CN103748318A - 包括使用全球定位系统的探测器位置检测的水平定向钻探系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了有用的定位器设备和方法。所述定位器设备包括：第一定位系统，被配置为生成以感测从与钻头相关联的探测器发出的电磁场，以及第二定位系统，包括全球定位系统。所述定位器设备包括：所述定位系统上的显示器，被配置为基于所述全球定位系统所检测的位置，显示所述定位器设备所处的区域的地图。所述定位器设备还包括：控制电路，被配置为在从用户接收到输入时，在与所述定位器设备相关联的存储器中记录定位数据，以供水平定向钻探控制系统使用。

Description

包括使用全球定位系统的探测器位置检测的水平定向钻探系统

本申请于2012年6月21日作为PCT国际专利申请递交，在除了美国之外的所有国家指定美国国内公司Vermeer Manufacturing Company为申请人，仅在美国指定美国公民Scott Rempe为申请人。

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年6月21日递交的美国临时专利申请No.61/499，581、2011年9月1日递交的美国临时专利申请No.61/530，155和2012年4月17日递交的美国临时专利申请No.61/625，190的优先权，其公开的全文通过引用方式并入本文中。

技术领域

本公开大体上涉及地下物体的检测，例如探测器(sonde)。具体而言，本公开涉及使用全球定位系统来检测探测器位置的系统和技术。

背景技术

为了安全和美观，针对水、电、天然气、电话和有线电视的设施线路通常在地下运行。通常，地下设施埋在沟渠中并随后回填。然而，挖掘沟渠可能是耗时的，并会对现有结构或道路造成实质损坏。随后，诸如水平定向钻探(HDD)的备选技术变得越来越流行。

典型的水平定向钻探机包括机架，可沿着机架纵轴滑动移动的驱动机械装置安装在该机架上。该驱动机械装置被适配为围绕其纵轴旋转钻柱。钻柱包括一些列串在一起的钻探管。与钻柱的旋转相配合的驱动机械装置沿着机架的滑动使钻柱纵向进入地面或从地面拔出。

在一般的水平定向钻探续发事件中，水平定向钻探机以相对于地表面斜角的方向在地面中钻洞。为了移除钻探期间的钻屑和泥土，泵系统通过钻柱向在钻柱末端的钻头(例如，切削工具或钻探工具)用泵输送钻探液，并通过孔回抽钻探液。在钻头到达期望的深度之后，然后钻探朝向沿着大致水平路径，以创建水平孔。一旦已经钻探了期望深度的孔，然后钻头向上以冲破地表面，完成先导孔。

当执行水平定向钻探时，重要的是知道地下钻探设备的位置和行进方向，以确保地下线路途径正确，并去往正确的目的地。存在若干方式定位地下设施和地下钻头，例如使用电磁(EM)定位器。EM定位器一般包括可以是辐射地下导体的接收机和发射机。在一些系统中，辐射地下导体可以是探测器，探测器是具有几厘米到几分米长度的电池运行圆柱体设备。典型的探测器具有沿着圆柱体轴(也被称为双极子轴)方向的单线圈，具有使从该探测器对称地发出感测EM场的集成音调发射机。以上地面EM定位接收机检测并处理信号，并向用户呈现发射机位置信息。以此方式，在从一端拉或推探测器时，可以在地面上跟踪地下导管，或者可以通过从该探测器的位置导出的信息引导非挖沟地下钻探工具。然而，传统EM定位器不提供探测器的位置和方向的精确确定，并显示出一些与EM定位器接收机和探测器发射机之间地理位置关系有关的实际使用限制。

用于改进位置技术的尝试一般围绕进行来自已知位置的附加EM场测量。例如，如美国专利申请No.2010/0141261所描述，位置系统包括探测器，被配置为沿着三个轴分发射频信号，以与地上射频定位器进行通信。位置系统通过测量穿过探测器行进路径的地上位置的电磁场和相位值，检测该探测器位置。

然而，这种改进的场测量需要大量校准以精确地检测探测器的存在，从而需要附加时间来测量并定位该探测器。这涉及钻探之前在工作现场的若干操作，以建立用于沿着期望路线执行有计划的钻探操作的区域。此外，即使一旦进行这种测量时，必须相对于已知点推断探测器以及相关联钻头的位置，并相对于那些点进行映射，这增加了计算复杂度。此外，即使一旦实际上确定了这些位置，例如建设公司、事业单位或者执行或请求钻孔操作的其他实体的管理者难以在钻探平台和远程地进行访问。

针对这些和其他原因，改进是值得期待的。

发明内容

根据以下公开，通过下文解决以上和其他问题：

在第一方面中，公开了一种定位器设备。所述定位器设备包括：第一定位系统，被配置为生成(generate)以感测从与钻头相关联的探测器发出的电磁场，以及第二定位系统，包括全球定位系统。所述定位器设备包括：所述定位系统上的显示器，被配置为基于所述全球定位系统所检测的位置，显示所述定位器设备所处的区域的地图。所述定位器设备还包括：控制电路，被配置为在从用户接收到输入时，在与所述定位器设备相关联的存储器中记录定位数据，以供水平定向钻探控制系统使用。

在第二方面中，公开了一种定位与地下钻头相关联的探测器的方法。所述方法包括：基于与钻探平台的方向和距离，计算探测器的近似位置，以及，使用全球定位系统，将定位器设备放置在所述近似位置。所述方法还包括：当所述定位器设备处于所述近似位置时，确定由所述探测器生成的电磁信号的信号强度。所述方法还包括：通过将所述定位器设备放置在所述近似位置附近的位置，确定所述探测器的位置，所述位置对应于最大电磁信号强度。

在第三方面中，公开了一种操作水平定向钻探机的方法。所述方法包括：将定向器设备放置在沿着所计划的钻孔路径的多个位置，以及，使用全球定位系统，在至少所述多个位置捕捉所述定位器设备的位置，从而捕捉由多个所捕捉的位置所定义的路线。所述方法还包括将所述路线下载到水平定向钻探控制系统。

在第四方面中，公开了一种在水平定向钻探应用中可使用的基于GPS的定位器设备，包括：定位系统，包括全球定位系统；以及显示器，被配置为基于由所述全球定位系统检测的位置，显示所述定位器设备所处的区域的地图。所述基于GPS的定位器设备包括：控制电路，被配置为在从用户接收到输入时，在与所述定位器设备相关联的存储器中记录定位数据，以供水平定向钻探控制系统使用；以及通信接口，被配置为向水平定向钻探控制系统传送所述定位数据。

在另一方面中，公开了一种水平定向钻探系统，包括：水平定向钻探机，位于工作现场；以及水平定向钻探数据服务器，远离所述水平定向钻探机，并与所述水平定向钻探机通信连接。所述水平定向钻探数据服务器包括：数据库，被配置为至少接近实时地从所述水平定向钻探机收集运行数据，所述运行数据包括指示所述水平定向钻探机的近似位置的GPS数据。

在另一方面中，公开了一种水平定向钻探系统，包括：水平定向钻探机，位于工作现场并包括钻柱；钻头，与所述钻柱耦合；控制系统；以及通信接口，能够与远程计算系统进行通信。所述水平定向钻探系统还包括：移动定位器设备，包括感测设备，被配置为测量所述钻头的属性以生成所述钻头属性数据；以及GPS接收机，被配置为接收指示所述移动定位器设备的近似位置的GPS数据。所述移动定位器设备还包括无线电收发机，被配置为向所述水平定向钻探机广播位置数据和钻头属性数据。所述水平定向钻探系统还包括：水平定向钻探数据服务器，远离所述工作现场并被配置为经由所述通信接口从所述水平定向钻探机接收所述GPS数据。

在另一方面中，公开了一种水平定向钻探数据服务器，与在地理上分散的位置的多个水平定向钻探机通信相连。所述水平定向钻探数据服务器包括：数据库，被配置为存储来自所述水平定向钻探机中每一个的多种类型的数据，所述数据选自由以下各项构成的组：钻孔计划数据；钻孔日志；工作数据；现场数据；平台远程通信数据；维护数据；以及报告。

在另一方面中，公开了一种确定具有起始位置、第一位置和第二位置的钻孔路径的位置的方法。所述方法包括：从所述起始位置钻孔到所述第一位置；至少部分基于由地上定位器所捕捉的GPS数据，估计所述第一位置所处的区域；以及，基于从所述起始位置向所述第一位置延伸的钻柱的长度，使所述区域变窄。所述方法还包括：从所述第一位置钻孔到所述第二位置；至少部分基于由地上定位器所捕捉的GPS数据，估计所述第二位置所处的第二区域；以及，基于从所述起始位置向所述第二位置延伸的钻柱的第二长度，使所述第二区域变窄。所述方法还包括：基于所述变窄的第二区域，使所述第一区域变窄。

附图说明

图1A是根据本公开的可能实施例的协调并跟踪水平定向钻探操作的整体布置的示意图；

图1B是根据本公开可能实施例的水平定向钻探系统的示意图；

图2A是根据本公开可能实施例的包括集成GPS特征的定位器设备的水平定向钻探系统的示意图；

图2B是根据本公开备选实施例的包括定位器设备和GPS定位器的水平定向钻探系统的示意图；

图3是根据本公开可能实施例的定位与地下钻探设备相关联的探测器的方法的流程图；

图4是根据本公开可能实施例的操作水平定向钻探系统的方法的流程图；

图5是根据本公开可能实施例的示出了针对水平定向钻探处理的所映射的路线的示例显示器500的示意图；

图6是根据本公开可能实施例的示出了在水平定向钻探处理期间附加在映射路线上的探测器的当前位置的示例显示的示意图；

图7示出了示例全球定位系统环境中的示例钻探系统；

图8是包括HDD机和示例定位器的HDD系统的方框图；

图9是形成示例接收机网络的部分的计算机系统的方框图；

图10是根据本公开可能实施例的使用差分GPS分析来定位地下钻探设备的方法的流程图；

图11是根据本公开可能实施例的使用差分GPS分析来定位地下钻探设备的方法的流程图；

图12-14是提供可以用在使用载波相位跟踪的定位地下钻探设备中的方法的流程图；

图15是示出了适用于实现图14的方法的每个步骤的三差方法的流程图；

图16是示出了GPS系统可用于将操作者导向(即，引向)钻头的近似位置的方法的流程图；

图17是可结合本文所公开的方法和系统使用的基于GPS的定位技术的示意图；

图18是示出了可以使用如本文所述的基于GPS的定位器系统改进钻头的位置的方法的流程图；

图19是根据示例实施例的水平定向钻探管理系统的示意图；以及

图20是示出了可以执行水平定向钻探操作的方法的流程图。

具体实施方式

一般而言，本公开涉及协调和跟踪水平定向钻探操作的整体布置，并且具体而言，涉及可以跟踪并访问水平定向钻探设备的位置、状态和性能的方法。

在一些方面中，本公开涉及用于水平定向钻探(HDD)系统的可以集成全球定位系统(GPS)的定位设备，从而允许用户预计划并映射钻头及相关联探测器的行进路径。根据本文所公开的各个实施例，提供了通过GPS的使用带来的若干优点，包括简化基于位置的计算，同时为地下HDD过程提供了与路线的映射和计划有关的附加灵活性。

现在参考图1A，公开了可用于协调和跟踪水平定向钻探操作的整体布置10。布置10一般允许一个或更多个工作现场的水平定向钻探操作的计划、监督、管理和检查，而不需要所有个人出现在该工作现场。具体而言，布置10允许跨越分布式网络的分布式、实时或接近实时的工作数据通信，例如允许远程监视。

在所示实施例中，布置10包括多个工作现场12，示作工作现场12a-b。工作现场12中的每个一般是请求并执行水平定向钻探操作的位置。在实施例中，各种工作现场12可以是在地理上分散的位置，并一般仅需要能够与远程系统保持实时或接近实时数据交换的一些类型的可访问通信连接(例如，经由因特网、蜂窝、卫星或其他数据连接)。

在所示实施例中，工作现场中的每个至少具有位于该现场的一个水平定向钻探(HDD)机14，并包括天线或其他类型的数据传输机械装置。在所示实施例中，公开了无线数据通信机制。然而，在各种实施例中，可以使用各种类型的有线和/或无线数据通信。

在该实施例中，每个工作现场经由网络18与数据库(示作HDD数据服务器16)通信相连。HDD数据服务器14一般被配置为存储与一个或更多个钻探操作有关的各种信息(包括，钻孔极化或其他预钻探操作参数，以及与HDD机的操作参数有关的数据)与钻柱的计划的、当前的和过去的位置有关的细节(如下所述)，或同样可以存储在HDD数据服务器16的其他位置信息(例如，地图数据、地理数据)。在工作现场12，同样可以从HDD机14接收其他信息(例如，与HDD机14有关的维护信息)。网络18代表如上所述的各种通信连接(一般包括一个或更多个无线数据连接，例如蜂窝、卫星或无线因特网(例如，802.x)数据通信)中任意一个。

远程计算系统20可用于访问HDD数据服务器16的数据，例如用于监视和/或影响在工作现场12的一个或更多个HDD机14的操作。例如，远程计算系统20的用户可以定义在工作现场使用的一个或更多个钻孔计划，或在HDD工作之前或在HDD工作期间访问和修改这些钻孔计划。此外，由于在HDD机14和HDD数据服务器16之间相对恒定的数据通信，远程计算系统20的用户可以实时或接近实时地监视在钻孔操作期间HDD机14的操作，尽管位于远离工作现场12的位置。

在一些实施例中，HDD数据服务器16和相关联的工作现场12隶属于公共所有者或控制者，例如单个建造公司或事业单位。如此一来，向隶属于该实体的个人提供对于该实体相关联的一个或更多个工作现场有关的数据(当前的和历史的)的访问。下文将更详细地解释，这允许远程用户(即，未在物理上位于特定工作现场的用户)跟踪HDD操作的过程，并基于计划的和实际的钻孔处理访问HDD过程的性能和精度。

图1B中公开了在特定工作现场(这里还被称作参考现场)的示例水平定向钻探布置100。布置100包括水平定向钻探(HDD)机102和定位器设备104。HDD机102(这里还被称为钻探平台)被配置为在远端驱动和控制具有钻头106的钻柱103。钻头106具有相关联的探测器108，探测器108被配置为与表面电子设备(包括针对HDD机102的控制系统(在以下图2中公开)和定位器设备104)进行单向或双向通信。

以下还将讨论，定位器设备104可以是若干不同类型的位置系统中任意一个，并一般在这里所公开的实施例中集成包括全球定位系统(GPS)的定位器电路。操作者110可以将定位器设备104移动到地面上，允许定位器设备与探测器108进行通信，从而跟踪该探测器以及相关联钻头106的位置。可以经由通信接口与HDD机102传送此信息，如下文结合图2所讨论。可选地，定位器设备104可以不由操作者110使用，而是自动机或自驱动设备(例如机器人)。

一般而言，在HDD机102的操作期间，钻柱103经由地下路径从HDD机102延伸。HDD机102通过向钻头106传送特定命令来操纵钻柱103，从而在期望的深度形成期望形状的路径。定位器设备104可以用于跟踪钻头106的位置，用于允许操作者110将过程校正传回HDD机102，以到达期望目的地同时在需要时避免障碍物(例如，所示的岩石112，但还包括建筑物、其他地下装置或电线、管道等)。

现在参考图2A，示出了包括HDD机102和定位器设备104的HDD系统200的示例示意图。在所示实施例中，HDD机102包括：控制系统102，被配置为经由机械驱动单元204指导钻柱103的操作。HDD机102还包括：显示器206和I/O接口208，允许操作者查看当前操作状态、计划的路线(即，钻孔计划)和HDD机102的各种其他参数。HDD机102还包括：通信接口210，被配置为与定位器设备104进行双向通信。在各种实施例中，通信接口210可以使用若干类型的有线或无线通信连接中任意一个；在特定实施例中，通信接口210使用与定位器设备的持久无线连接，使得可以将与探测器108的位置相关联的数据传回HDD机102。

定位器设备104包括控制电路220和多个定位器电路(示作GPS定位器电路222和EM定位器电路224)。控制电路220执行与以下各项有关的若干操作：(1)开发针对钻探平台的钻孔计划，以及(2)在钻探平台的操作期间跟踪钻头以及相关联的探测器。控制电路从GPS定位器电路222接收信息，以确定定位器设备104的当前位置，并使用EM定位器电路224来接收来自探测器108的通信(例如，将定位器设备的当前位置与探测器的位置相关联)。与EM定位器电路相关联的天线226被配置为从探测器获得电磁信号用于在EM定位器电路处理。EM定位器电路224还选择性地接收与探测器108以及相关联的钻头106的其他运行参数有关的信息，例如，旋转速率或线性速率、温度或其他当前运行参数，例如，钻头的倾斜度、钻头的时钟/转动位置、钻头的深度、钻头的液压、钻头处测量的产品张力和钻头处的震动)。同样可以跟踪其他参数。

天线226可以是例如用于测量由探测器108发送的信号的磁场信息(因为会需要用于产生信号强度信息)的简单天线设备，或备选地，天线226可以是更精心制作的还用于测量磁场的附加特性(因为还会被需要用于测量与探测器108相关联的“磁通线”的形状/方向)。例如，与三轴天线有关的细节可以在2003年3月21日递交的标题为“Flux PlaneLocating in an Underground Drilling System”的美国专利No.6，768，307和2007年1月4日递交的标题为“Flux Plane Locating in anUnderground Drilling System”的美国专利No.7，304，479中找到，其公开通过引用方式并入本文。

定位器设备104还包括与HDD机102的通信接口210进行通信的互补通信接口228。因此，定位器设备104可以向HDD机发送钻孔计划信息、当前运行状态信息或其他类型的信息，使得每个机器可以跟踪和控制钻头106的运行特征。

在特定实施例中，定位器设备104能够在显示器230上显示与钻头106的运行有关的若干参数，在旁边显示定位器设备104和HDD机102的当前位置的地图。显示器203可以用于例如建立钻孔计划或用于跟踪探测器108的当前位置。相关联的I/O接口232允许在定位器设备104上同样实现键盘或其他按钮，例如用于辅助映射各种特征，例如钻孔路径、钻孔深度、障碍物或其他信息。以下在图5-6中示出示例显示。

参考图2B，示出了HDD系统250的备选示意图。在本实施例中，定位器设备104不具有位于该单元中的GPS定位器电路222。相反，在本实施例中，分离的GPS定位器设备252可以用作对整个系统250的“附加的”或添加的组件，并可以是独立的单元。换句话说，虽然在特定实施例中，GPS定位器设备252可以具有可安装在现有定位器设备104上的外壳，可以不需要对现有定位器设备进行修改。与以上系统250相比，分离的GPS定位器设备252包含GPS定位器电路222以及GPS控制电路254、通信接口256、显示器258和I/O接口260。GPS定位器设备252一般被配置为位于靠近定位器设备104，并可以被配置为记录GPS读数，并将这些读数传回HDD机102的控制系统202，用于与来自定位器设备102的与探测器108的位置有关的信息进行合并。

在特定备选实施例中，可以在设备104、252的控制器220、254之间建立数据通信连接，使得可以合并探测器位置和GPS位置数据，而不需要与HDD机102的通信连接。

图3是根据本公开可能实施例的定位与地下钻探设备相关联的探测器的方法300的流程图。在各种实施例中，可以例如在如上所述的HDD机的运行期间使用例如上文所公开的定位器设备执行方法300。方法300开始于例如通过从钻探平台确定钻头的行进的方向和速率，或通过跟踪特定钻柱中所包括的若干钻杆，计算钻头相对于钻探平台的近似位置(步骤302)。

该方法然后包括基于在步骤302中的计算，对在近似位置的定位器设备(例如，定位器设备104)进行定位(步骤304)。然后检测在近似位置由探测器所产生的电磁信号的信号强度(步骤306)。然后还可以读取在近似位置的区域中附加信号强度读数，使得可以确定探测器的位置(步骤308)。这可以以若干方式执行。例如，可以在近似位置的区域中进行重复测量，直到检测到最大信号强度，可以假定在此处定位器设备最接近于探测器(即，直接在探测器和钻头上方)。备选地，在若干次读数之后，定位器设备可以执行三角测量操作以确定探测器的位置。

基于这些一个或更多个测量，可以确定与已知探测器的位置的精度有关的置信度值(步骤310)。这可以基于例如在定位器设备接收的探测器读数的幅度、用于对探测器进行三角测量的点的数量或其他因素。

一旦对探测器进行了定位，可以执行若干操作中任意一个。例如，用户可以按下定位器设备104上的按钮，以使其控制系统记录用于在平台上显示的倾斜度、深度和GPS位置数据，并与正在使用的钻孔计划进行比较。定位器设备可以被配置为在其显示器(或备选地在HDD机的显示器)上生成该定位器设备所处的区域的地图，示出探测器和钻头的位置(步骤312)。在一些这种实施例中，探测器和钻头的位置可以通过位于地图区域上的圆圈来表示，该圆圈表示针对该探测器在定位器设备的当前计算位置的置信度值。图6中示出了这种显示器的示例，如下所述。

此外，显示器可以包括由定位设备生成的信息，包括与定位设备的位置有关的GPS位置信息(例如，纬度和经度读数或相对于钻探平台的位置)和钻头发射机发出的与定位设备测量的磁场强度测量有关的信息。同样还可以显示其他信息。

现在参考图4，公开了根据本公开可能实施例的操作水平定向钻探系统的方法400。该方法可以由定位器设备、操作者或该设备与整个HDD系统中其他组件的组合执行。具体而言，方法400可以作为钻孔路径计划处理的部分(例如与钻探平台的钻孔计划软件集成)执行。方法400包括例如使用定位器设备中的GPS定位器电路，确定HDD系统中钻探平台的初始位置(步骤402)。方法400还可以包括：在沿着计划钻孔路径的位置上定位定位器设备(步骤404)，并使用GPS定位器电路捕捉定位器设备的位置(步骤406)。

可选地，该方法还包括将信息与每个所捕捉的点(例如针对钻柱在该特定点的期望钻孔深度)相关联(步骤408)。可以在沿着针对钻柱的计划钻孔路径的若干点重复步骤404-408，从而捕捉钻柱的路线。定位器设备所捕捉的路线可以上传到钻探平台上的HDD控制系统，HDD控制系统可以将所映射的路线转换为针对钻柱的操纵指令，以实现期望的路线结果(步骤410)。以下在图5中示出了所映射的路线的示意性示例。

可以将针对操作HDD系统的附加特征包括在定位器设备和钻探平台中。例如，可以在钻探平台的运行之前、期间或之后，将所映射的路线显示在定位器设备和钻探平台中的一个或两者上。在钻探平台的运行期间或之后，例如当用户按下代表已经对探测器进行定位的按钮时，定位器设备或钻探平台显示器可以基于所捕捉的GPS读数生成钻孔路径的实际工程图(步骤412)。此外，显示器可以包括所映射的路线与探测器和钻头行进的实际路线的比较，以示出与所映射的路线的偏差(在存在任何偏差时)(步骤414)。以下在图6中示出了实际路线与所映射的路线之间比较的示意性示例。此外，当映射路线或跟踪探测器时，定位器设备的用户还可以手动地输入钻柱要避开的一个或更多个障碍物，例如道路(例如，如图5-6中所示)或其他特征，例如岩石、建筑物、其他地下线路、隧道或其他装置。可以将这些障碍物添加到要上传到钻探平台的所捕捉的位置和钻孔深度信息旁边的钻孔计划中。

图5是根据本公开可能实施例的示出了针对水平定向钻探处理的所映射的路线的示例显示器500的示意图。显示器500可以代表定位器设备或钻探平台的显示，并可以包括监视器502和该设备上所使用的输入按钮504a-e中的一个或两者。

在所示实施例中，监视器502包括指示针对钻柱的所计划的路线的地图。该显示包括从若干所捕捉的位置点(由地图上“x”标记所示)推断出的路线506。所捕捉的位置点可以例如通过将定位器设备放置在期望的位置并按下输入按钮(例如，按钮504a)以发信号通知要捕捉该位置来捕捉。可以使用另一按钮(例如，按钮504b)映射整个路线。同样可以将障碍物信息和钻孔深度添加到地图(例如，使用按钮504d-e)。

现在参考图6，示出了在实际钻探过程期间一旦所映射的路线上传到钻探平台的示例显示500，该实际钻探过程例如用于跟踪探测器以及相关联钻头。在该图解中，监视器502包括所映射的路线506和探测器行进的实际路线508。监视器还显示探测器的当前位置510。如上所述，当前位置510可以通过覆盖地图区域的圆圈(例如，表示探测器在特定位置的置信度值)来表示。在这些实施例中，小圆圈将代表探测器当前位置的更高的置信。一旦钻探过程完成，实际路线508可以代表钻孔路径的实际工程图。如上所述，可以将实际路线508和所映射的路线506传回HDD数据服务器(例如服务器16)用于存储和/或查看。此外，因为跟踪了实际路线508，例如由于条件的改变或基于实际路线508的改变，可以在服务器16或其他远程系统(例如图1A的远程计算系统20)中变更所映射的路线506。

现在参考图5-6，尽管示出了按钮的特定布设，该图解仅是为了讨论的目的；应当理解的是，可以提供按钮或显示特征的各种其他部署。

一般而言，使用这里所公开的方法和系统，定位器设备或钻探平台可以将钻探平台和定位器设备所生成的用于示出钻头的估计位置的数据/信息与定位设备所生成的信息进行合并，定位设备所生成的信息包括(1)与定位设备的位置有关的GPS位置信息和(2)与定位设备所测量的与钻头相关联的探测器所发出的磁场强度测量有关的信息。这允许钻孔路径和钻孔过程的简单映射和跟踪，而不需要多个重复的电磁场测量，并允许直接确定钻头位置，而不是仅跟踪钻头相对于钻探平台的位置。本文所公开的方法和系统同样提供其他优点。

如图7-16所示，HDD机和/或定位器可以应用其他附加技术来基于所接收的GPS信号增加所计算的位置的精度。可以结合上述系统和方法中任意一个使用图7-15中所述的技术，以确定HDD机、定位器和/或钻头的位置。因此，图7-15中所述的技术可以用于增加跟踪钻头的位置和/或映射钻孔计划中的精度。

图7示出了示例全球定位系统环境600中的示例钻探系统。全球定位系统环境600包括地球周围稳定轨道中的四个或更多个导航卫星650。可以对在网络611所覆盖的位置的HDD机702进行定位。装配用于对钻柱703的探测器进行定位的一个或更多个定位器704可以布设在HDD机702周围的区域中。

HDD机702被配置为从一个或更多个卫星650接收信号608，HDD机702通过信号608可以计算其近似位置。每个定位器704还被配置为从一个或更多个卫星650接收信号612，定位器704通过信号612可以计算其近似位置。在特定实现中，HDD机702和定位器704中的每个从四个卫星650接收信号608、612。在特定实现中，HDD机102和定位器704中的每个从相同的四个卫星650接收信号608、612。

在一些实现中，全球定位系统环境600被配置为提供差分全球定位。例如，在特定实现中，全球定位系统环境600还包括在所勘测的位置的包括卫星信号接收器605的一个或更多个参考现场。基于已知位置和从接收机605所测量的信号所获得的位置之间的比较，生成与每个参考现场周围区域相对应的位置校正信息。

接收机605与网络611相连。在一些实现中，参考现场配备有足够的处理功率用于基于所接收的卫星信号计算它们的位置(即，或可以从中计算它们的位置的信息)，并用于将所计算的信息与它们已知的(例如所勘测的)位置进行比较。在这些实现中，接收机605向网络611提供位置校正。在其他实现中，参考现场向网络611提供所测量的信号和它们已知的位置信息用于随后处理。

在特定实现中，计算机系统610(例如，个人计算机、服务器计算机、联网计算机组、云计算机等)从多个参考现场接收此信息，并确定针对网络611所覆盖的区域的位置校正信息。例如，可以针对每个参考现场周围的区域和两个或更多个参考现场之间的区域确定位置校正信息。在一些情况下，可以基于从多个参考现场收集的信息，确定位置校正信息。例如，可基于从所有三个参考现场获得的信息，确定三个参考现场之间的区域有关的位置校正信息。

网络611被配置为将位置校正信息散布到网络611中的一个或更多个卫星接收机(例如，在HDD机702和/或在定位器104)。在一些实现中，HDD机702被配置为从网络611接收位置校正数据，并将该位置校正数据分发到每个定位器704。例如，计算机系统610可以向HDD机702发送位置校正信息，用于散布到定位器704。HDD机702和定位器704中的每个可以将该位置校正信息应用到它们的计算中，以确定它们各自的校正位置。

在一些实现中，HDD机702通过蜂窝线路606接收位置校正数据，并通过无线信号传输614分发该校正数据。在特定实现中，HDD机702和定位器704通过双向无线电信号进行通信。例如，特定类型的HDD机702被配置为通过无线电信号传输616接收定位器的校正位置。然而，在其他实现中，HDD机702可以被配置为：通过WIFI信号、有线信号或经由一些其他类型的通信设备接收位置校正数据。

在一些实现中，HDD机702和定位器704可以交换其他类型的信息。例如，在特定实现中，HDD机702可以通过双向无线电收发机与定位器704进行通信。在一些实现中，HDD机702向每个定位器704发送HDD机702所计算的信息。例如，HDD机702可以计算其校正的位置，并将其校正的位置发送到每个定位器704。在特定实现中，HDD机702可以获得与从卫星650所接收的载波信号有关的测量，并可以将所获得的载波测量发送到定位器704，这将在下文中更详细地公开。

图8是示出了包括HDD机702和定位器设备704的HDD系统700的方框图。在所示实施例中，HDD机702包括：控制系统202，被配置为经由机械驱动单元204指导钻柱703的操作。HDD机702还包括：显示器706和I/O接口708，允许操作者查看当前运行状态、计划的路线和HDD机702的各种其他参数。HDD机702还包括：接收机(例如GPS接收机)212，被配置为从卫星650接收传输信号。

在一些实现中，HDD机702还包括蜂窝接口214，HDD机702利用蜂窝接口214从计算机系统610接收位置校正信息。在其他实现中，HDD机702包括用于从网络611接收位置校正信息的其他类型的通信接口。HDD机702还包括：双向无线电收发机210’，被配置为与定位器设备704进行双向通信。双向无线电收发机210’允许将位置校正数据分配给定位器104，并允许与探测器708的位置相关联的数据可以从定位器704传回HDD机702。

定位器设备704包括控制电路220和多个定位器电路(示作GPS定位器电路222和EM定位器电路224)。控制电路从GPS定位器电路222接收信息，以确定定位器设备704的当前位置。控制电路220可以将从HDD机702获得的位置校正数据应用到确定的当前位置，以计算定位器704的校正位置。定位器704还使用EM定位器电路224来从探测器108接收通信(例如，将定位器设备704的校正位置与探测器708的位置进行关联)。

与EM定位器电路224相关联的天线226被配置为从探测器708获得电磁信号用于在EM定位器电路224进行处理。EM定位器电路224还选择性地接收与探测器708以及相关联的钻头706的其他运行参数有关的信息，例如，旋转速率或线性速率、温度或其他当前运行参数，例如，钻头的倾斜度、钻头的时钟/转动位置、钻头的深度、钻头处的液压、钻头处测量的产品张力和钻头处的震动)。同样可以跟踪其他参数。天线226可以是例如用于测量由探测器708发送的信号的磁场信息(因为会对生成信号强度信息有用)的简单天线设备，或备选地，天线226可以是更精心制作的，还用于测量磁场的附加特性(因为还可用于测量与探测器708相关联的“磁通线”的形状/方向)。

定位器设备704还包括与HDD机702的无线电收发机210’进行通信的互补双向无线电收发机228’。因此，定位器设备704可以向HDD机704发送钻孔计划信息、当前运行状态信息或其他类型的信息，使得每个机器可以跟踪和控制钻头706的运行特征。

控制电路220执行与以下各项有关的若干操作：(1)开发针对钻探平台的钻孔计划，以及(2)在钻探平台的操作期间跟踪钻头以及相关联的探测器。在特定实现中，定位器设备704能够在显示器230上显示与钻头106的运行有关的若干参数，在旁边显示定位器设备704和HDD机702的当前位置的地图。显示器230可以用于例如建立钻孔计划或用于跟踪探测器708的当前位置。相关联的I/O接口232允许在定位器设备704上同样实现键盘或其他按钮，例如用于辅助映射各种特征，例如钻孔路径、钻孔深度、障碍物或其他信息。

图9是形成网络611的部分的计算机系统610的方框图。计算机系统610可以在一个或更多个计算机设备上实现。计算机系统610包括与蜂窝接口624相连的控制器620。在一些实现中，计算机系统610可以使用蜂窝接口624向HDD机702发送位置校正信息。在特定实现中，计算机系统610可以经由蜂窝接口624从参考现场接收机605接收信息。在其他实现中，计算机系统610与参考现场接收机605相连。

计算机系统610还包括存储针对网络的位置校正数据632和用于计算位置校正数据632的算法630的存储器622。在一些实现中，控制器610从参考现场接收机605接收位置校正数据，并将该位置校正数据存储在存储器中。在其他实现中，控制器610从参考现场接收机605接收所测量的数据和已知的位置数据，并计算位置校正数据。在特定实现中，控制器610计算针对与参考现场接收机605之一分隔开的网络中的区域的位置校正数据。

图10是根据本公开可能实施例的使用差分GPS分析来定位地下钻探设备的方法800的流程图。在各种实施例中，可以使用HDD机(例如上述HDD机702)执行方法800。方法800从HDD机702确定其近似位置(步骤802)开始。在一些实现中，当HDD机702被置于一个位置时，该HDD机702从一个或更多个卫星650接收信号，并基于所接收的信号计算其位置。例如，在特定实现中，HDD机702的GPS接收机212可以从四个卫星650接收信号。在其他实现中，GPS接收机212可以从更多或更少卫星650接收信号。

HDD机702向网络611发送其近似位置(步骤804)。在一些实现中，HDD机702与计算机系统610建立蜂窝连接，并通过该蜂窝连接向计算机系统610发送其近似位置。然后，在其他实现中，HDD机向计算机系统610传送其近似位置。HDD机702从网络611(例如，从计算机系统610)接收位置校正信息(步骤806)。在一些实现中，HDD机702通过蜂窝信号接收位置校正信息。在特定实现中，HDD机702还从网络611接收基于校正信息计算的其自身的校正位置。

HDD机702向一个或更多个定位器704分发该位置校正信息(步骤808)。在一些实现中，HDD机702通过双向无线电收发机(例如无线电收发机210’)向定位器704广播该位置校正信息。在一个实施例中，HDD机702还向定位器704发送其自身的校正位置。在另一实施例中，HDD机702不向定位器704发送其自身的校正位置。HDD机702从定位器704接收(步骤810)定位器信息(例如，定位器704的校正位置和钻头706的属性)。在一些实现中，HDD机702通过双向无线电收发机210’从定位器704接收定位器信息。HDD机702基于从定位器704接收的信息，确定钻头706的位置(步骤812)。

图11是根据本公开可能实施例的使用差分GPS分析来定位地下钻探设备的方法820的流程图。在各种实施例中，可以使用定位器设备(例如上述定位器704)执行方法820。方法820开始于当定位器704被置于一个位置时从一个或更多个卫星650接收(步骤821)信号。例如，在特定实现中，定位器704的GPS接收机222可以从四个卫星650接收信号。在其他实现中，GPS接收机222可以从更多或更少卫星650接收信号。

定位器704还从与该位置相关联的HDD机702接收位置校正信息(步骤823)。例如，定位器704可以通过双向无线电收发机228接收位置校正信息。在其他实现中，定位器704可以与HDD机702进行通信(例如，有线连接、WiFi连接或蜂窝连接)。定位器704使用卫星信号和以上获得的位置校正信息，计算(步骤825)针对定位器704的校正位置。

当探测器708和/或钻头706位于定位器704接收卫星信号的相同位置时，定位器704测量(步骤827)与探测器708和/或钻头706有关的属性信息。例如，定位器704可以测量在天线226接收的信号强度。在特定实现中，在三个或更多个点处测量信号强度，这允许探测器708的位置的三角测量。定位器704向HDD机702发送(步骤829)所测量的属性信息用于处理。可选地，定位器设备704可以基于定位器设备704的校正位置和所测量的属性信息，计算钻头706的位置。可选地，定位器设备704可以在显示器230上显示钻头706的位置。

图12-14是提供可以用在使用载波相位跟踪来定位地下钻探设备中的方法的流程图。图12-14的方法允许定位器704利用提高的精度计算它们各自的校正位置。因此，可以结合图9和10的方法使用图12-14的方法，或使用图12-14的方法作为图9和10的方法的备选。图12的方法830开始于在HDD机702从一个或更多个卫星650接收(步骤832)信号。例如，在一些实现中，HDD机702从四个不同卫星650接收卫星信号。HDD机702的接收机212测量(步骤834)载波信号在一个时段(epoch)上的相位。HDD机702向定位器704广播(步骤836)所测量的相位。

图13是示出了图12的方法的步骤834的一个示例实现。作为步骤834的部分，HDD机702测量(步骤831)从第一卫星650接收的载波信号的相位。HDD机702还测量(步骤833)从第二卫星650接收的载波信号的相位。可选地，HDD机702还测量(步骤835)从第三卫星650接收的载波信号的相位，并测量(步骤837)从第四卫星650接收的载波信号的相位。步骤831-837是在相同时段期间同时实现的。

图14的方法840是通过定位器704中至少一个以增加的精度获得针对定位器704相对于HDD机702的校正位置来实现的。该方法是结合实现图12的方法的HDD机702来实现的。该方法开始于定位器704中至少一个向在第一时间对上通过钻探所测量的载波相位和通过定位器704所测量的载波相位应用第一三差(triple difference)函数(步骤842)，将在图15中描述。

定位器704向第二时间对上通过钻探所测量的载波相位和通过定位器704所测量的载波相位应用第二三差函数(步骤844)。定位器704还向第三时间对上通过钻探所测量的载波相位和通过定位器704所测量的载波相位应用第三三差函数(步骤846)。定位器706使用三个三差计算，确定定位器704的校正位置(步骤848)。例如，定位器704可以使用三差结果、数值求根、最小平方过程和基于卫星信号650所确定的近似位置，确定校正位置。在特定实现中，从网络611获得的校正信息可以应用到近似位置以确定可以在确定步骤848中使用的第一校正位置。

在其他实现中，定位器704可以向HDD机702发送三个三差的结果，以计算定位器704的校正位置。在其他实现中，定位器704可以向HDD机702发送三个三差的结果，HDD机702向计算机系统610转发这些结果，用于计算定位器704的校正位置。在其他实现中，定位器704向HDD机702发送其测量的相位信号，HDD机702计算三个三差或向计算机系统610转发定位器所测量的相位和HDD机所测量的相位用于处理。

图15是示出了适用于方法840的步骤842、844和846中每个的三差方法850的流程图。三差方法850是通过与HDD机702进行通信的一个或更多个定位器704实现的。三差方法开始于定位器704在一个时段上接收卫星信号(步骤851)。定位器704从与HDD机702相同的卫星接收信号。例如，在一些实现中，定位器704的接收机222从四个不同卫星650接收信号。在其他实现中，定位器704从更多或更少数量的卫星650接收信号。

定位器704测量(步骤852)在时段期间从每颗卫星650所接收的信号的全部相位。在一些实现中，定位器704测量来自每个卫星的载波信号的全部相位。定位器704还接收(步骤853)在相同时段上HDD机702所测量的每个卫星信号的全部相位。定位器704计算相位的双差(步骤854)。

例如，在特定实现中，定位器704分析所测量的相位并找到该时段期间定位器704所测量的第一卫星650的载波相位和HDD机702所测量的第一卫星650的载波相位之间的第一差。定位器704还找到相同时段期间定位器704所测量的第二卫星的载波相位和HDD机所测量的第二卫星的载波相位之间的第二差。

定位器704确定(步骤855)是否已经针对不同时段计算了卫星信号的另一双差。例如，定位器704可以访问定位器704的存储器234，以确定是否已经存储了这种双差结果。如果未计算其他双差结果，则存储器704将所计算的双差结果存储到(步骤856)存储器234中。三差方法850然后循环回到接收步骤842并再次开始。

如果已经针对在第二时段上所获得的卫星信号计算了另一双差，则定位器704通过将与在第一时段上所获得的信号有关的双差与在第二时段上所获得的信号有关的双差进行比较，来计算时间对的三差(步骤857)。

如图14的方法840所示，找到了针对至少三个不同时间对的三差。换句话说，在从相同六个时段上所接收的相同卫星信号中，找到HDD机702所测量的相位和定位器704所测量的相位之间的三差。找到这些所测量的相位的三差减轻了测量卫星信号时的时钟偏差误差和整数模糊的影响。

图16是示出了GPS系统可用于将操作者导向(即，引向)钻头706的近似位置的方法860的流程图。方法860开始于确定钻头706的近似位置(步骤861)。在一些实现中，钻头706的近似位置是通过确定HDD机702的位置并确定从HDD机702延伸的钻柱703的属性来确定的。例如，HDD机702的位置可以使用HDD机702上的GPS接收机212来确定。钻柱703的属性包括钻头706行进的方向和速率和/或钻柱703中所使用的钻杆的数量。

将一个或更多个定位器704放置在(步骤862)钻头706的近似位置。确定每个定位器704的地理位置(步骤863)。例如，定位器704可以使用GPS接收机222来确定其地理位置。在一些实现中，可以例如使用差分GPS、载波相位跟踪和/或相对运动学定位来增强定位器704所获得的GPS数据。每个定位器704还测量(步骤864)来自钻头706的探测器708的信号力度/强度。例如，定位器704使用EM天线226和定位器电路224来测量来自探测器708的信号。因此，每个信号强度测量与地理位置相关联。

EM信号强度可以直接与读取位置(即定位器704的地理位置)和探测器位置(即钻头706的地理位置)的近似有关。具体而言，针对定位器704的每个地理位置，探测器708位于沿着地理位置周围范围的圆周上。该范围的半径对应于从探测器708所接收的信号的力度/强度。

重复方法860的步骤862-864，直到已经针对至少三个地理位置获得了读数(步骤865)。在特定实现中，针对多于三个地理位置重复步骤862-864。例如，重复步骤862-864，直到至少三个地理位置与预定阈值以上的测量相关联。然后将该至少三个地理位置进行三角测量(步骤866)以确定探测器(以及钻头706)的位置。在一些实现中，三角测量分析还包括以HDD机702的地理位置为中心并以钻柱703的长度为半径的球体而计算的圆周。

操作者被导向(步骤867)钻头706的地理位置。例如，定位器704可以显示具有示出探测器708的地理位置的标记的区域的地图。在特定实现中，地图还可以包括指示HDD机702的地理位置和/或另一地标的标记。在其他实现中，地图可以显示在HDD机702上。

现在参考图17-18，示出了使用基于GPS技术的定位技术，意在说明以上结合图5-6所讨论的不确定/变化问题，其中，具体而言，图17示出了可结合本文所公开的方法和系统使用的示例定位技术，在该示例定位技术中，使用了基于GPS的定位系统。在所示实施例中，示出了钻孔路径序列900，说明由基于GPS的位置引入的不确定或变化。在各种实施例中，基于GPS的系统可以具有关于精确位置的不确定性，实际位置和检测位置之间具有大约3英尺的差异。这是在钻孔路径序列中由第一钻孔路径位置910来表示，第一钻孔路径位置910具有起始点902、钻柱914的估计当前端点912，圆圈916表示与所检测的位置相比较的实际位置的可能差异。因此，钻孔路径位置910一般对应于定位器所检测的钻头(例如，探测器或相关钻孔工具)的当前位置，例如可以显示在例如图5-6所示的显示器上。应当注意的是，使用以上结合图7-16所讨论的与三角测量有关的各种技术，在一些情况下，差异可以低于3英尺；然而，在难以获得精确GPS信号的其他情况下，精度实质上可能更低。在任一事件中，由于已知钻柱长度的使用，可以提高精度，这允许将钻头的可能位置变窄到作为圆圈916一部分的区域918所示的区域中。

当钻探进行并且钻头在地下移动时，可以检测到附加的位置并且可以持续地监视钻柱的长度。如在序列900的第二钻孔路径位置920中可见，应当注意的是，通过定位第二估计当前端点912’并且连同表示在此第二所捕捉的GPS位置的位置中的差异的第二圆圈916’，可以确定针对钻柱914的随后的钻头位置。基于第二圆圈916’和钻柱914的已知第二长度，可以建立第二变窄区域922。应当注意的是，基于此第二变窄区域922，由于在第一钻孔路径位置捕捉910时已知的各种可能位置和当前钻孔路径位置920之间的可能路径，以及在第二钻孔路径位置920的钻柱914的已知长度的限制，可以将第一变窄区域918变窄到区域918’。

第三钻孔路径位置930示出了由于使用定位器上的GPS单元的第三位置捕捉操作导致在第三估计端点912’’的钻孔路径的进一步改进。在此情况下，第三钻孔路径位置导致表示在此位置的不确定性的第三圆圈916’’，基于钻柱的已知长度，将第三圆圈916’’变窄到区域932。基于此信息，可以在第一位置910确定进一步变窄区域918’’，在第二位置确定变窄区域922’’。因此，当钻孔操作沿着计划的钻孔路径进行时，已知的钻柱长度和估计的钻头的当前位置可用于沿着钻孔路径进一步改进先前的位置。因此，即使使用基于GPS变化的周期性估计的钻头的位置，可以在钻孔处理期间建立精确的钻柱记录。在钻孔处理期间所确定的此“实际建立”钻孔路径可以显示在如在图5-6中的钻探平台的显示器上，并可以基于随后位置确定对其进行周期性地更新。在一些实施例中，可以在每个钻柱部分的末端或其他恰当距离捕捉这些周期性路径位置。应当注意的是，在一些情况下，可以仅在钻头已经经过特定位置预定距离(例如，2-3个钻探部分)之后，确定关于钻柱的位置的精度。

在一些附加实施例中，应当注意的是，除了钻头的当前位置和过去位置以外，同样可以捕捉深度信息，并相对于GPS设备所确定的定位器的当前高度的深度信息来确定深度信息。

现在参考图18，描述了使用定位器设备执行的通用处理1000，该处理1000用于改进在钻孔操作期间相对于钻柱的位置数据。此处理可以用于例如实现结合图17所讨论的位置改进，并在各种实施例中可以在具有GPS功能的定位器设备中执行或在如上所述的与这种定位器相关联的钻探平台上执行。在所示实施例中，处理1000包括确定钻探平台的初始位置(即，钻孔处理的起始位置)(步骤1002)。该处理还包括针对已知距离执行地下水平定向钻探操作(即钻孔操作)(步骤1004)。该处理接下来包括例如使用具有集成GPS的定位器设备，捕捉在钻头之上的地上位置的GPS位置读数(步骤1006)。这造成在所捕捉的当前位置通常具有圆形差异(例如，图17的圆圈916、916’、916’’’)。确定整个钻柱长度(步骤1008)，并基于已知的钻柱长度使钻头的当前位置变窄，以达到钻头的当前位置的变窄差异(步骤1010)。然后，基于钻头位置的当前差异更新已经捕捉的任意在先位置，以使那些可能的位置变窄(例如，造成图17的变窄位置918’、918’’或922’)。然后，记录所计算的位置中每个，并且钻孔处理继续进行到步骤1004以继续钻孔另一距离(例如，另一钻柱部分)。

参考图17-18，应当注意的是，当钻探完成时，可能已知钻柱的末端位置，因为钻头会出现在钻孔的远端。因此，可以从此位置导出附加的确定性，并且可以进一步更新在钻孔处理期间所捕捉的临时位置，导致使用固有不精确的定位技术带来精确的“实际建立”的钻孔路径。如下所述，然后可以存储这种“实际建立”的钻孔路径，用于平台或远离工作现场的计算系统查看。

现在参考图19-20，讨论与包括一个或更多个HDD机(例如如上所述的机器14、102、702)的整个网络的操作有关的附加特征。一般而言，图19-20描述在HDD机所捕捉的数据(包括钻探平台自身的运行参数，以及与钻头相关联的探测器的计划、当前和历史位置有关的位置数据)的管理和跟踪。

如图19所示，HDD机1102经由网络1106与HDD数据服务器1104通信连接。HDD机可以是各种机器(例如如上所述的机器14、102、702)中任意一个。HDD数据服务器1104可以是能够存储和获取与水平定向钻探相关联的数据的各种类型的计算系统或计算资源中任意一个。在各种备选实施例中，HDD数据服务器1104是可用于与HDD机1102可通信连接的服务器资源或基于云的分布式计算资源。网络1106可以是能够在HDD数据服务器1104和HDD机1102之间提供实时或接近实时数据交换，使得远程计算系统(例如图1A的系统20)可访问该数据的各种数据网络中任意一个。

如图17所示，HDD数据服务器1104可以与HDD机1102以及授权访问这些数据的其他计算系统交换各种类型数据。在所示示例实施例中，HDD数据服务器1104包括：数据库1108，被配置为存储与工作现场有关的各种类型的信息。在所示实施例中，数据库1108包括钻孔计划数据1110、钻孔日志1112、工作数据1114、现场数据1116、平台远程通信数据1118、维护数据1120和报告1122；然而，在备选实施例中，同样可以包括其他类型的数据。

在所示实施例中，钻孔计划数据1110表示在钻孔操作之前所生成的数据，与针对钻孔工具行进的计划路线有关，如上文所述。例如在美国专利No.6，749，029中讨论了示例类型的钻孔计划数据，其公开的全文通过引用方式并入本文中。类似地，钻孔日志1112表示在钻孔操作期间所记录的关于钻孔工具的实际路径的数据。钻孔日志1112一般可以包括一个或更多个类型的位置数据，例如GPS坐标或相关位置数据，以及时间戳和(可选的)深度信息，允许用于映射正在创建处理中或事先已经创建的实际钻孔的三维路线。通过钻孔计划数据1110和钻孔日志1112的使用，远程计算系统还可以远程地显示映射路线506vs.实际路线508，和如上所述在HDD机和/或定位器中显示一样。

通常，工作数据1114和现场数据1116对应于描述要执行的特定钻孔操作的数据。工作数据可以包括例如与要执行的特定工作有关的数据，例如针对该工作的规格(例如，钻孔大小、长度、开销、定时等)、与工作有关的人员(例如，HDD机和/或定位器操作者、项目经理或其他个人)以及分配用于执行该工作的特定设备。该特定设备数据可以包括所使用的HDD机的型号以及定位器的特性(例如，定位技术的类型)和在工作现场所使用的其他组件(例如，钻柱的特性(例如其弯曲/操纵特定)或可与HDD机一起使用的其他附属模块的特性)。现场数据1116可以包括描述HDD操作进行的现场的各种类型的信息。例如，现场数据1116可以包括现场边界信息、现有设施信息、地形信息、地面组成信息(例如，土壤条件、障碍物等)、地下水位信息或其他类似信息等等。工作数据1114和现场数据1116可用于定义在特定项目周围的参数的范围，并可以用于管理要利用管理这些数据的实体所拥有的或所控制的各种设备执行的各种HDD工作的时间和期望调度。

平台远程通信数据1118表示HDD机跟踪的并预期编程到HDD机中的信息，用于在HDD操作期间指导和/或跟踪其操作。示例平台远程通信数据1118可以包括针对HDD机的运行编程以及在钻孔操作期间HDD机的运行数据，例如HDD机从该HDD机的操作子系统以及与其相连的各种组件所收集的数据。这可以包括例如与机器的运行有关的数据和仪表盘，例如引擎速率、附件速度、附件压力、操纵位置、轨道方向和速度、支臂深度、当日时间、自动沉陷状态、燃料等级状态和燃料消耗、液压油温差异、轨道压力、引擎工作小时、附件填充压力、累积器预填充压力、引擎油压、引擎冷却剂温度、系统电压或液压油温。在2007年9月11日递交的美国专利申请No.11/853，396中描述了示例远程通信数据，其公开的全文通过引用方式并入本文中。

维护数据1120表示服务特定实体使用的各种HDD机有关的数据。例如，维护数据1120可以包括服务记录、保修信息或与HDD机的所有者和其经销商和/或制造商之间关系相关联的其他数据。

报告1122可以包括可用于评定执行HDD工作的实体的性能的各种工作后数据编辑中任意一个。报告可以包括例如用于完成HDD工作(特定工作或平均工作)的整体开销或拥有HDD机(特定机器或与实体相关联的所有机器的平均)的开销的评定。在一些实施例中，可以在HDD机或在后端数据库(例如，HDD数据服务器1104)生成报告1122，并且可以基于所收集的远程通信信息、位置信息或描述机器或工作的其他信息生成报告1122。例如，钻探平台压力(例如油压)和钻探阻力测量可以与特定探测器位置相关联，该关联指示HDD机遇到难以钻孔经过的一种岩石或障碍物。使用各种报告，能够在系统1100开发一个或更多个基于报告的模块，能够辅助预测整体开销以及因此针对特定工作的适当出价。在一些示例实施例中，可以在HDD数据服务器1104定制并生成报告，并向一个或更多个不同已知软件格式(例如电子数据表或web报告格式)输出该报告。

现在参考图20，公开了用于操作水平定向钻探系统的方法1200的示例流程图，其中，HDD机1102与远程数据管理组件通信连接，如上所述。方法1200一般对应于能够基于在HDD数据服务器1104传送的数据与工作现场远程地执行的操作；然而，应当认识到，这里所讨论的一个或更多个操作可以取而代之地在工作现场本地来执行。

如所述，方法1000一般包括将一个或更多个钻探平台与数据收集系统(例如图19的HDD数据服务器1104)通信连接(步骤1202)。这可以包括例如将HDD机放置在相应的工作现场，并在HDD机和HDD数据服务器之间建立数据连接。

然后，操作者可以使HDD数据服务器1104直接地或经由远程计算系统向HDD机1102发送数据，准备在HDD机所处的工作现场执行钻孔操作(步骤1204)。在运行之前向HDD机1102发送的数据可以包括各种远程通信仪表盘或HDD机可用于完成钻探操作的其他特征。在各种实施例中，可以以单个包或以多个可选择的自包含的包，向HDD机1102发送远程通信信息。在使用多个自包含的包发送远程通信信息的实施例中，在需要用于运行时，可能仅将这些包的子集下载到HDD机1102。在运行之前向HDD机1102发送的数据还可以包括钻探平台可使用的各种类型的运行数据。这可以包括例如可以向HDD机发送的为现场开发的现场数据和工作数据。其还可以包括要在与工作相关联的钻孔处理期间使用的特定设备和处理的定义。

此外，在钻孔处理中HDD机1102的运行之前，计算系统可以向HDD机发送钻孔计划和/或地图数据(步骤1206)。该地图数据可以包括要进行钻探的区域的一个或更多个地形图(二维或三维)，以及描述在该区域中出现的障碍物(例如，特定岩石、建筑物或要避开的地下设施)的数据。该钻孔计划数据可以包括针对要进行钻孔的提议的或计划的路线，并可以被配置为覆盖在HDD机(以及在远程系统)的地图数据上。因此，优选地使用常见坐标集合(例如，GPS或其他布置)或到常见点的相对位置。

在HDD机的运行期间(例如，在钻孔处理期间)，HDD数据服务器1104被配置为接收HDD工作数据(步骤1208)。这包括实时地或接近实时地接收与HDD机的一些或所有运行参数有关的更新，以及与包括探测器的钻孔工具的位置和运行有关的更新。在各种实施例中，HDD数据服务器1104可以实时地或在工作完成一段时间以后，接收在HDD机捕捉的信息的一部分。

应当注意的是，在HDD机的运行期间，在一些实施例中，能够从HDD数据服务器1104向HDD机1102发送附加的或备选的钻孔计划或地图数据(例如经由步骤1206)。例如，基于从HDD机1102接收的所观测的远程通信信息，整个系统的远程用户可以观测到，例如由于钻孔与期望值的差异，或基于在步骤1208中从HDD机接收的其他数据，可能需要改变钻孔计划中的一部分。在这些实施例中，可以经由与在HDD机上提供的接口类似的接口(例如如图5-6中所示的接口)，向远程计算系统的用户显示工作现场的地图以及钻孔计划和实际钻孔位置。

在工作完成时，HDD数据服务器1106可以生成与一个或更多个所完成的HDD工作有关的一个或更多个工作报告。在不同的实施例中，HDD数据服务器1106可以自动地生成这些报告或可以由用户指示生成这些报告。该报告可以包括例如：升级钻孔路径(例如“实际建立”钻孔)和计划的钻孔路径之间的比较；HDD机在工作期间或在工作后所需的服务或维护报告；工作期间已经产生的告警，例如危险的压力或张力等级；以及，拥有的开销/工作的开销/运行的开销的度量。其他类型的报告同样是可能的，并且整个系统1100的用户可以定义定制的报告。

大体上参考图19-20，应当注意的是，尽管参考单个工作现场和HDD机1102讨论了通用方法1200，应当认识到，在许多实施例中，HDD数据服务器1104可以同时支持与在地理上分散的工作现场的多个不同HDD机1102有关的数据的管理和存储。此外，应当注意的是，在远程现场的单个个人能够经由HDD数据服务器1104同时监视各种HDD工作现场，并同时向这些HDD工作现场提供指导(例如钻孔计划或其他数据)，从而允许在需要时对HDD的运行进行实时监督和干预。因此，由于多个可能HDD机可以访问或提供去往/来自HDD数据服务器的数据，在一些实施例中，系统1100可以被布置使得HDD机1102或其他远程计算系统在需要时通过该远程系统发起与HDD数据服务器1104的数据交换。

现在大体上参考图1-20，应当注意的是，在一些实施例中，这里所描述的HDD机可以与计算系统(例如，服务器或远程系统)接口，能够查看和/或交互从HDD环境中获得的或开发用于HDD环境的数据。应当注意的是，尽管在本公开中使用术语“服务器”和“远程计算系统”，应当认识到。此外，应当注意的是，这里所公开的方法可以在整个水平定向钻探环境中的一个或更多个位置执行，在这里所公开的一个或更多个计算系统上执行，或实现为一个或更多个通信介质、计算机可读介质或计算机存储介质上的程序指令。

根据本公开，这里所使用的术语计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。如在本文档中所使用的计算机存储介质是存储数据和/或计算机可执行指令的设备或产品。计算机存储介质可以包括以任意方法或技术实现的用于存储信息(例如，计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的易失性和非易失性、可移除和不可移除设备或产品。例如，计算机存储介质可以包括(但不限于)动态随机存取存储器(DRAM)、双数据速率同步动态随机存取存储器(DDRSDRAM)、低延迟DRAM、DDR2SDRAM、DDR3SDRAM、DDR4SDRAM、固态存储器、只读存储器(ROM)、电可擦写可编程ROM、光盘(例如CD-ROM、DVD等)、磁盘(例如硬盘、软盘等)、磁带和存储数据的其他类型的设备和/或产品。在本公开的实施例中，计算机存储介质不包括瞬时信号。

通信介质可以通过计算机可读指令、数据结构、程序模块或调制数据信号(例如，载波或其他传输机制)中的其他数据来实现，并包括任意信息传递介质。术语“调制数据信号”可以描述具有一个或更多个特征集合按照将信息编码到该信号中的方式改变的信号。例如，通信介质可以包括(但不限于)有线介质(例如有线网络或直接有线连接)和无线介质(例如，声音、射频(RF)、红外和其他无线介质)。

以上说明书、示例和数据提供本发明构成的制造和使用的完整描述。因此在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以作出本发明的许多实施例，本发明存在于以下所附权利要求中。

Claims (62)

1.一种定位器设备，包括：

(a)第一定位系统，被配置为生成以感测从与钻头相关联的探测器发出的电磁场；

(b)第二定位系统，包括全球定位系统；

(c)所述定位器设备上的显示器，所述显示器被配置为基于所述全球定位系统所检测的位置来显示所述定位器设备所处的区域的地图；以及

(d)控制电路，被配置为在从用户接收到输入时，在与所述定位器设备相关联的存储器中记录位置数据以供水平定向钻探控制系统使用。

2.根据权利要求1所述的定位器设备，其中，所述控制电路包括：按钮输入，被配置为触发所述位置数据的记录。

3.根据权利要求1所述的定位器设备，其中，所述控制电路还被配置为：生成所述水平定向钻探控制系统能够使用的钻孔规划图。

4.根据权利要求1所述的定位器设备，其中，所述控制电路还被配置为：接收要与所述位置数据相关联的钻孔深度的选择。

5.根据权利要求1所述的定位器设备，其中，所述控制电路还被配置为：接收与出现在所述定位器设备附近的障碍物相关联的数据。

6.一种定位与地下钻头相关联的探测器的方法，所述方法包括：

基于与钻探平台的方向和距离，计算探测器的近似位置；

使用全球定位系统，将定位器设备放置在所述近似位置；

当所述定位器设备处于所述近似位置时，确定由所述探测器生成的电磁信号的信号强度；以及

通过将所述定位器设备放置在靠近所述近似位置的位置，确定所述探测器的位置，所述定位器设备的位置对应于最大电磁信号强度。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：将置信度值与所述探测器的位置相关联。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，确定所述探测器的位置还包括：基于来自电磁信号强度的多个测量的三角测量，计算所述探测器的位置。

9.根据权利要求6所述的方法，还包括：在所述定位器设备的显示器上显示的地图上显示所述探测器的位置。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，显示所述探测器的位置包括：在所述地图上显示指示所述探测器的位置的圆圈，其中，所述圆圈具有与关于所述探测器的位置的置信度值相对应的大小。

11.一种操作水平定向钻探机的方法，所述方法包括：

将定位器设备放置在沿着所计划的钻孔路径的多个位置；

在至少所述多个位置处，使用全球定位系统捕捉所述定位器设备的位置，从而捕捉由多个所捕捉的位置所定义的路线；以及

将所述路线上传到水平定向钻探控制系统。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：将钻孔深度与多个所捕捉的位置中的每个位置相关联。

13.根据权利要求11所述的方法，还包括：使用所述定位器设备的全球定位系统，确定水平定向钻探系统的钻探平台的初始位置。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括：

映射所述多个所捕捉的位置所定义的路线；

在所述定位器设备的显示器上显示所映射的路线。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：在所述定位器设备的显示器上，与所映射的路线相比较地显示探测器行进的实际路线。

16.一种基于GPS的定位器设备，能够在水平定向钻探应用中使用，所述基于GPS的定位器设备包括：

(a)定位系统，包括全球定位系统；

(b)显示器，被配置为：基于由所述全球定位系统检测的位置，显示所述定位器设备所处的区域的地图；

(c)控制电路，被配置为：在从用户接收到输入时，在与所述定位器设备相关联的存储器中记录定位数据以供水平定向钻探控制系统使用；以及

(d)通信接口，被配置为：向水平定向钻探控制系统传送所述位置数据。

17.根据权利要求16所述的基于GPS的定位器设备，还包括能够安装到定位器设备的外壳。

18.一种钻探系统，包括：

钻探机，包括：

钻柱以及与所述钻柱耦合的钻头，

蜂窝通信设备，用于接收位置校正数据，

双向无线电收发机，被配置为：广播所述位置校正数据并接收校正的位置数据和钻头属性数据；以及

移动定位器设备，包括：

感测设备，被配置为：测量所述钻头的属性，以生成所述钻头属性数据；

GPS接收机，被配置为：接收指示所述移动定位器设备的近似位置的原始GPS数据，

控制器，用于使用所述位置校正数据将所述原始GPS数据转换为所述校正的位置数据，以及

双向无线电收发机，被配置为：接收所述钻探机广播的所述位置校正数据并广播所述校正的位置数据和所述钻头属性数据。

19.根据权利要求18所述的钻探系统，其中，所述钻探机包括：控制设备，所述控制设备存储操纵校正的位置数据和钻头属性数据以确定所述钻头的近似位置的计算算法。

20.根据权利要求19所述的钻探系统，其中，所述钻探机包括：显示设备，被配置为显示指示所述钻头的位置的地图。

21.根据权利要求20所述的钻探系统，其中，所述地图指示所述钻头相对于所述钻探机的位置。

22.根据权利要求20所述的钻探系统，其中，所述计算设备被配置为存储钻孔计划；以及所述显示设备被配置为显示所述钻孔计划。

23.根据权利要求19所述的钻探系统，其中，所述钻探机的控制设备被配置为：测量所述钻柱的属性，所述控制设备还使用所测量的属性来确定所述钻头的近似位置。

24.根据权利要求18所述的钻探系统，其中，所述钻头包括探测器，并且所述移动定位器的感测设备包括EM天线。

25.根据权利要求24所述的钻探系统，其中，所述钻头属性数据包括信号强度。

26.根据权利要求18所述的钻探系统，其中，所述位置校正数据是使用差分GPS技术、基于通过已知位置处的参考现场所计算的位置误差而计算的。

27.根据权利要求18所述的钻探系统，其中，所述钻探机还包括：GPS接收机，被配置为接收指示所述钻探机的近似位置的原始GPS数据。

28.根据权利要求27所述的钻探系统，其中，所述钻探机的GPS接收机和所述移动定位器设备的GPS接收机均被配置为：测量在多个时段上来自多个卫星的载波信号相位。

29.根据权利要求28所述的钻探系统，其中，所述钻探机和所述移动定位器设备之一被配置为：计算所测量的相位的三差。

30.一种操作水平定向钻探机的方法，所述方法包括：

将定向器设备放置在钻探机的通信范围内的多个位置；

使用全球定位系统捕捉所述定位器设备在每个位置的近似位置；以及

通过将差分GPS技术和载波相位跟踪技术中的至少一个应用到所述近似位置，确定所述定位器设备的特定位置。

31.根据权利要求30所述的方法，还包括：

使用所述定位器设备测量所述钻头在所述多个位置中每个位置的属性；以及

使用所测量的属性和所述特定位置，确定所述钻头的位置。

32.根据权利要求30所述的方法，还包括：

使用针对所述多个位置中每个位置的所述定位器设备的特定位置，计划钻头要遵循的路线；以及

将来自所述定位器的所述路线上传到水平定向钻探控制系统。

33.根据权利要求30所述的方法，其中，所述定位器设备的特定位置是通过应用所述差分GPS技术来确定的。

34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述定位器从所述钻探机接收位置校正信息。

35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述定位器通过无线电广播接收位置校正信息。

36.根据权利要求34所述的方法，其中，所述钻探机从远程计算机系统接收位置校正信息。

37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述钻探机通过蜂窝线路从所述远程计算机系统接收位置校正信息。

38.根据权利要求30所述的方法，其中，所述定位器设备的特定位置是通过应用所述载波相位跟踪技术来确定的。

39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述定位器设备计算在所述钻探机处测量的载波信号相位和在所述定位器设备处测量的载波信号相位的三差。

40.根据权利要求38所述的方法，其中，所述钻探机向所述定位器设备广播在所述钻探机处测量的载波信号相位。

41.根据权利要求38所述的方法，其中，所述钻探机计算在所述钻探机处测量的载波信号相位和在所述定位器设备处测量的载波信号相位的三差。

42.根据权利要求41所述的方法，其中，所述定位器设备向所述钻探机发送在所述定位器设备处测量的载波信号相位。

43.一种水平定向钻探系统，包括：

水平定向钻探机，位于工作现场；

水平定向钻探数据服务器，远离所述水平定向钻探机并与所述水平定向钻探机通信连接，所述水平定向钻探数据服务器包括：数据库，被配置为至少接近实时地从所述水平定向钻探机收集运行数据，所述运行数据包括指示所述水平定向钻探机的近似位置的GPS数据。

44.根据权利要求43所述的水平定向钻探系统，还包括位于地理上分散的工作现场的多个水平定向钻探机，所述多个水平定向钻探机中的每个与所述水平定向钻探数据服务器通信相连。

45.根据权利要求43所述的水平定向钻探系统，其中，所述运行数据包括：指示与HDD机相关联的探测器的近似位置的GPS数据。

46.根据权利要求43所述的水平定向钻探系统，其中，所述数据库还被配置为：存储与所述工作现场相关联的一个或更多个钻孔计划。

47.根据权利要求46所述的水平定向钻探系统，其中，所述水平定向钻探机被配置为：在钻探操作之前，从与所述工作现场相关联的一个或更多个钻孔计划中请求并接收钻孔计划。

48.根据权利要求47所述的水平定向钻探系统，其中，所述水平定向钻探机被配置为：在所述钻探操作期间，请求并接收与所述工作现场相关联的更新钻孔计划。

49.根据权利要求43所述的水平定向钻探系统，其中，所述数据库还被配置为存储多种类型的数据，所述数据选自由以下各项构成的组：钻孔计划数据；钻孔日志；工作数据；现场数据；平台远程通信数据；维护数据；以及报告。

50.根据权利要求43所述的水平定向钻探系统，还包括与所述水平定向钻探数据服务器通信连接的远程计算系统。

51.根据权利要求43所述的水平定向钻探系统，其中，所述所述水平定向钻探数据服务器被配置为：生成与所述水平定向钻探系统在所述工作现场执行的工作有关的一个或更多个报告。

52.一种水平定向钻探系统，包括：

水平定向钻探机，位于工作现场并包括钻柱、与所述钻柱耦合的钻头、控制系统、以及能够与远程计算系统进行通信的通信接口；

移动定位器设备，包括：

感测设备，被配置为：测量所述钻头的属性，以生成钻头属性数据；

GPS接收机，被配置为接收指示所述移动定位器设备的近似位置的GPS数据，

无线电收发机，被配置为向所述水平定向钻探机广播位置数据和钻头属性数据；以及

水平定向钻探数据服务器，远离所述工作现场并被配置为：经由所述通信接口从所述水平定向钻探机接收所述GPS数据。

53.根据权利要求51所述的水平定向钻探系统，还包括与所述水平定向钻探数据服务器通信连接的远程计算系统。

54.根据权利要求53所述的水平定向钻探系统，其中，所述所述水平定向钻探数据服务器被配置为：在所述水平定向钻探机的运行期间，以至少接近实时的方式接收GPS数据。

55.根据权利要求54所述的水平定向钻探系统，其中，所述远程计算系统被配置为：在所述水平定向钻探数据服务器接收到所述GPS数据时，访问来自所述水平定向钻探数据服务器的所述GPS数据。

56.根据权利要求54所述的水平定向钻探系统，其中，所述远程计算系统被配置为：显示包括所述工作现场的地图和所述钻头的位置的用户界面。

57.一种水平定向钻探数据服务器，与位于地理上分散位置的多个水平定向钻探机通信相连，所述水平定向钻探数据服务器包括数据库，所述数据库被配置为存储来自所述水平定向钻探机中每一个的多种类型的数据，所述数据选自由以下各项构成的组：钻孔计划数据；钻孔日志；工作数据；现场数据；平台远程通信数据；维护数据；以及报告。

58.一种确定钻孔路径的位置的方法，所述钻孔路径具有起始位置、第一位置和第二位置，所述方法包括：

从所述起始位置钻孔到所述第一位置；

至少部分基于由地上定位器所捕捉的GPS数据，估计所述第一位置所处的区域；

基于从所述起始位置延伸到所述第一位置的钻柱的长度，使所述区域变窄；

从所述第一位置钻孔到所述第二位置；

至少部分基于由地上定位器所捕捉的GPS数据，估计所述第二位置所处的第二区域；

基于从所述起始位置延伸到所述第二位置的钻柱的第二长度，使所述第二区域变窄；以及

基于变窄的第二区域，使第一区域变窄。

59.根据权利要求58所述的方法，其中，所述钻柱的长度对应于所述钻孔部分的长度。

60.根据权利要求58所述的方法，还包括：在存储器中记录所述变窄的第一区域和所述变窄的第二区域。

61.根据权利要求58所述的方法，还包括：基于所述变窄的第一区域和所述变窄的第二区域，更新所述钻孔路径的显示。

62.根据权利要求58所述的方法，其中，所述区域具有至少部分地由所述GPS数据的期望不准确度所定义的半径。

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