CN107109928A - 多模式转向和归位系统、方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过大地移动的钻孔工具。钻孔工具支撑的发射器发送电磁归位信号。便携式装置在归位模式下监视电磁归位信号并接收电磁归位信号以将钻孔工具引导至目标位置。在转向模式下，处理器生成转向命令以基于钻孔计划引导钻孔工具以便引入至少某个位置误差，而不使用电磁归位信号。从转向模式至归位模式的切换是基于当钻孔工具接近便携式装置时对归位信号的监视，且然后将钻孔工具引导至目标位置以补偿位置误差。描述中间目标位置，且只要便携式装置接收信号就基于归位信号引导钻孔工具。

Description

多模式转向和归位系统、方法和装置
本申请案涉及并主张于2015年9月24日申请的美国临时专利申请案第14/864,800号的优先权和权利，该美国临时专利申请案以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本申请案大体而言涉及用于水平定向钻凿的转向工具，更具体而言，涉及一种供共模使用转向信息和归位信息的系统和方法。
背景技术
钻孔工具是众所周知的可操纵的钻头，钻头可承载传感器、发射器和相关电子器件。钻孔工具通常通过可从钻机延伸的钻柱来控制。钻柱通常由钻杆段形成，钻杆段在下文中可称为钻杆，钻杆段可选择性地彼此附接以用于推进和缩回钻柱。转向通常使用钻头上的斜面来完成。在旋转的同时推进钻柱将导致钻头直线向前行进，而推进具有以某个固定角度定向的斜面的钻柱将导致钻头在某个方向偏转。
为了监视钻孔工具在水平定向钻孔现场的进展的目的，现有技术采取的一种方法通常被称为“转向工具”。该术语用于描述当钻孔工具使用钻柱推进穿过大地时、基本上可预测钻孔工具的位置的整体系统，以便使钻孔工具可在大地内沿着计划钻孔路径被转向。转向工具系统被认为与用于水平定向钻孔的其它类型的定位系统不同，这至少出于如下原因：当钻孔工具通过大地前进时，以逐步的方式监视钻孔工具的位置。对于钻孔工具的每个位置，可以与钻柱的延伸相配合地测量钻头的俯仰角和偏航角。由此，通过数值积分获得钻孔工具的位置坐标。标称或测量的钻杆长度可作为积分期间的步长尺寸。为此，位置误差会随着通过大地推进的增加而累积。位置误差可至少部分地归因于俯仰测量误差和偏航测量误差以及地球磁场的地下扰动，这可能导致偏航测量偏差误差。因此，钻孔工具可以与钻孔计划的端点目标具有相当大的偏移。
相反，归位系统依赖于从钻孔工具发送的电磁信号。在接收位置处接收电磁信号，供生成用于将钻孔工具相对于接收位置引导到目标的归位命令。应理解，在归位系统中，钻孔工具的定位参数的数值积分是不必要的，因此消除了关于累积位置偏移误差的关注。先进的归位系统的一个实例由美国专利第6,727,704号提出，其与本申请案被共同拥有并且通过引入的方式并入本文中。然而，申请人认识到，从钻孔工具到接收位置的电磁信号的范围可以显著地短于预期钻孔路径的长度。
用于监视钻孔工具的现有技术系统的另一种形式使用通常被称为步行定位器的装置。在这种系统中，操作者在大地的表面上方携带步行定位器以接收电磁信号。钻孔工具的位置可以至少部分地基于操作者改变在移动定位器与钻孔工具之间的位置关系的能力来确定。以这种方式，可以在表征电磁信号的大地的表面处识别各种现场定义的点。申请人认识到，在一些情况下，使用步行定位器是不切实际的。例如，钻孔路径可能在繁忙的公路、河流、湖泊或其他此种障碍物下延伸。
相关技术的前述实例和与其相关的限制旨在是说明性的而非排他性的。在阅读本说明书和研究附图之后，相关技术的其他限制对于所属领域的技术人员将变得显而易见。
发明内容
结合系统、工具和方法来描述和例示以下实施例和其方面，这些系统、工具和方法旨在是示例性和说明性的，而不是限制范围。在各个实施例中，上述问题中的一个或多个已经减少或消除，而其他实施例涉及其他改进。
一般来说，一种系统包括钻孔工具，该钻孔工具可通过具有可延伸长度的钻柱移动，钻柱从钻机引导到钻孔工具，用于执行使钻孔工具通过大地前进的水平定向钻孔操作。在本公开的一个方面中，描述一种用于结合系统使用的装置和相关联的方法，所述系统包括由钻孔工具支撑的用于传送电磁归位信号的发射器。发射器包括用于生成表征地球磁场的磁读数的磁力计和用于生成表征钻孔工具的俯仰定向的俯仰读数的加速度计。将便携式装置构造成用于在归位模式下监视电磁归位信号以及用于接收电磁归位信号以供用于生成归位命令，以将钻孔工具引导到与便携式装置相关的目标位置。将处理器构造成用于生成转向命令，以在转向模式下基于钻孔计划使用磁读数、俯仰读数和钻柱的可延伸长度来引导钻孔工具，使得将至少某个位置误差引入到所述地下工具的实际位置与所述地下工具的预测位置之间，以及用于当钻孔工具接近便携式装置时且此后将钻孔工具移动到目标位置定位以补偿位置误差时，至少部分地基于监视电磁归位信号，从转向模式切换到归位模式。
在本公开的另一方面，描述一种用于结合系统使用的装置和相关联的方法，所述系统包括由钻孔工具支撑的用于传送电磁归位信号的发射器。发射器包括用于生成表征地球磁场的磁读数的磁力计和用于生成表征钻孔工具的俯仰方向的俯仰读数的加速度计。便携式装置包括天线，天线被构造成当便携式装置在距离发射器的接收范围内时接收电磁归位信号以生成电磁信息。处理装置被构造成用于生成转向命令，以在转向模式下基于钻孔计划使用磁读数、俯仰读数和钻柱的可延伸长度来引导钻孔工具，使得将至少某个位置误差引入到所述地下工具的实际位置与所述地下工具的预测位置之间，以及用于当便携式装置位于接收范围内时，在归位模式下将钻孔工具引导到与便携式装置相关的目标位置以补偿位置误差。
在本公开的另一方面，描述一种用于结合系统使用的装置和相关联的方法，所述系统包括由钻孔工具支撑的用于传送电磁归位信号的发射器。发射器包括用于生成表征地球磁场的磁读数的磁力计和用于生成表征钻孔工具的俯仰方向的俯仰读数的加速度计。便携式装置包括天线，天线被构造成当便携式装置在距离发射器的接收范围内时接收电磁归位信号以生成电磁信息。处理装置被构造成用于生成转向命令，以在转向模式下基于钻孔计划使用磁读数、俯仰读数和钻柱的可延伸长度来引导钻孔工具，使得将至少某个位置误差引入到所述地下工具的实际位置与所述地下工具的预测位置之间，以及用于当便携式装置位于接收范围内时，在归位模式下引导钻孔工具至少近似地返回钻孔计划以补偿位置误差。
附图说明
示例性实施例在附图的参考附图中示出。这里公开的实施例和附图旨在是说明性的而不是限制性的。
图1是利用根据本公开的多模式转向和归位系统的实施例的系统的示意性正视图。
图2示出可由钻孔工具承载的电子器件包的实施例的方框图。
图3是可构成可位于钻机处的地上收发器装置的实施例的部件的方框图。
图4和图5分别是在正视图和平面图中的钻孔计划的示意图，在此结合附加参数示出起始位置和目标位置。
图6是用于向操作者呈现转向模式和归位模式引导的显示的外观的实施例的示意图。
图7a是平面图中的示意图，示出与实际钻孔路径相关的样本钻孔计划，其中实际钻孔路径的初始部分在转向模式中执行，且实际钻孔路径的结束部分在归位模式下结束以到达目标位置。
图7b是地下操作的示意性平面图，示出相对于定位在钻孔计划上的便携式装置的钻孔工具。
图7c是示出相对于目标的钻孔工具的示意性正视图，在这里示出以便于讨论识别钻孔工具相对于便携式装置的位置。
图7d是对图7c进行补充的附加定向参数的图解说明。
图7e是钻孔操作的示意性平面图，示出可以沿钻孔计划限定的中间目标，使得系统进入归位模式，以将钻孔工具在每个中间目标返回到钻孔计划，以消除可能已在转向模式下累积的误差。
图7f是示意图，其可以是平面图或正视图，示出将钻孔工具返回到钻孔计划。
图8示出用于本公开的系统的操作的方法的实施例的流程图。
图9至图11各自示出假设钻孔计划，对其进行数值模拟，作为对本公开的方法进行的验证。
图12是对图9的直钻孔计划以误差图的形式进行的单个模拟运行的实例。
具体实施方式
提供以下描述以使本领域一般技术人员能够制作和使用本发明，且以下描述在专利申请及其要求的背景下提供。对所描述的实施例的各种修改对于所属领域的技术人员而言将是显而易见的，并且本文中教导的一般原理可以应用于其他实施例。因此，本发明并不旨在限于所示的实施例，而是被赋予与本文所描述的原理和特征(包括在所附权利要求的范围内所限定的修改和等同物)一致的最宽范围。注意，附图不是按比例的，并且在本质上是以被认为可最好地例示感兴趣的特征的方式进行的图示。对于这些描述，可以使用描述性术语，然而，已采用该术语以便于读者的理解，且其并不旨在具有限制性。
本申请案揭示将转向工具的便利性和功能性与归位系统的便利性和功能性相结合的一种系统、相关联的装置和方法。申请人认识到，通常可以方便地接近钻孔段的出口位置，然而，对于钻孔段的整个长度，例如当钻孔在河流下方经过时并不总是这样。因此，可在转向模式下执行在障碍物下的钻孔—其中常规定位是不可能的。此后，可在归位模式下完成钻孔段，归位模式通过提供对累积位置误差的补偿来补充转向模式。在转向模式和归位模式期间，无论是否需要在障碍物下方/上方和/或周围钻孔，钻孔可以在不需要技术人员操作用于连续定位钻孔工具的步行定位器、以向钻机的操作者提供转向信息的情况下进行。换言之，本公开总是向钻机的操作者直接提供引导信息。因此，消除了步行定位器操作者对步行定位器指示器的误解的机会以及步行定位器操作者与钻机操作者之间的误通信的机会。无论系统是以转向模式还是以归位模式操作，向钻机操作者提供引导信息可以是相同的。在转向模式和归位模式期间，可以通过使用钻柱作为电导体来促进钻孔工具与钻机之间的传感器数据和命令的传递，因此与常规系统，包括管道中线(wire-in-pipe)系统相比，其方便地使系统操作流线化。
现在转到附图，其中在各个附图中相同的部件由相同的参考编号表示，立即注意图1，其是示意性地示出通常由参考编号10指示且根据本公开制造的水平定向钻孔系统的实施例的正视图。尽管所示系统在水平定向钻孔系统及其用于执行地下钻孔操作的部件的框架内示出本发明，但是本发明可由本领域一般技术人员适用于其它合适的用途，同时仍然应用在本文中公开的教导。
图1示出在区域12中操作的系统10，在区域12中存在障碍物，例如河流13。系统10包括钻机14，钻机14具有从其延伸到钻孔工具的钻柱16。钻孔工具示出为在由参考编号20指示的在转向模式下操作的第一位置处，以及在由参考编号20'指示的在归位模式下操作的虚线中的第二位置处。钻柱可被推入大地中以至少大体上沿由箭头指示的向前方向22移动钻孔工具20。系统10可构造成基于可终止于目标位置TBP的钻孔计划24(其两个部分使用虚线示出)来引导钻孔工具。如将进一步所描述的，可生成旨在沿钻孔计划24引导钻孔工具的转向命令。该钻孔计划通常在实际的水平定向钻凿作之前预先确定。钻孔计划可被定制以适应任何一组情况，例如，避免预先存在的公用设施、结构、障碍物和/或财产边界。钻孔计划可以任何合适的方式建立。例如，基于诸如河流13的障碍物，可能需要增加深度。钻孔计划还可以基于目标TBP的位置考虑诸如图1中所示的进入角度和可进入矿井或离开地面的出口角度。在区域12的平面图中，钻孔计划可以围绕障碍物(例如巨石或结构)转向。其他因素可能影响钻孔计划的编制，包括钻凿设备的物理限制。这些限制包括但不限于使用中的钻杆段的最紧凑/最小弯曲半径。
继续参考图1，钻柱16被部分地示出并且是分段的，由多个以可拆除方式附接的单独的钻杆段组成，其中两个被指示为1和N，具有段或区段长度以及壁厚。钻杆段可互换地称为具有杆长度的钻杆。在钻机的操作期间，每次可将一个钻杆段添加到钻柱并且通过钻机使用可移动托架25推入地面中以便推进地下工具。钻机14可包括用于测量钻柱在地面中移动的合适监视装置26，例如在标题为“SYSTEMS,ARRANGEMENTS AND ASSOCIATED METHODSFOR TRACKING AND/OR GUIDING AN UNDERGROUND BORING TOOL(用于跟踪和/或引导地下钻孔工具的系统、装置和相关方法)”的美国专利第6,035,951号(以下称为'951专利)中所描述的监视装置，该专利与本申请案被共同拥有并且通过引用的方式并入本文中。监视装置26还在虚线圆内的进一步放大的插图27中示出。例如，运动装置可以将超声能量28从发射器发送到接收器供跟踪托架的运动，并且此信息可与钻柱夹具30的状态结合使用，以确定托架的哪些运动用于推进钻孔工具。例如，当钻柱夹具30未夹紧时，托架在方向22上的运动用于延伸钻柱。
每个钻杆段限定在管段的相对端之间延伸的通孔35(指示其中一个)。钻杆段可以装有通常被称为套管和销钉配件的部分，使得给定钻杆段的每个端部都可以以众所周知的方式螺纹地接合钻柱的另一个钻杆段的相邻端部。在钻杆段接合以组成钻柱后，相邻钻杆段的通孔对齐以形成由箭头指示的总路径36。路径36可提供与从钻井设备到钻头的箭头方向一致的钻凿流体或泥浆的加压流，这将进一步进行描述。
钻孔工具在区域12内的位置以及钻孔工具所沿循的地下路径可在钻机14处例如使用显示44在控制台42上建立和显示。控制台可以包括处理装置46和控制致动器装置47。在一些实施例中，操作参数的控制和监测可以是自动的。
钻孔工具20可包括具有倾斜面的钻头50，供基于翻滚定向在转向中使用。换言之，当被向前推而不旋转时，钻头通常将基于其倾斜面的翻滚定向而偏转。另一方面，如双头箭头51所示，通常通过在钻柱被推动时使钻柱旋转来使钻头沿直线行进。当然，可预测的转向以适当的土壤条件为前提。应注意，前述钻凿流体可在高压下作为射流52发送，以用于在钻头前面切割穿过大地，从而将钻屑携带到表面并且用于钻头的冷却和润滑。钻孔工具20包括接纳电子组件56的地下壳体54。地下壳体被构造成使钻凿流体流动到电子组件周围的钻头50。例如，电子组件可包括以居中方式支撑在壳体54内的圆柱形壳体构造。钻头50可包括接纳地下壳体54的销配件的箱配件。地下壳体的相对端可包括接纳隔离器60的销配件的箱配件，隔离器60在其相对端之间形成电隔离的间隙或断口。隔离器60的另一端可包括接纳来自钻杆1的销配件的箱配件。地下电子组件56可包括钻柱收发器64和归位收发器65。将在下文中适当的位置提供关于钻柱收发器的更多细节。在一些实施例中，归位收发器65可发送大地穿透信号66，例如偶极子定位信号，并且可接收由其它部件生成的电磁信号，这将在下面适当的位置描述。本实例假定电磁信号66是用于描述目的的偶极子信号形式的归位信号。因此，电磁信号66可被称为归位信号。应理解，可以像任何其它电磁信号那样调制归位信号，并且此后可从信号中恢复调制数据。用于生成将要描述的归位命令的信号的功能性取决于通量场的特征形状及其信号强度，而不是其携带调制的能力。因此，不需要调制。关于钻孔工具的某些参数(例如俯仰和翻滚(定向参数)、温度、钻凿液体压力和钻孔工具周围的环形压力)的信息可以通过位于钻孔工具内的合适的传感器装置68来测量，包括例如间距传感器、翻滚传感器、温度传感器、用于感测50/60Hz公用设施线路的接近度的交流场传感器、以及所期望的任何其它传感器，例如用于感测偏航定向的直流磁场传感器(三轴磁力计，具有三轴加速度计以形成电子罗盘来测量偏航定向)和一个或多个压力传感器。注意，可基于三轴加速度计的输出来获得俯仰和翻滚定向。可使用钻柱作为电导体，通过钻柱收发器64经由隔离器60将该信息的任何合适的组合调制到信号66上和/或传送到钻机。钻柱收发器64可包括处理器，该处理器根据需要与传感器装置68和归位收发器65接口。电池(未示出)可设置在壳体内用于提供电力。
将便携式装置80示出为定位在大地的表面上以及在虚线圆内的进一步放大的插入视图81中。注意，装置80内的组件间布线已经仅部分地示出以便保持说明清楚，但是需理解为存在并且本领域的一般技术人员可以容易地根据本总体公开内容来实现。便携式装置可用于检测电磁信号66。合适且高度先进的便携式接收机的一个实施例在上面纳入的美国专利第6,727,704号中描述。便携式装置包括三轴天线簇82，其响应于电磁信号66测量电磁通量的指示为bx、by和bz的三个正交布置的分量。考虑在本文中使用的一个有用的天线簇在美国专利第6,005,532号中公开，该美国专利与本申请案被共同拥有并且通过引用的方式并入本文中。天线簇82电连接到电子组件84。电子组件可包括例如一个或多个处理器、任何适当类型的存储器和模数转换器的组件。如在本领域所公知，后者应能够检测至少是所考虑的最高频率两倍的频率。可提供倾斜传感器装置86用于测量重力角，利用重力角可确定在水平坐标系中的通量的分量。在一个实施例中，倾斜传感器装置可包括三轴加速度计。装置80还可包括图形显示90。应理解，图形显示90可是触摸屏，以便于操作者选择在屏幕上定义的各个按钮和/或可在屏幕上方便地滚动以供操作员选择。该触摸屏可单独使用或与输入装置93组合使用，例如用于选择功能的触发器。可在不需要触摸屏的情况下使用输入装置。此外，可采用输入装置的诸多变型，所述诸多变型可使用滚轮和其他合适的公知形式的选择装置。与钻凿相关所考虑的任何参数(例如，俯仰)可显示在显示44上和/或在从钻孔工具恢复的显示90上。装置80可使用天线95发送和/或接收遥测信号94，而钻机14可使用天线97发送和/或接收遥测信号96。这些遥测组件可提供钻机与装置80之间的双向信令，尽管这不是必需的。在一个实施例中，可在装置80中提供天线98，用于将信号99发送到钻孔工具，以便于传送由装置80生成的信息，这将作进一步描述。可根据需要将其他部件(未示出)添加到装置80，例如，用于辅助相对于钻凿方向进行位置确定的磁力计和用于测量装置在地面上方的高度的超声换能器。
现在注意关于图1中的地下隔离器60的细节。通常，隔离器形成电隔离间隙200，使得钻柱收发器跨过间隙进行电耦合，以利用钻柱作为与钻机进行双向通信的电导体。用于提供电隔离间隙的高级实施例在美国公布的专利申请案第2014-0055278号和第2014-0262513号中公开，其各自与本申请案被共同拥有，并且其每一者都通过引用的方式并入本文中。在另一实施例中，可通过使用在例如美国专利第8,695,727号和美国公布的专利申请案第2012-0218863号中描述的电流互感器来方便将钻柱用作电导体，其中每一者都与本申请案被共同拥有，并且其中每一者都通过引用的方式并入本文中。
图2是更详细地示出电子组件56的实施例的方框图。组件56可包括地下数字信号处理器310，地下数字信号处理器310可方便图1中的钻柱收发器64和归位收发器65的所有功能。传感器部分68可经由模数转换器(ADC)312电连接到数字信号处理器310。可为给定应用提供传感器的任何合适的组合，所述传感器的任何合适的组合可选自例如加速度计320、磁力计322、温度传感器324和压力传感器326，其可以感测钻凿流体在从钻柱射出之前的压力和/或在围绕钻柱的井下部分的环形区域内的压力。适配器/隔离器60示意性地示出为将钻柱的井口部分330与钻柱的井下部分334分离，以供在发送模式和接收模式的一者或两者中使用，在发送模式中，将数据耦合到钻柱上，在接收模式中，将数据从钻柱恢复。如图所示，使用第一引线328a和第二引线328b将电子组件跨过由隔离器形成的电绝缘/隔离断口200进行连接，第一引线328a和第二引线328b可统一使用参考编号328指代。在使用电流互感器的实施例中，这些引线可连接至电流互感器引线。对于发送模式，使用天线驱动器部分330，其电连接在地下数字信号处理器310与引线328之间以驱动钻柱。在一个实施例中，可使用不同于用于驱动偶极子天线340的任何频率的频率来调制可耦合到钻柱中的数据，偶极子天线340可发送上述信号66(图1)以避免干扰，尽管这不是必需的。当天线驱动器330关闭时，开/关切换器(SW)350可选择性地将引线328连接至带通滤波器(BPF)352，带通滤波器(BPF)352具有包含从钻柱接收的数据信号的频率的通带。BPF352又连接至模数转换器(ADC)354，模数转换器354本身连接至数字信号处理部分310。本领域一般技术人员可考虑到所采用的特定形式的调制来容易地配置数字信号处理部分中调制数据的恢复。
仍然参见图2，偶极子天线340可被连接供发送模式和接收模式的一者或两者使用，在发送模式中，信号66被发送到周围的土壤中，在接收模式中，图1中的电磁信号(例如信号99)被接收。对于发送模式，使用天线驱动器部分360，其电连接在地下数字信号处理器310与偶极子天线340之间以驱动天线。当天线驱动器360关闭时，开/关切换器(SW)370可选择性地将偶极子天线340连接至带通滤波器(BPF)372，带通滤波器(BPF)372具有包含从偶极子天线接收的数据信号的频率的通带。BPF 372又连接至模数转换器(ADC)374，模数转换器374本身连接至数字信号处理部分310。本领域一般技术人员可在许多合适的实施例中考虑到所采用的一种或多种具体调制形式以及考虑到本总体公开内容来容易地配置用于数字信号处理部分的收发器电子设备。鉴于本文已经揭示的教导，图2中所示的设计可以按任何合适的方式修改。
参见图1和图3，后者是可构成在钻机处连接至钻柱16的地上收发器装置的实施例(总体上由参考编号400表示)的部件的框图。地上电流互感器402例如定位在钻机14上，用于将信号耦合到钻柱16和/或从钻柱16恢复信号。电流互感器402还可由两个电引线替代，一个连接至钻柱，且一个连接到接地大地。电流互感器402可电连接以在发送模式和接收模式的一者或两者中使用，在发送模式中，数据被调制到钻柱上，在接收模式中，调制数据从钻柱恢复。收发器电子组件406连接至电流互感器，并且可由电池供电或由钻机供电，使得基本上不受限的电力可用。对于发射模式，使用天线驱动器部分410，其电连接在地上数字信号处理器418与电流互感器402之间以驱动电流互感器。此外，在一个实施例中，可使用与用于驱动偶极子天线340(图6)的频率不同的频率来调制可耦合到钻柱中的数据，以便避免干扰以及不同于隔离器60将信号驱动到钻柱的地下端的频率，尽管这不是必需的。当天线驱动器410关闭时，开/关切换器(SW)420可选择性地将电流互感器402连接至带通滤波器(BPF)422，带通滤波器(BPF)422具有包含从钻柱接收的数据信号的频率的通带。BPF 422又连接至模数转换器(ADC)430，模数转换器(ADC)430本身又连接至数字信号处理部分418。应理解，数字信号处理部分418和包括井上收发器的相关部件可形成钻机的处理装置46(使用虚线示出)的一部分或者可以在合适的接口434上连接至钻机。收发器406可向钻孔工具发送命令以用于各种目的，例如控制发射功率、选择载波频率、改变数据格式(例如，降低波特率以增加解码范围)等。本领域一般技术人员可在许多合适的实施例中考虑到所采用的一种或多种具体调制形式以及考虑到本总体公开内容来容易地配置用于地上收发器装置的收发器电子设备。
参见图4和图5，前者是从起始位置延伸到目标位置TBP的区域504的在X-Z(竖直)平面中的钻孔计划500的示意性正视图，目标位置TBP是钻孔计划的终点，从而示出沿着预期路径的深度，而后者是区域504的在XY(水平)平面中的钻孔计划500的示意平面图，从而示出了预期路径的横向(即，左/右)特性。为了本实例的目的，假设便携式装置80经物理地定位和设置，使得目标位置T与钻孔计划结束时的目标位置TBP一致，尽管这并非要求。在这方面，目标位置T可从TBP竖直和/或水平偏移。在转向模式中，生成转向命令以将钻孔工具引导到目标位置TBP。相反，在归位模式中，基于电磁信号66生成归位命令，以使钻孔工具接近或回到目标位置T。障碍物可至少沿着钻孔计划的初始部分存在，但是为了保持说明清楚的目的而尚未示出。注意，出于说明清楚的目的，图4和图5示出为竖直对齐。尽管本说明是按钻孔计划的使用来设计的，但是应理解，系统10可在具有或不具有预定义/预定钻孔计划的情况下操作。参见图4和图5，应清楚，钻孔计划不限于X-Z平面，并且可执行沿着弯曲路径的钻凿。如果没有预定的钻孔计划，操作者可提供期望的钻孔深度，并且系统可基本上实时地确定钻孔路径，例如包括进入曲线、在期望的钻孔深度处的主钻孔路径、以及退出曲线。X-Y-Z坐标系的原点可位于发射器中心上方的地面508上，并且可以被定义为(X0，Y0，Z0)。在开始之前，操作者可相对于目标位置T在发射器之前将便携式装置80放置在大地上，且天线82(图1)的bx轴线至少大体上指向钻凿方向。在初始钻凿设置的一个实施例中，Z坐标轴可在开始位置竖直延伸通过发射器20的中心。发射器绕其旋转的发射器的伸长轴表示发射器的偏转定向，且受俯仰约束，并且可用于在地面处确定水平X轴。换言之，发射器的伸长轴和X轴在图5的平面图中至少是共面的。Y轴与X轴和Y轴两者正交。可直接测量的在开始位置处的发射器深度被标识为D1(图4)，钻凿操作在该处开始。注意，D1可为零，使得发射器开始位置位于地面处。因此，发送机的初始位置变为：
(X1，Y1，Z1)＝(0，0，-D1) (1)。
目标位置T是相对于便携式装置的位置定义的。T可以是便携式装置本身的位置，或者相对于便携式装置偏移到下方并横向偏移或者深度和横向偏移的组合的位置。在前一种情况下，如果便携式装置的三轴向天线80(图1)的中心被选择为目标T，则目标位置T可被标识为(XT，YT，ZT)。在后一种情况下，如果目标位置偏移到装置80正下方的深度DT处，如图所示，偏移目标位置T可被指定为(X′T，Y′T，Z′T)，使得：
(X′T，Y′T，Z′T)＝(XD，YD，(ZD-DT)) (2)
其中下标D表示与便携式装置相关的参数，值DT表示目标的深度，包括便携式装置在地面的上方的距离ZD。或者，如果目标位置相对于装置80横向偏移，则目标位置可被指定为具有坐标(XOS，YOS，ZOS)的TOS。在钻凿期间，可基于加速度计读数来测量俯仰定向(即，水平X-Y平面与Z轴之间的角度)，并且发射器的偏航定向(水平平面中通常相对于X轴的角度)通过磁力计322(图2)测量。相对于磁北的磁力计读数可容易地转换为参考X轴。此外，便携式装置80可使用天线82测量来自信号66的电磁通量，只要发射器在便携式装置的范围内即可。为了本实例的目的，假设钻孔计划的总长度XD为200英尺，且只要发射器在距便携式装置40英尺内，便携式装置20便可接收信号66。当发射器20离定位器太远而不能接收来自信号66的足够精确的通量测量值时，系统10使用俯仰和偏航读数结合钻柱延伸/长度在转向模式中操作，以确定估计的钻孔路径。作为非限制性实例，钻杆长度在本实施例中被用作俯仰测量位置与偏航测量位置之间的钻凿增量。然而，可在例如由图1的钻柱监测装置26测量的测量位置之间使用任何合适的增量。因此，在第N个钻杆的井口端被推入大地时，估计的发射器位置是：
其中LR是杆平均长度，φ是发射器的俯仰定向，β是发射器的偏航定向。
现在注意图6，其是总体上由参考编号600表示的屏幕截图，其图解地表示用于向操作者提供转向引导的显示44和/或显示90(图1)的外观的实施例。可以确定水平轴上的引导参数Δ(X,Y)和竖直轴上的ΔZ以指示哪个方向转向。可基于来自公式3a-3c的估计发射器位置距钻孔计划有多远以及如图6所示该引导的显示来确定所述转向引导。作为实例，对于与发射器的位置的给定X坐标值相对应的钻柱的给定长度，可确定钻孔计划上的X，Y，Z位置并将其与基于公式3a-3c确定的位置进行比较。在附图中，十字线604表示钻孔工具在其相对于预期钻孔路径的当前位置处的期望方向，而转向指示器610表示钻孔工具的实际方向与期望方向之间的差异。三角形614指示钻孔工具的当前翻滚位置，而球618指示钻孔工具相对于钻孔计划的位置。球距十字线604的中心的距离指示钻孔工具的当前方向距期望方向有多远，期望方向基于从当前位置返回到钻孔计划的期望路径。例如，如果球618位于右上象限中，如图所示，转向应该朝下并朝左。这可通过推动钻柱来推进钻孔工具来实现，三角形614指向十字准线604的中心。作为实例，当前俯仰和偏航分别是φcurrent和βcurrent，并且返回到计划钻孔路径的期望俯仰和偏航分别为φdesired和βdesired。期望的方向可以合适的方式确定，例如通过在管道的最小弯曲半径处转向或者通过在离当前位置给定距离处到达计划钻孔路径。因此，实现期望的方向需要偏航和俯仰分别变化Δβ＝βdesired－βcurrent和Δφ＝φdesired－φcurrent。在这种情况下，球618相对于十字准线中心的位置由以下给出：
Δ(X，Y)＝Δβ/Δθmax (4a)
ΔZ＝Δφ/Δθmax (4b)
其中Δθmax＝Lrod/Rmin (4c)
在公式(4a)中，Δ(X,Y)是水平引导命令。在公式4b中，ΔZ是竖直引导命令。在公式4c中，Lrod是杆长度，Rmin是钻杆的最小弯曲半径。
返回公式(3a-3c)的讨论，这些公式是离散的等效积分散，使得俯仰和偏航测量中的误差导致累积的位置误差。由于当在严格地在转向模式下操作时不存在真实或实际位置的测量，因此不能进行校正以考虑到累积位置误差。然而，当发射器处于便携式装置80的范围内时，后者限定绝对位置，使得系统可切换到归位模式以将发射器引导到目标位置，而不管目标位置是天线82的中心还是从其偏移，这将立即在下文中描述。
参见图7a，在X-Y平面内的平面图中示出区域700，其包括显示为虚线的预定钻孔计划704的实例。钻孔计划可通向目标位置TBP，目标位置TBP是钻孔计划的端点或终点。使用实线来指示由钻孔工具采取的实际路径710。应理解，实际路径710与钻孔计划704的偏差指示可以是累积的位置误差，从而导致实际路径偏离钻孔计划的任一侧。作为非限制性实例，假设目标位置T在便携式装置80的正下方并且与钻孔计划的端点TBP重合，虚线圆圈714表示当钻孔工具沿着实际钻凿路径接近时便携式装置可收到电磁信号66(图1)的范围。尽管在附图的平面图中示出与三维球形区域相对应的圆形接收区域，本领域一般技术人员将理解，该区域的形状可基于例如目标周围的当地地理环境而变化。注意，在实际钻凿路径上的点720处的累积误差表示为从钻孔计划上的点724偏移的距离。在一个实施例中，系统可在点720处从转向模式切换到归位模式。从点720向前，实际路径然后收敛到相对于便携式装置80的物理位置定义的目标位置T。在图7a中，假设钻孔计划的终点处的目标位置TBP与相对于便携式装置定义的归位目标位置T重合，然而这并不是必须的。应理解，系统可补偿目标位置TBP相对于便携式装置所定义的归位目标位置T的偏移。换言之，当钻孔工具在圆圈714所示的接收范围内后，并且系统在归位模式下操作，则钻凿路径可仅仅基于便携式装置的物理位置而结束。例如，如果便携式装置相对于钻孔计划的定向已知，则如图所示，在显示为圆形的接收范围714内的任何地方，归位目标T'可以从目标位置TBP偏移，这将在下面进一步讨论。
参见图7b，便携式装置80和钻孔工具20在地下操作期间以示意性平面图示出，用于描述对钻孔工具相对于便携式装置且因此相对于钻孔计划的位置的确定。假定便携式装置80处于位置(0,0,0)并且该装置与钻孔计划704对齐，具有相对于合适坐标系统(以虚线示出)的X轴750的偏航βPD。钻孔工具相对于便携式装置处于位置(x,y,z)，相对于X轴750具有βxmtr的偏航。由定位器沿其三个正交轴测量的磁场分量是(bx,by,bz)，如图1所示。假定便携式装置和钻孔工具的角定向是已知的，则可以相对于便携式装置确定钻孔工具的位置(x,y,z)。为此，电磁归位信号66的电磁通量分量经历两次旋转变换，以建立假如便携式装置80处于与钻孔工具相同的角定向时，便携式装置80所看到的正交电磁通量分量。第一次旋转是偏航旋转，以将通量分量旋转到假如便携式装置的偏航轴与钻孔工具及其相关联的发射器处于相同的偏航角βxmtr时将接收的通量分量。因此，通量分量首先对应于βPD与βxmtr之差围绕坐标系的Z轴(即，垂直于附图的平面向外延伸)旋转。为此，定义旋转矩阵R(ax,ang)，其生成围绕轴“ax”的角度“ang”旋转。在该第一次变换之后，将由便携式装置测量的变换或投影后的磁场分量由下式给出：
A(b′x，b′y，b′z)＝R(Z，βPD-βxmtr)*(bx，by，bz) (5)。
在公式5的旋转之后，围绕X轴的第二次旋转使通量分量旋转角度δ，直到便携式装置的Y天线看到的磁场分量等于零，如下式给出：
(b″x，0，b″z)＝R(X，δ)*(b′x，b′y，b′z) (6a)
δ＝tan-1(b′z/b′y) (6b)
其中b″x和b″z是经受第二次旋转的变换或投影后的通量分量。
现在参见图7c，该正视图相对于便携式装置80示出钻孔工具20。在执行两次旋转变换之后，旋转的通量强度分量b″x和b″z可用于确定便携式装置与钻孔工具之间的水平距离S和钻孔工具的深度D。
如下使用公式(7a-7f)来确定发射器深度D和从便携式装置的天线到发射器的水平距离S：
D＝rsin(α+φ) (7a)
S＝rcos(α+φ) (7b)
公式(7a-7f)基于已知的磁偶极子公式，其中和由公式7c和公式7d定义。图7d示出与总体坐标系x和z轴以及天线82的中心相关的变量φ，α和r。
利用手头上的S和D的值，然后通过围绕X轴反向旋转δ并围绕Z轴反向旋转βxmtr来确定钻孔工具在图7b中所示的坐标系中的位置坐标(x，y，z)，其由下式给定：
(x，y，z)＝R(Z，βxmtr)*R(X，-δ)*(-S，O，D) (8)
其中，“S”是便携式装置与钻孔工具之间的水平距离，D是钻孔工具的深度。申请人认识到，即使在钻孔工具从便携式装置的第一接近侧752通过到例如钻孔计划的第二离开侧754之后，也可以确定钻孔工具的位置，这将在下面关于中间目标位置进行描述。注意，钻孔工具从接近侧移动到离开侧等同于便携式装置围绕Z轴旋转180度，即，由定位器测量的磁场可经变换以使得(b′x，b′y，b′z)→(-b′x，-b′y，b′z)。基于前述内容，其使用便携式装置相对于钻孔计划的定向和钻孔工具相对于钻孔计划的定向，确定钻孔工具相对于便携式装置的相对位置，进而将钻孔工具引导到便携式装置的接收范围内的任何位置。为了本公开的目的，将归位模式考虑为包括基于电磁信号66将钻孔工具引导到任何目标位置—只要偏离该目标位置的便携式装置仍处于钻孔工具的接收范围内。
在归位模式中并参考图7c，如上所述，关于为钻孔工具60提供归位目标，装置80可选择性地以两种不同的方式配置。两种归位构造例如在美国专利第6,250,402号(以下称为'402专利)中描述，其与本申请案被共同拥有且通过引用的方式并入本文中，使得可生成左/右和上/下归位命令以将钻孔工具引导到装置或引导到偏移目标。此外，本布置类似于上述公式7a和公式7b确定钻孔工具的深度D以及从钻孔工具到目标的水平距离S。美国专利第6,727,704号与本申请案被共同拥有并在此通过引用的方式并入，该美国专利提出用于生成归位命令和相关信息的更先进的方法，其中目标的位置不限于在便携式装置的正下方。与生成归位命令相关的信息和归位命令本身可经由信号99从便携式装置80传送到钻孔工具20。然后，可使用钻柱收发器64(图1)和钻机收发器400(图3)将该信息沿钻柱向上传送到钻机，使得钻孔工具用作继电器。系统10还提供通过使用在钻机或其他合适位置处的遥测天线97接收的遥测信号94(图1)将归位命令和相关信息传递到钻机。在另一种配置中，便携式装置可利用操纵杆或使便携式装置的操作者能够直接生成钻机致动命令的其他合适机构。作为非限制性实例，在被共同拥有的美国专利第6,079,506号(以下称为'506专利)中描述一种这样的装置，该美国专利以引用的方式全文并入本文中。具体而言，手持便携式装置140包括操纵杆148，如'506专利的图3和图4中所示。使用这种操纵杆，可选择性地向钻机处的操作者发出任何合适的一组钻机致动命令。注意，归位命令可由在钻机处的便携式装置80或处理装置46生成。为了在钻机处生成归位命令的处理装置的目的，便携式装置可将电磁归位信号66的信号强度读数传送至钻机，作为用于确定归位命令的依据。利用手头的本总体公开，认为本领域一般技术人员可根据本文中已经提出的教导容易地修改合理地生成转向模式命令和归位模式命令的任何系统。
重要的是要理解，无论系统是处于转向模式还是归位模式，通过用户界面(图6)提供给操作者的指导可以是相同的。换言之，不需要为了从转向模式切换到回归位模式而改变图6中的显示的外观。该模式开关对操作者可以是完全透明的。如果需要，可以在屏幕600上提供“转向”和“归位”指示，尽管这不是必需的。
参见图7e，在X-Y平面的平面图中示出区域700'，区域700'包括预定钻孔计划704'的另一示例，该预定钻孔计划704'通向目标位置TBP，目标位置TBP是钻孔计划的端点。钻孔工具采取的实际路径710'由实线表示。在本实例中，钻孔计划704'可大体上长于图7a中的钻孔计划704，使得如果没有使用补偿，则在转向模式期间会存在显著更多的累积误差。为了补偿或消除累积的误差，当钻孔工具沿着其前进时，便携式装置80可移动以顺序地限定一个或多个中间目标，每个中间目标都可直接在钻孔计划上。当钻孔工具在转向模式下接近与第一中间目标I1相关联的接收范围714'时，可在点760处进入归位模式，使得转向模式然后将钻孔工具引导至I1，从而消除累积误差。后者可看作钻孔计划与接收范围714'的边界处的实际路径之间的偏移。在钻孔工具经过I1后，系统可继续在归位模式下操作，直到钻孔工具在点764处离开接收范围714'，于是操作切换回到转向模式。在从I1引导到第二中间目标I2的钻孔计划的段上，该图再次示出转向模式中的累积误差作为实际路径与钻孔计划之间的散度。当钻孔工具在转向模式中接近与第二中间目标I2相关联的接收范围714”时，可在点770处再次进入归位模式，使得转向模式然后将钻孔工具引导至I2，继续到钻孔工具离开接收范围714”的点774，从而再次消除累积误差。在经过点774之后，钻孔工具以上文中结合图7a所述的方式前进到目标位置TBP。应理解，在图7e的示例中，钻孔计划TBP的端点与由便携式装置限定的目标位置T重合，无论目标位置是否竖直和/或水平地偏离便携式装置的实际物理位置。在另一实施例中，可使用不止一个便携式装置80，使得不总是需要将单个便携式装置移动到下一个中间目标或最终目标位置。在另一实施例中，一个或多个中间目标可偏离钻孔计划定位。例如，可能发现在钻孔计划上直接存在对于钻孔计划的设计者是未知的障碍物。可使用一系列中间目标在归位模式下围绕障碍物引导钻孔工具。在已经避开障碍物后，钻孔工具可例如使用钻孔计划上的中间目标返回到钻孔计划，且然后继续在转向模式下操作。
参见图7f，提供总体上由参考编号780表示的图解说明，以便于描述用于生成转向指示的方法，该转向指示用于使在当前方向782上定向的钻孔刀具返回至钻孔路径784。为生成用于钻孔工具的当前位置786的转向指示(图6)，第一步骤是确定具有初始期望定向790的期望路径788，其从当前位置786和当前方向782沿循弯曲半径R，以在正确的方向上会合并汇聚在钻孔计划784上。当前位置786可为基于在转向模式中的俯仰和偏航的积分的积分位置，或者可例如通过移动大地表面上的便携式装置来识别钻孔工具正上方的点，而基于从钻孔工具发射的电磁场66来确定。
仍参见图7f，距离“a”是当前位置786与钻孔计划784之间的横向距离。距离“b”是当前位置786与期望路径788到达钻孔计划的点792之间的纵向距离。从当前位置到钻孔计划的具有弯曲半径R的期望路径788由虚线示出。在平行于钻孔计划的水平线794与期望方向790之间形成角度这些参数之间的关系由下式给出：
μ＝tan-1(b/a) (9a)
ω＝2μ (9b)
如果钻孔工具的当前方向782相对于水平线794形成角度λ，则转向指示参数由公式4a至公式4c给出，Δβ或Δφ等于ω－λ，取决于离开钻孔计划的横向位移是在竖直方向还是在水平方向上。在这些确定中，可分别处理离开钻孔计划的竖直位移和水平位移，以确定期望的俯仰和偏航变化。在这方面，图7f中的视图的平面可以是示出钻凿区域的俯视图的水平平面，或者是示出在地下的钻孔工具相对于钻孔计划的竖直平面。在另一实施例中，水平位移和期望方向可在三维中确定，并且随后分离成期望的俯仰分量和偏航分量。可进行确定以实现对应于钻柱的最小弯曲半径的期望弯曲半径。
参见图7a和图7c，关于何时从转向模式切换到归位模式的决定可通过多种不同的方法来确定。在一个实施例中，钻机操作者决定何时切换模式并且能够在钻机处手动操作开关。在一个特征中，仅当便携式装置基于对电磁信号66的监视而处于钻孔工具的接收范围内时，才能够提供手动切换至归位模式的选项。在另一实施例中，便携式装置80可由其操作者指示向钻机处的处理器发出命令来切换模式。在一些实施例中，可以自动地进行模式切换，而无需操作者的动作。在一个自动切换实施例中，模式之间的切换可基于由便携式装置80测量的电磁信号66的强度，利用电磁信号66的强度可确定钻孔工具与便携式装置之间的距离。在一个实施例中，确定何时在引导模式(即，转向和归位)之间切换可以仅基于单个距离测量或基于连续距离测量的平均值，并且该决定还可以考虑连续距离测量的方差，尽管这并不是必需的。例如，假定便携式装置80以定期间隔(例如每秒一次)确定钻孔工具与便携式装置之间的距离D。一系列N个距离测量DN的平均偏差和标准偏差分别由下式给出：
在公式(10)和公式(11)中，Di是距离D的第i个测量，且<D>是平均距离。从转向模式切换到归位模式可设置为当<D>＜X英尺及σD＜Y英尺时发生，X和Y为阈值。
在另一实施例中，可通过选择提供最小位置不确定度的模式来确定使用哪个模式的选择。在另一自动切换实施例中，转向模式与归位模式之间的切换可将由两种模式各自的不确定度加权的两种模式的引导信息进行组合。首先，定义
Δ(X，Y)homing＝F (12a)
ΔZhoming＝G (12b)
Δ(X，Y)steering＝ψ (12c)
ΔZsteering＝Γ (12d)
其中Δ(X，Y)homing是水平归位命令，ΔZhoming是竖直归位命令，Δ(X，Y)steering是水平转向命令，ΔZsteering是竖直转向命令。
然后，引导参数通过它们的不确定度加权，使得
其中是给定参数(a)的平方标准偏差，公式(13a)的Δ(X，Y)表示组合的水平转向命令，公式(13b)的ΔZ表示组合的竖直转向命令。应理解，转向命令和归位命令所基于的传感器输入呈现标准偏差，该标准偏差反映为转向命令和归位命令的标准偏差。当钻孔工具远离定位器时，F中的不确定度远大于的不确定度，因此公式(13a)变为Δ(X，Y)≈Ψ。类似地，当钻孔工具非常接近便携式装置时，Ψ中的不确定度远大于中的不确定度，且公式(13a)变为Δ(X，Y)≈F。基于上面的讨论应该清楚，目标位置可以是整体钻孔的端部，或者是沿着钻钻孔计划的中间目标或点。例如，为了完成500英尺的钻孔，钻机操作者可将便携式装置80放置在距钻机250英尺处，并且最初以上述方式钻凿到便携式装置。然后，操作者可将便携式装置移动另一250英尺以靠近位于钻孔计划端部的目标，并完成钻凿。250英尺段的之一可以是河流或公路交叉口，在该处步行定位将是不可能的或危险的。
现在注意图8，图8是示出用于操作系统10的方法的实施例的流程图，该流程图总体上由参考编号800指示。该方法开始于802，并且例如如上所述继续进行到建立钻孔计划的806。在810，建立钻凿阵列。这可包括例如将钻机至少大致在钻孔方向(即，沿着X轴)定向并且将钻孔工具布置在起始位置。此外，可定位便携式装置80，以便建立终止钻凿运行的目标位置。在814，钻凿开始于在转向模式下进行操作。在818，执行关于以任何合适的方式切换到归位模式的测试。在一个实施例中，对用于接收电磁信号66的信号强度周期性地进行测试。可将信号强度与阈值进行比较，使得一旦信号强度高于阈值，操作将随后切换到归位模式。测试间隔可以是任何合适的值，例如30秒。实施例可使用在1至60秒的范围内的测试间隔。在另一实施例中，测试可基于按照上述等式(10)和公式(11)的一系列N个距离测量DN的平均偏差和标准偏差。在另一实施例中，测试可基于选择提供最小位置不确定度的模式。在再一实施例中，测试可根据对基于公式(12a)至公式(12d)由两种模式各自的不确定度加权的两种模式的引导信息进行组合。在820，步骤818的测试通过转向814而保持在转向模式或者通过前进到824来切换到归位模式。在一些实施例中，便携式装置可生成指令来命令钻机上的处理器切换到归位模式，并且可通过遥测将本命令直接传送到钻机，或通过使用信号99将该命令传送到钻孔工具以便后者然后通过沿钻柱向上传送命令来将该命令转发到钻机。在828，钻孔工具到达目标位置或中间目标位置。如果钻孔工具到达目标位置，则该方法结束。另一方面，如果钻孔工具到达中间目标位置，则一旦钻孔工具离开中间目标的接收范围，操作可返回到转向模式，如虚线830所示。在步骤828的操作中，电磁信号的接收损失会导致操作在814返回到转向模式。
进行了数值模拟以估计系统10在转向模式下的操作的性能。为了模拟的目的，进行了以下假设：
·每一管道长10英尺，
·钻孔长度为500英尺，以及
·操作者在每个管道的起始处接收不完美的俯仰和偏航信息，但完全使用该信息来沿循期望的钻孔计划-换言之，假如偏航和俯仰信息是完美的，则用户将完全沿循钻孔计划，
·俯仰和偏航信息具有四个可能的误差来源：
°偏航噪声，
°偏航系统误差，
°俯仰噪声，以及
°俯仰系统误差。
俯仰系统误差假定为零，并且以下值用于其他三个误差来源：
·偏航噪声标准偏差0.1度，
·偏航系统误差0.046度，及
·俯仰噪声标准偏差0.007度。
基于假设钻孔计划进行三组模拟，如图9至图11所示。这些附图中的每一者都示意性地示出相对于X轴绘制的钻孔计划，并且使用虚线示出对应于Y轴的变化，使用实线示出对应于Z轴的变化。在图9中，示出总体上由参考编号900指示的直钻孔计划，使得在X/Y平面中在起始位置904与目标位置908之间的路径包括直线。为了这些实例的目的，假设钻孔计划的目标位置或端点TBP与便携式装置限定的目标位置T重合。在Z轴图上可看到进入曲线和退出曲线，在进入曲线与退出曲线之间在大约-8英尺处形成直线段910。图10示出总体上由参考编号1000指示的弯曲钻孔计划，使得在起始位置1004与目标位置1008之间限定弯曲路径1002，如在相对于Y轴的平面图中所示。在Z轴图上可看到进入曲线和退出曲线，且进入曲线和退出曲线与图9中的那些在大约-8英尺处在它们之间具有直线段1010的曲线相匹配。图11示出总体上由参考编号1100指示的弯曲钻孔计划，使得在起始位置1104与目标位置1108之间限定弯曲路径1102，如在相对于Y轴的平面图中所示。在Z轴图上可看到进入曲线和退出曲线，且进入曲线和退出曲线与图9和图10中的那些在大约-8英尺处在其间限定直线段1110的曲线相匹配，尽管应注意到图11中的竖直刻度已经改变以示出沿Y轴的相对增加的曲率。
对于图9至图11中的每个钻孔计划，进行一组模拟。具体而言，对每个钻孔计划进行10,000次模拟运行以确定X、Y和Z中的误差的平均偏差和标准偏差。X、Y和Z中的误差被定义为在钻孔端部处的真实位置与钻孔计划的端点之差。单个模拟运行(对于图9中的直钻孔计划)的实例在图12中示出。后者是误差图，其总体上由参考编号1200指示，示出对照X轴绘制的X中的误差(示出为虚线1202)，Y中的误差(示出为虚线1206)和Z中的误差(示出为实线1208)。在对应于图12的模拟中，在钻孔的端部处的X，Y和Z中的误差分别为大约0.02'，0.01'和-0.2'。
下面的表1提供图9中的直数值模拟钻孔计划900、图10中的第一弯曲数值模拟钻孔计划1000和图11中的第二弯曲数值模拟钻孔计划的X，Y和Z中的累积位置误差的平均偏差和标准偏差。
表1–钻孔计划数值模拟
对于所有模拟钻孔计划，X轴和Z轴的累积位置误差可忽略不计。对于直钻孔计划900和第一弯曲钻孔计划1000，沿着Y轴的累积位置误差大约为5英寸，对于第二弯曲钻孔计划1100，沿着Y轴的累积位置误差大约为12英寸。应理解，所有这些累积的位置误差足够小，使得当发射机到达便携式装置80的接收范围并且转换到回归位时，操作者能够基于归位命令有效地转向到目标位置，以校正在转向模式期间累积的位置误差。即使对于第二弯曲孔1100，发射器的95％的时间(平均值加上两个标准偏差)在目标位置的2英尺内。通常，一旦钻孔工具从便携式装置到达35英尺，就可开始归位操作。从距离便携式装置35英尺处开始校正2英尺的误差需要大约300英尺的管道弯曲半径，这对于标准的2.375英寸钻杆是合理的弯曲量。
鉴于上述内容，本公开至少提供：
·进行HDD(水平定向钻凿)跨越的能力，即在不能进行常规行走定位的区域下方钻凿，以及校正不可避免地累积的位置误差，以及
·无行走定位操作者的情况下进行钻凿的能力，从而使熟练工人空出来执行其他职责。这至少部分地基于至少在转向模式期间使用钻柱作为电导体将数据从钻孔工具传送到钻机的系统架构来促进，如下面进一步详细描述。
本公开将转向工具功能性、使用俯仰和偏航传感器进行引导和钻孔路径确定与归位相结合。使用相同的用户界面自动执行转向模式与归位模式之间的切换，因此操作与常规的归位相同。
已出于说明和描述的目的介绍了本发明的前述描述。这并不旨在穷举或将本发明限于所公开的准确形式，并且可根据上述教导实施其它实施例、修改和变化，其中本领域技术人员将认识到某些修改、置换、添加以及它们的子组合。
优选地包括本文中所描述的所有元件、部件和步骤。应理解，对于本领域技术人员显而易见的是，这些元件、部件和步骤中的任何项都可被其它元件、部件和步骤替代或者一起删除。广义而言，本文至少公开了如下内容：一种通过大地移动的钻孔工具。钻孔工具支撑的发射器发送电磁归位信号。便携式装置在归位模式下监视电磁归位信号并接收电磁归位信号以将钻孔工具引导至目标位置。在转向模式下，处理器生成转向命令以基于钻孔计划引导钻孔工具以便引入至少某个位置误差，而不使用电磁归位信号。从转向模式至归位模式的切换是基于当钻孔工具接近便携式装置时对归位信号的监视，且然后将钻孔工具引导至目标位置以补偿位置误差。描述中间目标位置，且只要便携式装置接收信号就基于归位信号引导钻孔工具。
概念
本文至少公开了如下概念：
概念1.一种形成系统的部分的装置，所述系统包括钻孔工具，所述钻孔工具可通过具有可延伸长度的钻柱移动，所述钻柱从钻机引导到所述钻孔工具以用于执行使所述钻孔工具通过大地前进的水平定向钻凿操作，所述装置包括：
由所述钻孔工具支撑的用于传送电磁归位信号的发射器，所述发射器包括用于生成表征地球的磁场的磁读数的磁力计和用于生成表征所述钻孔工具的俯仰定向的俯仰读数的加速度计；便携式装置，其构造成用于在归位模式下监视所述电磁归位信号和用于接收所述电磁归位信号以供在生成归位命令中使用，以将所述钻孔工具引导到与所述便携式装置有关的目标位置；以及
处理器，其被构造成用于生成转向命令，以在转向模式下基于钻孔计划使用所述磁读数、所述俯仰读数和所述钻柱的所述可延伸长度来引导所述钻孔工具，使得将至少某个位置误差引入到所述地下工具的实际位置与所述地下工具的预测位置之间，以及用于当所述钻孔工具接近所述便携式装置时且此后将所述钻孔工具移动到所述目标位置以补偿所述位置误差时，至少部分地基于所述监视所述电磁归位信号，从所述转向模式切换到所述归位模式。
概念2.根据概念1所述的装置，其特征在于，当所述便携式装置处于所述钻孔工具的接收范围内时，所述归位模式可由操作者手动选择。
概念3.根据概念1或2所述的装置，其特征在于，所述处理装置被构造成在进入距所述钻孔工具的接收范围内时自动地切换到所述归位模式。
概念4.根据概念1-3所述的装置，其特征在于，所述钻孔工具被构造成在所述转向模式期间使用所述钻柱作为电导体将所述俯仰读数和所述磁读数传送至所述钻机。
概念5.根据概念1-4所述的装置，其特征在于，所述便携式装置被构造成确定所述电磁归位信号的信号强度。
概念6.根据概念5所述的装置，其特征在于，所述处理器和所述便携式装置的其中一个被构造成将所述信号强度与信号强度阈值进行比较，作为从所述转向模式切换到所述归位模式的一部分。
概念7.根据概念1-6所述的装置，其特征在于，所述处理器被构造成在所述转向模式中基于所述磁读数、所述俯仰读数和所述钻柱的所述可延伸长度而不使用所述归位信号进行操作，以及在所述归位模式中至少部分地基于对所述电磁归位信号的检测进行操作。
概念8.根据概念1-6所述的装置，其特征在于，所述处理器被构造成当所述钻孔工具接近所述便携式装置时将所述归位命令与所述转向命令进行混合。
概念9.根据概念8所述的装置，其特征在于，所述混合基于与所述归位命令和所述转向命令中的每一者相关的不确定性对所述归位命令和所述转向命令进行加权。
概念10.根据概念9所述的装置，其特征在于，所述不确定性基于所述归位命令的标准偏差和所述转向命令的标准偏差。
概念11.根据概念9所述的装置，其特征在于，所述归位命令基于所述便携式装置接收到的所述电磁归位信号的渐增信号强度渐增地加权。
概念12.根据概念1-11所述的装置，其特征在于，所述便携式装置产生所述归位命令。
概念13.根据概念1-11所述的装置，其特征在于，所述处理器产生所述归位命令。
概念14.根据概念1-11所述的装置，其特征在于，所述处理器定位在所述钻机处。
概念15.一种随以下系统使用的方法，所述系统包括钻孔工具，所述钻孔工具可通过具有可延伸长度的钻柱移动，所述钻柱从钻机引导到所述钻孔工具以用于执行使所述钻孔工具通过大地前进的水平定向钻凿操作，所述方法包括：
在转向模式下生成转向命令，供在转向模式下基于钻孔计划使用所述钻孔工具提取的磁读数和俯仰读数结合所述钻柱的可延伸长度来引导所述钻孔工具，以便在所述地下工具的实际位置与所述地下工具的预测定位之间引入至少某个位置误差；
监视从接近目标位置的所述钻孔工具发射的电磁归位信号；
当所述钻孔工具接近所述目标位置时基于对所述电磁归位信号的检测自动地从所述转向模式切换到归位模式；以及
此后，使用至少部分地基于对所述电磁归位信号的检测的归位命令将所述钻孔工具引导至所述目标位置以补偿所述位置误差。
概念16.一种形成系统的部分的装置，所述系统包括钻孔工具，所述钻孔工具可通过具有可延伸长度的钻柱移动，所述钻柱从钻机引导到所述钻孔工具以用于执行使所述钻孔工具通过大地前进的水平定向钻凿操作，所述装置包括：
由所述钻孔工具支撑的用于传送电磁归位信号的发射器，所述发射器包括用于生成表征地球的磁场的磁读数的磁力计和用于生成表征所述钻孔工具的俯仰定向的俯仰读数的加速度计；包括天线的便携式装置，所述天线被构造成当所述便携式装置在距离所述发射器的接收范围内时接收所述电磁归位信号以生成电磁信息；以及
处理装置，其被构造成用于生成转向命令，以在转向模式下基于钻孔计划使用所述磁读数、所述俯仰读数和所述钻柱的所述可延伸长度来引导所述钻孔工具，使得在所述地下工具的实际位置与所述地下工具的预测定位之间引入至少某个位置误差，以及用于当所述便携式装置位于所述接收范围内时，在归位模式下将所述钻孔工具引导到与所述便携式装置相关的目标位置以补偿所述位置误差。
概念17.根据概念16所述的装置，其特征在于，当所述便携式装置处于距所述钻孔工具的接收范围内时，操作者可手动选择所述归位模式以切换至所述归位模式。
概念18.根据概念16或17所述的装置，其特征在于，所述处理装置被构造成在进入距所述钻孔工具的接收范围时自动地切换至所述归位模式。
概念19.一种形成系统的部分的装置，所述系统包括钻孔工具，所述钻孔工具可通过具有可延伸长度的钻柱移动，所述钻柱从钻机引导到所述钻孔工具以用于执行使所述钻孔工具通过大地前进的水平定向钻凿操作，所述装置包括：
由所述钻孔工具支撑的用于传送电磁归位信号的发射器，所述发射器包括用于生成表征地球的磁场的磁读数的磁力计和用于生成表征所述钻孔工具的俯仰定向的俯仰读数的加速度计；包括天线的便携式装置，所述天线被构造成当所述便携式装置在距离所述发射器的接收范围内时接收所述电磁归位信号以生成电磁信息；以及
处理装置，其被构造成用于生成转向命令，以在转向模式下基于钻孔计划使用所述磁读数、所述俯仰读数和所述钻柱的所述可延伸长度来引导所述钻孔工具，使得在所述地下工具的实际位置与所述地下工具的预测定位之间引入至少某个位置误差，以及用于当所述便携式装置位于所述接收范围内时，在归位模式下引导所述钻孔工具至少近似地返回至所述钻孔计划。
概念20.根据概念19所述的装置，其特征在于，所述处理装置基于与所述便携式装置相关被限定在沿所述钻孔计划的中间位置处的中间目标引导所述钻孔工具返回至所述钻孔计划。
概念21.根据概念20所述的装置，其特征在于，所述处理装置被构造成最初将所述钻孔工具引导至所述中间目标。
概念22.根据概念20或21所述的装置，其特征在于，所述处理装置被构造成当所述钻孔工具通过所述中间目标后，只要所述便携式装置处于距所述发射器的所述接收范围内，则在所述归位模式下继续沿所述钻孔计划引导该钻孔工具。
概念23.根据概念22所述的装置，其特征在于，所述处理装置被构造成在已超过所述接收范围后恢复至所述转向模式以继续沿所述钻孔计划引导所述钻孔工具。

Claims (23)

1.一种形成系统的部分的装置，所述系统包括钻孔工具，所述钻孔工具可通过具有可延伸长度的钻柱移动，所述钻柱从钻机引导到所述钻孔工具以用于执行使所述钻孔工具通过大地前进的水平定向钻凿操作，所述装置包括：
由所述钻孔工具支撑的用于传送电磁归位信号的发射器，所述发射器包括用于生成表征地球的磁场的磁读数的磁力计和用于生成表征所述钻孔工具的俯仰定向的俯仰读数的加速度计；
便携式装置，其构造成用于在归位模式下监视所述电磁归位信号和用于接收所述电磁归位信号以供在生成归位命令中使用，以将所述钻孔工具引导到与所述便携式装置有关的目标位置；以及
处理器，其被构造成用于生成转向命令，以在转向模式下基于钻孔计划使用所述磁读数、所述俯仰读数和所述钻柱的所述可延伸长度来引导所述钻孔工具，使得将至少某个位置误差引入到所述地下工具的实际位置与所述地下工具的预测位置之间，以及用于当所述钻孔工具接近所述便携式装置时且此后将所述钻孔工具移动到所述目标位置以补偿所述位置误差时，至少部分地基于所述监视所述电磁归位信号，从所述转向模式切换到所述归位模式。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述便携式装置处于所述钻孔工具的接收范围内时，所述归位模式可由操作者手动选择。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理装置被构造成在进入距所述钻孔工具的接收范围内时自动地切换到所述归位模式。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述钻孔工具被构造成在所述转向模式期间使用所述钻柱作为电导体将所述俯仰读数和所述磁读数传送至所述钻机。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述便携式装置被构造成确定所述电磁归位信号的信号强度。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述处理器和所述便携式装置的其中一个被构造成将所述信号强度与信号强度阈值进行比较，作为从所述转向模式切换到所述归位模式的一部分。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述处理器被构造成在所述转向模式中基于所述磁读数、所述俯仰读数和所述钻柱的所述可延伸长度而不使用所述归位信号进行操作，以及在所述归位模式中至少部分地基于对所述电磁归位信号的检测进行操作。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理器被构造成当所述钻孔工具接近所述便携式装置时将所述归位命令与所述转向命令进行混合。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述混合基于与所述归位命令和所述转向命令中的每一者相关的不确定性对所述归位命令和所述转向命令进行加权。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述不确定性基于所述归位命令的标准偏差和所述转向命令的标准偏差。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述归位命令基于所述便携式装置接收到的所述电磁归位信号的渐增信号强度渐增地加权。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述便携式装置产生所述归位命令。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理器产生所述归位命令。
14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理器定位在所述钻机处。
15.一种随以下系统使用的方法，所述系统包括钻孔工具，所述钻孔工具可通过具有可延伸长度的钻柱移动，所述钻柱从钻机引导到所述钻孔工具以用于执行使所述钻孔工具通过大地前进的水平定向钻凿操作，所述方法包括：
在转向模式下生成转向命令，供在转向模式下基于钻孔计划使用所述钻孔工具提取的磁读数和俯仰读数结合所述钻柱的可延伸长度来引导所述钻孔工具，以便在所述地下工具的实际位置与所述地下工具的预测定位之间引入至少某个位置误差；
监视从接近目标位置的所述钻孔工具发射的电磁归位信号；
当所述钻孔工具接近所述目标位置时基于对所述电磁归位信号的检测自动地从所述转向模式切换到归位模式；以及
此后，使用至少部分地基于对所述电磁归位信号的检测的归位命令将所述钻孔工具引导至所述目标位置以补偿所述位置误差。
16.一种形成系统的部分的装置，所述系统包括钻孔工具，所述钻孔工具可通过具有可延伸长度的钻柱移动，所述钻柱从钻机引导到所述钻孔工具以用于执行使所述钻孔工具通过大地前进的水平定向钻凿操作，所述装置包括：
由所述钻孔工具支撑的用于传送电磁归位信号的发射器，所述发射器包括用于生成表征地球的磁场的磁读数的磁力计和用于生成表征所述钻孔工具的俯仰定向的俯仰读数的加速度计；
包括天线的便携式装置，所述天线被构造成当所述便携式装置在距离所述发射器的接收范围内时接收所述电磁归位信号以生成电磁信息；以及
处理装置，其被构造成用于生成转向命令，以在转向模式下基于钻孔计划使用所述磁读数、所述俯仰读数和所述钻柱的所述可延伸长度来引导所述钻孔工具，使得在所述地下工具的实际位置与所述地下工具的预测定位之间引入至少某个位置误差，以及用于当所述便携式装置位于所述接收范围内时，在归位模式下将所述钻孔工具引导到与所述便携式装置相关的目标位置以补偿所述位置误差。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，当所述便携式装置处于距所述钻孔工具的接收范围内时，操作者可手动选择所述归位模式以切换至所述归位模式。
18.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述处理装置被构造成在进入距所述钻孔工具的接收范围时自动地切换至所述归位模式。
19.一种形成系统的部分的装置，所述系统包括钻孔工具，所述钻孔工具可通过具有可延伸长度的钻柱移动，所述钻柱从钻机引导到所述钻孔工具以用于执行使所述钻孔工具通过大地前进的水平定向钻凿操作，所述装置包括：
由所述钻孔工具支撑的用于传送电磁归位信号的发射器，所述发射器包括用于生成表征地球的磁场的磁读数的磁力计和用于生成表征所述钻孔工具的俯仰定向的俯仰读数的加速度计；
包括天线的便携式装置，所述天线被构造成当所述便携式装置在距离所述发射器的接收范围内时接收所述电磁归位信号以生成电磁信息；以及
处理装置，其被构造成用于生成转向命令，以在转向模式下基于钻孔计划使用所述磁读数、所述俯仰读数和所述钻柱的所述可延伸长度来引导所述钻孔工具，使得在所述地下工具的实际位置与所述地下工具的预测定位之间引入至少某个位置误差，以及用于当所述便携式装置位于所述接收范围内时，在归位模式下引导所述钻孔工具至少近似地返回至所述钻孔计划。
20.根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述处理装置基于与所述便携式装置相关被限定在沿所述钻孔计划的中间位置处的中间目标引导所述钻孔工具返回至所述钻孔计划。
21.根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述处理装置被构造成最初将所述钻孔工具引导至所述中间目标。
22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述处理装置被构造成当所述钻孔工具通过所述中间目标后，只要所述便携式装置处于距所述发射器的所述接收范围内，则在所述归位模式下继续沿所述钻孔计划引导该钻孔工具。
23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述处理装置被构造成在已超过所述接收范围后恢复至所述转向模式以继续沿所述钻孔计划引导所述钻孔工具。
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