}^{\′}}_{.x}-{{p2}^{\′}}_{.x})*\frac{1}{{\stackrel{\→}{v1}}_{.x}}$ 方程31

但是，因为已经将所述分段变换为暂时的原点，即p1″＝[0 0]，并且，将

旋转到x轴线，即 $v{\stackrel{\→}{1}}^{\′\′}.x=1,$ 可以将tv简化如下：

$\mathrm{tv}=s*{{\stackrel{\→}{v2}}^{\′\′}}_{.x}-{{p2}^{\′\′}}_{.x}$ 方程32

因为已经计算了

和p2″x，因此可以确定tv。

使用上面的方程1至5来建立由最小曲率算法限定的分段，以将测量数据与信标方位相比较，从而建立系统误差。

在附图的图7内，水平径向向量BRv1′_(GCS)和BRv2′_(GCS)是被旋转或被变换一定量以便与网格坐标系对准的BRv1_(SCS)和BRv2_(SCS)，所述一定量等于探测器20在GCS内的方向(heading)但是是相对于由信标18产生的场的。为了下面在测量测量值和信标测量值之间区别，所涉及的点或向量被分别加上前缀S和B。因此，例如，BP2′_(GCS)在GCS坐标内并且相对于信标，而SP2′_(GCS)在GCS坐标内，但是相对于测量。也必须记住所述测量相对于进入环40而累积误差。在图7内未示出向量BRv1_(SCS)和BRv2_(SCS)，它们从原始测量传感器数据指向信标，但是不被固定于所述网格。Bv3′_(GCS)是在相对于信标18的P1和P2之间测量的直路径。

径向向量BRv1_(SCS)和BRv2_(SCS)相对于探测器20的纵轴而指向信标18。在图7内，从BRv1_(SCS)和BRv2_(SCS)变换向量BRv1′_(GCS)和BRv2′_(GCS)。向量BRv1_(SCS)和BRv2_(SCS)每个在水平面内被独立地旋转由探测器20的方位角方向控制的量。这将所述向量旋转，因此它们指向相对于网格的方向，而不是相对于探测器20，所述探测器20本身可以指向任何位置。因此这一点，必须在固定网格上观看系统10的几何形状，即它必须独立于探测器20的方向。如果例如在p1获得信标测量并且探测器的方向是275度GCS且在P2的方向为265度GCS，则除了由于变换(从一个点向下一个点的位移)导致的角度改变之外，这将清楚地向BRv2_(SCS)增加10度的旋转差异。因此，

SRv3′_(GCS)＝BP2′_(GCS)-BP1′_(GCS)        方程33

假定：

SRv3′_(GCS)＝BRv3′_(GCS)                  方程34

要作出的合理假定是，因为由测量引入的误差已经在大距离上累积，但是它们将在方位v3′_(SCS)＝Bv3′_(SCS)上测量的小距离上是不重要的。

已知BRv1′_(GCS)、BRv2′_(GCS)和v3_(GCS)在GCS内所指向的方向。处理器32现在需要利用所计算的标量tv和s来将分别调整(scale)BRv1′_(GCS)、BRv2′_(GCS)。一旦已经应用了标量并且因为在绝对GCS上高度肯定地已知目标14的位置，因此也可能将被调整的向量-BRv1_(GCS)和-BRv2_(GCS)锚定到目标14。因为被缩放的向量精确地指向相反的方向，因此-BRv1_(GCS)将向回指向Bp1′_(GCS)，并且-BRv2_(GCS)将向回指向Bp2′_(GCS)。为了找到p1′_(GCS)，必须将被调整的向量转换到已知的信标点，并且将被调整的向量反转，以提供：

p1′_(GCS)＝Bp_(GCS)-tv*BRv1_(GCS)            方程35

p2′_(GCS)＝Bp_(GCS)-s*BRv2_(GCS)             方程36

其中，

p1′_(GCS)、p2′_(GCS)是最后重新计算的位置；并且

Bp_(GCS)是在GCS内的目标信标坐标。

为了确定测量点和被排列的点之间的在角度和位置上的差别，处理器32首先计算信标拍摄簇的中心以及等同的测量点簇的中心。可以通过应用下面的方程37来发现角度误差。在已经向所述轨迹应用角度误差校正后，通过使用适当的变换或者通过向方位角参数简单地增加所述误差，信标拍摄品和测量拍摄品两者应当在角度上是一致的，但是在基线位移上不必一致。通过如下面方程38内所示的相减来计算位移。

$\mathrm{\ΔAngle}={\tan }^{-1}(B\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i-S\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i)$ 方程37

其中，B表示信标拍摄品的簇，并且S表示在同一位置的等同测量得出的拍摄品的簇。

ΔDisplacement＝CSpt2′-CBpt1′      方程38

其中，

CS是测量得出的拍摄品的中心点；并且

CB是信标拍摄品的簇的中心点。

一旦已经计算了角度误差和基线位移误差，则处理器32重新计算钻杆柱22现在要遵循的轨迹46。因此，一旦已经计算了新的轨迹46，则沿着横向孔12朝向进入环40退出钻杆柱22。处理器32指示出钻杆柱22必须退出的位置。这例如通过使用照明装置以可辨别的方式来通知操作者。红灯表示钻杆柱22需要退出，并且所述灯保持红色，直到已经达到了新的拉回位置。在此位置，灯变绿，用于表示可以开始沿着新的轨迹46进行钻孔。

因此，本发明的优点是钻杆柱22仅仅需要进行目标钻孔14的一次通过。一旦已经计算了误差，则第二轨迹将导致钻孔14的相交。这相当大地减少了与钻孔14相交所需要的时间和努力的量。因为在过去，需要进行多次才能接近钻孔以便最终与目标相交。因此，相当大地减少了使用系统10与目标相交的成本。这对于钻杆柱22的操作者具有较大的成本益处和时间益处。

另外，系统10操作简单，因为不需要磁信标的移动来产生被调整的轨迹。系统10基本上以软件实现，因此不需要对于现有的钻杆柱22进行硬件修改。再一次，这带来成本益处。

本领域内的技术人员可以明白，在不脱离广义描述的本发明的精神和范围的情况下，可以对于以特定实施例所示的本发明进行多种改变和/或修改。因此，本实施例在各个方面被认为是说明性和非限定性的。

Claims (33)

1.一种用于将探测器引导到目标的方法，所述方法包括：

在所述目标处放置磁场产生器；

将所述探测器引导到所述目标的区域，所述探测器承载测量传感器封装件；

使用所述测量传感器封装件来获得多个测量读数；

使用所述测量传感器封装件，以便利用由所述磁场产生器产生的磁场来获得多个磁信标读数；

将选定数量的测量读数与所述磁信标读数相比较，并且确定在所述测量读数和所述磁信标读数之间的差异；并且

其后补偿那个差异以将所述探测器引导到所述目标。

2.根据权利要求1的方法，其包括：选择具有预定尺寸的所述磁场产生器。

3.根据权利要求2的方法，其包括：根据所述探测器可能距离所述目标的评估距离来选择所述磁场产生器的尺寸。

4.根据前述权利要求的任何一个的方法，其包括：以多个分段来实现所述磁场产生器，以便可以使用期望长度的磁场产生器。

5.根据前述权利要求的任何一个的方法，其包括：初始限定所述探测器的开始位置和结束位置。

6.根据前述权利要求的任何一个的方法，其包括：处理和记录由所述探测器沿其初始轨迹产生的数据。

7.根据权利要求5的方法，其包括：排除与所述初始轨迹的未完成的、未使用的部分相关的数据。

8.根据前述权利要求的任何一个的方法，其包括：当所述探测器在所述磁场产生器的范围内时，获取预定数量的磁信标读数。

9.根据权利要求8的方法，其包括：从至少两对预定磁信标读数得出方位。

10.根据权利要求9的方法，其包括：通过将所述磁信标读数与对应的测量读数相比较而选择用于得出所述方位的每个磁信标读数；并且，如果所述磁信标读数与所述测量读数相差超过预定值的量，则忽略那个磁信标读数。

11.根据权利要求9或者权利要求10的方法，其包括：从所述方位形成磁信标读数的一个分段。

12.根据权利要求11的方法，其包括：将所述磁信标读数的分段与对应的测量读数的分段相比较。

13.根据权利要求8-12的任何一个的方法，其包括：对于每个磁信标读数获得两个测量值，其中一个用于所述磁场产生器在第一方向上的磁极，另一个用于所述磁场产生器在相反方向上的磁极，以便最小化地球磁场的影响。

14.根据权利要求8-13的任何一个的方法，其包括：获得用于表示在每个磁信标读数由所述磁场产生器产生的磁场的径向分量的向量。

15.根据权利要求14的方法，其包括：将原始向量从每个磁信标读数变换以获得所述径向向量。

16.根据前述的权利要求的任何一个的方法，其包括：计算在每个磁信标读数和其相关联的测量读数之间的角度差，并且计算在所述磁信标读数和其相关联的测量读数之间的位移差。

17.根据前述权利要求的任何一个的方法，其包括：计算新的轨迹，并且向操作者显示所述新的轨迹。

18.一种用于将探测器引导到目标的系统，所述系统包括：

磁场产生器，位于所述目标处；

测量探测器，其待被引导到所述目标，所述测量探测器承载测量传感器封装件，所述传感器封装件的传感器可操作地用于使用由所述磁场产生器产生的磁场来获得多个测量读数和多个磁信标读数；以及

处理设备，用于处理与选定数量的被测量的测量读数和磁信标读数相关的数据，以确定所述测量读数和所述磁信标读数之间的差异，并且用于其后补偿那个差异以将所述探测器引导到所述目标。

19.根据权利要求18的系统，其中，所述磁场产生器具有可变的尺寸，根据所述探测器可能离所述目标的评估距离来选择所述磁场产生器的尺寸。

20.根据权利要求19的系统，其中，所述磁场产生器包括多个可互连的分段，以便可以使用期望长度的磁场产生器。

21.根据权利要求19或者权利要求20的系统，其中，所述磁场产生器是具有可切换的磁极的螺线管。

22.根据权利要求18-21的任何一个的系统，其中，所述测量传感器封装件包括多个磁力计/加速计对，所述对被布置成获得沿笛卡儿坐标的读数。

23.根据权利要求18-22的任何一个的系统，其中，所述处理设备可操作地用于处理和记录由所述探测器沿其初始轨迹而产生的数据。

24.根据权利要求18-23的任何一个的系统，其中，所述测量封装件可操作地用于当所述探测器在所述磁场产生器的范围内时获得预定数量的磁信标读数。

25.根据权利要求24的系统，其中，所述处理设备可操作地用于从至少两对预定的磁信标读数得出方位。

26.根据权利要求25的系统，其中，所述处理设备可操作地用于选择每个磁信标读数以用于通过将所述磁信标读数与对应的测量读数相比较而得出所述方位，并且如果所述磁信标读数与所述测量读数相差超过预定值的量，则忽略那个磁信标读数，

27.根据权利要求26的系统，其中，所述处理设备可操作地用于从所述方位形成磁信标读数的分段，并且将所述磁信标读数的分段与对应的测量读数的分段相比较。

28.根据权利要求18-27的任何一个的系统，其包括切换装置，用于切换所述磁场产生器的磁极的相对方向，以最小化地球磁场的影响。

29.根据权利要求18-28的任何一个的系统，其中，所述处理设备可操作地用于获得表示在每个磁信标读数由所述磁场产生器产生的磁场的径向分量的向量。

30.根据权利要求29的系统，其中，所述处理设备可操作地用于将原始向量从每个磁信标读数变换，以获得所述径向分量。

31.根据权利要求18-30的任何一个的系统，其中，所述处理设备可操作地用于计算每个磁信标读数和其相关联的测量读数之间的角度差，并且计算所述磁信标读数和其相关联的测量读数之间的位移差。

32.根据权利要求18-31的任何一个的系统，其中，所述处理设备可操作地用于计算所述探测器的新的轨迹。

33.根据权利要求32的系统，其包括显示装置，用于向操作者显示所述探测器的所述新的轨迹。

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