CN109790740A - 定向钻进器具及其校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可靠工作的定向钻进器具，其用于在预设了钻眼的可选的方向走向的情况下以自动化地、经精密监督地监控在较深处的目标明确的钻进进行的持久运行，该钻进器具具有壳体；优选在壳体内旋转的、在其端部上承载有转动式钻刀的刀驱动轴；布置在壳体躯体区段内的控制设备和方向控制机构，方向控制机构用于在钻进运行中产生用于对定向钻进器具机芯取向的具有可径向取向力分量的导向力；和磁场传感器，磁场传感器布置在头部区段内，即布置在前部的、面对转动式钻刀、直接邻接转动式钻刀也就是转动式钻刀附近的壳体区域内，并且借助根据本发明的方法通过由亥姆霍兹线圈产生的均匀磁场对这些磁场传感器进行校准。

Description

定向钻进器具及其校准方法
技术领域
本发明涉及一种廉价的用于对在高精度作业的定向钻进器具中的磁场传感器进行校准以便在预设了针对深孔钻进的钻眼的可选择的方向走向情况下提前、可靠且迅速确定钻眼的方法和定向钻进器具，该定向钻进器具具有壳体；在壳体内旋转的刀驱动轴，该刀驱动轴的优选突出于壳体的端部承载有转动式钻刀；布置在壳体内的控制设备和与控制设备相连的磁场传感器；布置在壳体内的多个方向控制设备，其被用于在钻进运行中产生用于对定向钻进器具进行取向的具有可径向取向的力分量的导向力。
背景技术
定向钻进也被称为能够影响钻进的方向的钻进方法。利用复杂的系统朝向各个方向改变和确定钻眼走向。为此尤其要测量针对倾斜度和磁北极的值。用于检测磁北极的传感器要与导致磁性影响的所有部件保持足够间距地布置在不可磁化的钢内。只有以此方式，才可以使磁北极不受影响地被检测到，并且朝向正确的，也就是说预定的方向被控制。有利的是，在应用定向钻进器具时要尽量靠近转动式钻刀后方地布置对倾斜度和方向的测量，以确保受监督的和有计划性的钻进的目标走向。现代化的旋转导向系统(RotarySteerable System)仅将倾斜度测量直接装入在其系统中，并且方向传感器位于明显后置多米的非磁性的球心角体(Sektor)内，以便以所要求的精度获知磁北极。装入方向传感器并在定向钻进器具内与倾斜度传感器一起进行对磁北极的检测在没有相应的校正的情况下将导致出现磁偏角并且在方向获知中可能出现很大误差。
传统的定向钻进器具包括管状的壳体。壳体至少利用其远离转动式钻刀的底座区段容纳了也被称为钻柱的钻管柱。转动式钻刀布置在壳体的头部区段内；联接有转动式钻刀的刀驱动轴的至少一部分同样可转动地布置在壳体的头部区段内。底座区段过渡成壳体的躯体区段，躯体区段过渡成头部区段。磁场传感器(尽量远地与壳体头部区段和躯体区段隔开地)布置在传统的定向钻进器具的壳体的底座区段内，以便尝试至少减少转动式钻刀工作时出现的磁偏角、至少减少由于安装在壳体头部区段和躯体区段内的装置、构件等产生的磁偏角、并且至少减少磁偏角由于磁场传感器与传统的定向钻进器具的壳体头部区段空间远离或有间隔而对磁场传感器的影响。尽管磁场传感器与头部区段和躯体区段在空间上远离，但仍然显露出对传统的定向钻进器具的由磁场传感器所获知的位置数据的获知的影响，从而利用传统的定向钻进器具进行的定向深孔钻进与掘进钻眼的期望的走向并不一致。
此外，在应用传统的定向钻进器具时由于磁场传感器与壳体头部区段在空间上远离而出现了另外的相关缺点；由于磁场传感器与头部区段的间距较远，使得传统的定向钻进器具与其头部区段在例如三个空间方向上的微小偏差未被提前确定，从而这些提前出现的方向偏差借助布置在底座区段内的磁场传感器仅在稍后的时间点才能被确定。由于仅在一定持续时间之后才获知方向偏差，所以需要对后续的掘进方向走向进行修正，越晚获知转动式钻刀方向偏差，就越耗费时间和成本地表明要对定向钻进进行修正。在现有技术中通过在传统的定向钻具内至少接近头部区段地装入磁场传感器来对定向钻具的头部区段的方向偏差(下面还将提及)作出努力，却由于随着磁场传感器与头部区段的空间上远离变小导致明显增多地出现偏角而失败。
本发明另外的主题涉及可靠作业的高精度的定向钻进器具，其用于在预设了钻眼的可选的方向走向的情况下以自动化地、经精密监督地监控在较深处的目标明确的钻进进行的持久运行，该定向钻进器具具有壳体；优选在壳体内旋转的、在其突出于壳体的端部上承载有转动式钻刀的刀驱动轴；控制设备；优选布置在壳体内的多个方向控制设备，方向控制设备用于在钻进运行中产生用于对定向钻进器具进行取向的具有可径向取向的力分量的导向力；以及与控制设备相连的磁场传感器，其特征在于，磁场传感器布置在壳体的前部的、面对转动式钻刀的区域，即转动式钻刀附近的区域内，并且借助由亥姆霍兹线圈产生的均匀磁场来进行校准。
在现有技术中已知了一种用于向下掘进竖直的钻孔或具有弯曲走向的钻孔，尤其是大钻眼孔的设备，其没有充分考虑到实践中特别是关于经济性和安全性，尤其也没有考虑到关于钻眼定向的精度的要求。为了定向钻进到较大深度中使钻进是可监督的并使可控制的是重要的。可监督性是重要的，以便查验钻眼位置和钻孔的走向，以及必要时修正不期望的偏差。可控性同样是重要的，以便例如不仅维持深孔钻进的竖直性及其弯曲走向，并且尽量在运行时干预钻进走向。孔眼偏差恰恰出现在岩层的深岩石中，也受到出现不同硬度的硬石或松散岩体的影响。在钻进时也由于也被称为钻柱的钻管柱过长和施加到钻柱上的力发生变化而出现偏差。
为了避免钻眼偏差，在具有转动式钻刀的传统设备中，例如定向钻进器具为了向下掘进竖直的或弯曲受限的孔，其包括如下钻进工具，在该钻进工具的外侧上环绕向外地布置有可枢转的也称为滑动滑道、张力块、滑动肋等的控制肋，其向钻眼的壁施加力地被安置。通过向以下被简称为钻眼壁的钻眼的壁施加力，造成传统的设备的转动式钻刀朝反方向偏移。然而事实表明，传统的设备仅从外部地由地面控制台操控。然而，传统的定向钻进器具的方向控制机构经由地面控制台的操控却导致控制肋的枢转的延时反应，从而尤其是损失了影响井下钻眼的定向走向的宝贵时间。
钻眼与预设的方向的偏差还可能由于转矩和转动式钻刀施加到岩层上的进给钻进力导致。因而钻眼偏差的大小和方向根据DE 602 07 559无法预测，并且需要始终经由钻进工具或定向钻进器具操控转动式钻刀。
在用于建立目标明确的钻孔的传统的设备(其包括具有测量值传感器的测量值装置)中，根据其测量值大小的振幅来操控固定在该设备上的控制肋。然而事实表明，对走向的定向和对钻眼的查验是不够的，这是因为用作为测量值装置的倾斜度测量仪和磁场传感器的测量值不是实时的，而是仅延时地经由地面控制台来处理、与预设的目标值比较、并且将控制信号传递给以电的方式在控制技术上与电缆联接的控制肋。
由斯伦贝谢技术私人有限公司(Schlumberger Technology B.V.)公开的传统的方法和设备虽然已认识到干预校正措施的延时反应问题和长期已知然而目前尚未解决的出现磁偏角问题，但是仅实现了上述有缺陷的远离钻头的磁场传感器的布置。因而斯伦贝谢技术私人有限公司也没能以满意方式同时解决这两个问题，因为结合沿钻眼轴线的纵向点的离散数量通过借助横轴向的磁场传感器和横轴向的加速度测量仪估算至少两个局部的磁场分量来对钻眼倾斜度和钻眼方位角进行在钻进期间的确定，使得设备的结构形式复杂化，并且使得传统的方法易受干扰，并且无法实现在转动式钻刀附近所要进行的磁场测量，更谈不上紧邻转动式钻刀或直接邻接转动式钻刀所要进行的磁场测量。
因而，测量值装置还是要与转动式钻刀保持较远的间距，从而对斯伦贝谢技术私人有限公司表示遗憾，该磁场测量的技术并不适用于钻头附近的偏差。
在传统的设备，如定向钻进工具和器具中，磁场传感器在钻头附近的布置方案在技术方面是无法执行的，然而却是迫切需要的，主要是因为由此将在深孔定向钻进中开创全新的应用和更大可能性；轴向磁场测量(公认的斯伦贝谢技术私人有限公司)相对磁干扰或磁偏角仍特别敏感，磁干扰或磁偏角起因于附近的钻管柱部件，例如钻头、泥浆电机、扩展孔工具等，从而仅建议远离钻头应用磁场测量，也就是说，建议按照传统教导在传统的定向钻进器具中将磁场测量远离转动式钻刀地布置。钻头附近也理解为转动式钻刀附近。
因此，该现有技术是被容忍的，这是因为磁场测量由于其与转动式钻刀的间距较远而才非常迟地确定转动式钻刀的发生方向变化，使得深孔定向钻进由于校正措施干预的较晚做出反应而被证实是高成本的，而利用传统定向钻进器具或工具的深孔钻进由于较晚做出反应而出现了延长深孔距段在企业经济方面在越来越关注成本收益分析与利用斯伦贝谢技术私人有限公司推荐的传统的设备进行的深孔钻进的相关性的当今是不可取的。
尤其是在开发新天然气田或油田情况下仍采用斯伦贝谢技术私人有限公司推荐的传统的定向钻进器具或工具，使得由于借助水力压裂方法处理已开发的田进行深孔钻进运行是费时且高成本的。
现有技术已知的方法(其中，将钻眼测量仪导入钻眼中并且将传统的钻眼测量仪借助装入在传统的钻眼测量仪内的用于产生预定的磁场的倾角线圈匹配用于示出倾角值)也没有带来进一步的帮助，这是因为对钻眼及其走向的测定只有在掘进钻眼且将传统的钻眼测量仪导入到已掘进好的钻眼之后而且是当传统的钻眼测量仪在钻眼内能够在三个空间方向上获知所处方位的方向值时候才进行。
利用传统的方法也无法解决具有在传统的定向钻进器具中远离转动式钻刀布置的磁场传感器的定向钻进器具的缺点。
发明内容
本发明任务也要提供一种定向钻进器具，其尤其在深孔钻进时提前就已经并立即排除或补偿了由于在定向钻进器具中采用不同材料所产生的偏差或偏角，并且虽然在深孔定向钻进中在深孔钻进时出现磁干扰场，但仍关于三个空间方向和倾斜度地保持了预定的掘进，而与现有技术相比，甚至是在没有地面干预持续进行的钻眼运行的情况下也如此，这主要是因为地面干预只有是由于传统的将钻眼测量仪导入到钻眼中才会进行。
还应当提供如下这种定向钻进器具，其使得将传统的钻眼测量仪导入到钻眼中并随后进行地面干预成为多余。
此外，定向钻进器具应当在其前部的、面对转动式钻刀的区域中，也就是邻接转动式钻刀的区域内装备有磁场传感器，以便因而也避免了已在转动式钻刀最近处可测量的例如由于出现不同岩石硬度所导致的关于倾斜度和方位角的定向钻进器具的偏差。
在大量文献中，虽然公开了对传统的磁场传感器的校准，对本领域技术人员而言不是新鲜的知识。在另外的现有技术中提供了一种传统的钻眼传感器，其能够在钻眼中确定所处方位的空间方向并获知其与目标值的偏差，然而该传统的钻眼传感器无法实现一方面同时进行掘进并且另一方面在现场掘进期间进行对监控方向变量(也就是说传统的旋转式钻机自有的、在掘进时属于其的方向变量)的不断监督。
该现有技术也证实了斯伦贝谢技术私人有限公司的认知，即，在现有技术中不可能克服通过在由传统的定向钻进器具进行的掘进中的修正措施的仅延时地对地面干预做出反应的缺点，从而还是高成本地存在由于出现例如磁测量偏差而关于方位角和倾斜度进行的不断监控。
因而，所要提供的定向钻进器具和方法的任务不仅提供了如下定向钻进器具，该定心钻进器具例如在掘进期间不仅直接借助离定向钻进器具的转动式钻刀最近的磁场传感器来测量深孔钻进的偏差，将该偏差与目标值进行比较，产生用于控制定向钻进器具的相应的调节信号并且将此调节信号与来自外部，即从定向钻进器具外部进行的操控无关地，不费时且无高花费地提前(无延时地)传递给定向钻进器具的调节环节，如张力块。
为了提高确定磁通密度的精度，可以在钻眼测量方法中应用如下磁场传感器，它们围绕器具纵轴线旋转地布置，并且在此通过现有的地磁感生的信号提供给地面控制台，尽管如此，这些磁场传感器还是与转动式钻刀保持较远的间距，从而人们任然无法识别到钻眼走向的微小变化，而且也无法提前在深孔定向钻进工作时为了校正目的而进行干预。
本发明任务应当提供一种方法，其以简单方式对在定向钻进器具中的磁场传感器进行校准。
此外，该方法还应当在深孔钻进运行中就已经提前地检测到了定向钻进器具的偏差并且将校正措施保存起来。
此外，所要提供的定向钻进器具还应当可以在进行较大深度钻进时毫不费力识别出与期望钻眼走向的细微偏差。
此外，所要提供的定向钻进器具具有布置在钻头附近的磁场传感器。
该定向钻进器具同样不仅应当识别出与期望钻眼走向的细微偏差，而且也应当提早采取校正措施用于维持期望的钻孔走向。
附加地，所要提供的定向钻进器具还应当在钻孔走向发生变化时在没有磁干扰场的影响的危险的情况下对深孔定向钻进的位置确定进行修正。
接着，定向钻进器具经由地面控制台的操控应当是多余的，就这点而言使得该地面控制台被减轻了执行由于不期望的钻眼偏差而进行的校正措施的负担并且仅负责控制深孔钻进。
外加地，所要提供的定向钻进器具应当实时自身控制，以避免由于较晚使用的偏差辅助而高成本地延长了孔距段。
所要提供的方法还应当廉价地执行定向钻进器具的校准，从而克服由斯伦贝谢技术私人有限公司所公知的然而斯伦贝谢技术私人有限公司却未解决的、磁场传感器在钻头附近地布置在定向钻进器具内的问题，避免了斯伦贝谢技术私人有限公司所建议的复杂且易受干扰的方法。
智能钻探有限公司(Smart Drilling GmbH)在根据本发明的定向钻进器具中布置了一种针对倾斜度和方向的传感器，如磁场传感器，并且执行校正以维持所需精度。本发明通过采用亥姆霍兹线圈来解决该问题。在亥姆霍兹线圈中央，现有磁场包括地磁场在内地被中和，也就是说，没有磁场。随后，根据本发明的定向钻进器具以方向传感器，如磁场传感器，定位在线圈中和磁场内。因为在根据本发明的定向钻进器具内存在有各种不同的部件，它们产生磁影响，所以方向传感器现在亥姆霍兹线圈内显示出沿x轴、y轴和z轴的磁偏角。然后将这种影响有利地进行补偿直至又存在中和磁场，并作为校正值保存在根据本发明的定向钻进器具的电子存储器内。随后，可以在亥姆霍兹线圈内执行根据本发明的定向钻进器具的所有的运行函数，测量和补偿磁偏角，将校正系数存储在定向钻进器具中。这样，根据本发明的定向钻进器具可以在运行中自己补偿并满足高要求的方向精度。
该任务通过主权利要求和从属权利要求解决，从属权利要求涉及本发明优选实施方案和改进方案。
本发明涉及一种在应用定向钻进器具情况下的方法，定向钻进器具包括
壳体，
至少部分地在壳体的头部区段内旋转的或可旋转的刀驱动轴，其优选突出于壳体的下端部在头部区段内承载有转动式钻刀，头部区段过渡成壳体的躯体区段，
布置在壳体躯体区段内的控制设备，
与控制设备相连的多个磁场传感器，
躯体区段过渡成壳体的底座区段，
布置在壳体躯体区段或底座区段内的多个方向控制机构，方向控制机构用于在钻进运行中产生用于对定向钻进器具进行取向的具有可径向取向的力分量的导向力，
其特征在于，
磁场传感器布置在壳体头部区段内，并且借助由亥姆霍兹线圈产生的均匀的磁场进行校准，其中，
a.将定向钻进器具以磁场传感器导入到由亥姆霍兹线圈产生的磁场中，并且在作为参考标准的预定的位置中居中地布置在该磁场内，
b.为了补偿磁干扰场，受磁干扰场影响的磁偏角作为在X、Y、Z轴的方向上的磁通密度地由磁场传感器确定，并将与其相对应的测量值作为磁偏角值或信号地传送给控制设备，
与磁偏角值或信号相对应的校正值由控制设备产生，这些校正值相当于由干扰场产生的磁通密度测量值与在参考标准中的磁通密度测量值的偏差的大小，并且将这些校正值保存在定向钻进器具的控制设备的电子存储器内，并且/或者
c.随后，定向钻进器具以与预定的位置不同的例如作为运行函数的取向地布置在由亥姆霍兹线圈产生的磁场内，
受这些取向影响的磁偏角作为在X、Y、Z轴的方向上的磁通密度地由磁场传感器确定，并且将与这些由于不同的例如作为运行函数的取向所造成的磁偏角相对应的测量值作为定位值或信号地传送给控制设备，
为了将定向钻进器具送回预定位置，由控制设备产生与定位值或信号相对应的校正系数，并且将这些校正系数保存在定向钻进器具的控制设备的电子存储器内。
本发明还涉及可靠工作的定向钻进器具，其用于在预设了钻眼的可选的方向走向的情况下以自动化地、经精密监督地监控在较深处的目标明确的钻进进行的持久运行，该定向钻进器具具有
壳体，
至少部分地在壳体头部区段内旋转的或可旋转的刀驱动轴，该刀驱动轴优选突出于壳体的下端部在头部区段内承载有转动式钻刀，
其中，头部区段过渡成壳体的躯体区段，
布置在壳体的躯体区段内的控制设备，
与控制设备相连的多个磁场传感器，
其中，躯体区段过渡成壳体的底座区段，
布置在壳体躯体区段或底座区段内的多个方向控制机构，方向控制机构用于在钻进运行中产生用于对定向钻进器具进行取向的具有可径向取向的力分量的导向力，
其特征在于，
磁场传感器布置在壳体头部区段内，并且借助由亥姆霍兹线圈产生的均匀的磁场进行校准，
定向钻进器具以磁场传感器导入到由亥姆霍兹线圈产生的磁场中，并且在作为参考标准的预定的位置居中地布置在该磁场内，
为了补偿磁干扰场，受磁干扰场影响的磁偏角作为在X、Y、Z轴线的方向上的磁通密度地由磁场传感器确定，并将与其相对应的测量值作为磁偏角值或信号地传送给控制设备，
与磁偏角值或信号相对应的校正值由控制设备产生，这些校正值相当于由干扰场产生的磁通密度测量值与在参考标准中的磁通密度测量值的偏差的大小，并且将这些校正值保存在定向钻进器具的控制设备的电子存储器内，并且/或者
随后，定向钻进器具以与预定的位置不同的例如作为运行函数的取向地布置在由亥姆霍兹线圈产生的磁场内，
受这些取向影响的磁偏角作为在X、Y、Z轴线的方向上的磁通密度地由磁场传感器确定，并且将与这些由于不同的例如作为运行函数的取向所造成的磁偏角相对应的测量值作为定位值或信号地传送给控制设备，
为了将定向钻进器具送回预定的位置中，由控制设备产生与定位值或信号相对应的校正系数，并且将这些校正系数保存在定向钻进器具的控制设备的电子存储器内。
根据本发明的定向钻进器具可以包括壳体，壳体的远离头部区段的底座区段被设置成用于容纳钻管柱和/或联接钻管柱；布置在头部区段内的优选在其内或至少部分在壳体内旋转的、在其上例如突出于壳体的端部上承载有转动式钻刀的刀驱动轴；布置在壳体内的、优选布置在其躯体区段和/或底座区段内的控制设备；优选布置在壳体内的、优选布置在其躯体区段和/或底座区段内的多个方向控制机构，方向控制机构用于在钻进运行中产生用于对定向钻进器具进行取向的具有可径向取向的力分量的导向力；以及多个磁场传感器，其中，磁场传感器布置在壳体头部区段内，亦即布置在壳体的转动式钻刀附近的区域内，并且借助根据本发明的方法引入到具有亥姆霍兹线圈的支架中，并且通过由亥姆霍兹线圈产生的均匀的磁场进行校准。本发明还涉及用于在高精度作业的定向钻进器具中的磁场传感器进行校准以便在预设了深孔钻进的钻眼的可选择的例如预定的方向走向情况下提前、可靠、及时确定钻眼和转动式钻刀相对于地磁场矢量的取向的方法，其中，在借助亥姆霍兹线圈产生的磁场内执行校准。
本发明还涉及对由亥姆霍兹线圈产生的均匀的磁场用来校准定向钻进器具的应用，该定向钻进器具包括
壳体，
至少部分地在壳体的头部区段内旋转的或可旋转的刀驱动轴，该刀驱动轴突出于壳体的下端部在头部区段内承载有转动式钻刀，
头部区段过渡成壳体的躯体区段，
布置在壳体躯体区段内的控制设备，
与控制设备相连的多个磁场传感器，
躯体区段过渡成壳体的底座区段，
布置在壳体躯体区段或底座区段内的多个方向控制设备，其用于在钻进运行中产生用于对定向钻进器具进行取向的具有可径向取向的力分量的导向力，
其中，磁场传感器布置在壳体头部区段内，并且借助由亥姆霍兹线圈产生的均匀的磁场进行校准，
定向钻进器具以磁场传感器导入到由亥姆霍兹线圈产生的磁场中，并且在作为参考标准的预定的位置中居中地布置在该磁场内，
为了补偿磁干扰场，受磁干扰场影响的磁偏角作为在X、Y、Z轴线的方向上的磁通密度地由磁场传感器确定，并将与其相对应的测量值作为磁偏角值或信号地传送给控制设备，
与磁偏角值或信号相对应的校正值由控制设备产生，这些校正值相当于由干扰场产生的磁通密度测量值与在参考标准中的磁通密度测量值的偏差的大小，并且将这些校正值保存在定向钻进器具的控制设备的电子存储器内，并且/或者
随后，定向钻进器具以与预定的位置不同的例如作为运行函数的取向地布置在由亥姆霍兹线圈产生的磁场内，
受这些取向影响的磁偏角作为在X、Y、Z轴线的方向上的磁通密度地由磁场传感器确定，并且将与这些由于不同取向/运行函数所造成的磁偏角相对应的测量值作为定位值或信号地传送给控制设备，
为了将定向钻进器具送回预定位置，由控制设备产生与定位值或信号相对应的校正系数，并且将这些校正系数保存在定向钻进器具的控制设备的电子存储器内。
根据本发明的方法，定向钻进器具应用该方法，该定向钻进器具包括壳体；在壳体内旋转的刀驱动轴，刀驱动轴突出于壳体的端部承载有转动式钻刀；布置在壳体内的控制设备和与控制设备相连的磁场传感器；布置在壳体内的多个方向控制机构，方向控制机构用于在钻进运行中产生用于对定向钻进器具进行取向的具有可径向取向的力分量的导向力，该方法包括如下步骤：
将磁场传感器布置在壳体的前部的、面对转动式钻刀的区域、即转动式钻刀附近的区域内，并且借助由亥姆霍兹线圈产生的均匀的磁场进行校准。
布置在壳体头部区段内在本发明意义下也被理解为，布置在也称为转动式钻刀附近的钻孔刀附近的区域，
该区域最接近根据本发明的定向钻进器具内的转动式钻刀，或
与根据本发明的定向钻进器具的转动式钻刀紧邻，或
布置在转动式钻刀直接相邻处，而不同于现有技术地，转动式钻刀和磁场传感器在根据本发明的定向钻进器具运行中不会互相阻碍。在本发明意义下这也意味着，转动式钻刀和磁场传感器(不同于现有技术)彼此间没有间隔地布置，这与现有技术相比并未遵循迄今要求的磁场传感器与头部区段空间远离，并且不遵循传统教导的规则，即磁场传感器布置在传统的定向钻进器具的远离转动式钻刀的区域内，目的在于避免相互间的影响，或者避免例如在掘进时由于转动式钻刀区域内可能出现的磁偏角所引起的对磁场传感器的阻碍。
本发明另外的主题涉及可靠作业的高精度的定向钻进器具，其用于在预设了钻眼的可选的方向走向的情况下以自动化地、经精密监督地监控在较深处的目标明确的钻进进行的持久运行，该定向钻进器具具有壳体；优选在壳体内旋转的在其突出于壳体的端部上承载有转动式钻刀的刀驱动轴；控制设备；优选布置在壳体内的多个方向控制机构，方向控制机构用于在钻进运行中产生用于对定向钻进器具进行取向的具有可径向取向的力分量的导向力；与控制设备相连的磁场传感器，其特征在于，磁场传感器布置在壳体的前部的、面对转动式钻刀的区域、即转动式钻刀附近的区域内，并且借助由亥姆霍兹线圈产生的均匀的磁场进行校准。
本发明也基于补偿(在本发明意义下称为补偿)在由亥姆霍兹线圈产生的磁场内的受磁干扰场所造成的磁偏角的影响或者说其磁通密度与没有干扰场的情况下的磁通密度的偏差的影响，从而消除其影响，并且随后补偿运行函数，例如定向钻进器具在亥姆霍兹线圈产生的磁场内的各种不同的与也被称为参考标准的定向钻进器具的预定的位置有所区别的取向或布置，以便能将定向钻进器具送回预定的位置；这些步骤在本发明意义下也被称为校准。
优选地，利用根据本发明的方法，借助由亥姆霍兹线圈产生的磁场校准了根据本发明的定向钻进器具的优选布置在壳体的前部的、面对转动式钻刀的区域内、即最接近转动式钻刀或与其紧邻的磁场传感器。一个亥姆霍兹线圈或多个亥姆霍兹线圈在本发明意义下也被理解为布置两个线圈用于产生一个均匀的磁场，至少一个很大程度上均匀的足以校准根据本发明的定向钻进器具的磁场；通过将亥姆霍兹线圈的两个线圈的磁场相叠而有利地在轴线附近得到了均匀的磁场。简而言之，地下的条件(例如可以相应于运行函数)也可以借助磁场模仿。
根据本发明的方法还涉及在由亥姆霍兹线圈产生的均匀的磁场内校准磁场传感器，这是因为这些磁场传感器在根据本发明的定向钻进器具内布置在根据本发明的定向钻进器具的壳体的转动式钻刀附近的区域中。通常，如被称为硬或软铁效应的例如通过转动式钻刀并且必要时使泥浆电机、扩展孔工具所产生的并且与地磁场相叠或者可能至少受其影响的磁干扰场借助根据本发明的方法在根据本发明的定向钻进器具内得到补偿。补偿的程度可以定性或定量地被测量并存储在控制设备内。
根据本发明的定向钻进器具被用于根据本发明的方法，该定向钻进器具包括壳体，其中，在壳体内可以旋转地布置有刀驱动轴。刀驱动轴在其突出于壳体的上端部处能够与钻管柱联接。在壳体内布置有控制设备，其与紧邻转动式钻刀布置的磁场传感器相连。传统的控制设备如本领域技术人员所熟知地可以包括测量值装置和/或可编程的测量值接收装置和/或可编程的测量值处理装置等，它们可以彼此相连，目的是传送、交换和/或处理数据、信号、磁偏角值、磁偏角信号、校正值、定位值、定位信号，校正系数通过控制设备产生用以将定向钻进器具送回预定的位置中，并且校正系数保存在定向钻进器具的控制设备的存储器内。磁场传感器也可以在根据本发明的方法的和根据本发明的定向钻进器具的优选的实施方案中作为测量值装置地是控制设备的组成部分。
根据本发明的方法包括以下步骤：
a.将定向钻进器具以磁场传感器导入到由亥姆霍兹线圈产生的磁场中并且在作为参考标准的预定的位置中居中布置在该磁场内，
b.为了补偿磁干扰场，受磁干扰场影响的磁偏角作为在X、Y、Z轴线的方向上的磁通密度地由磁场传感器确定，并将与其相对应的测量值作为磁偏角值或信号地传送给控制设备，
与磁偏角值或信号相对应的校正值由控制设备产生，这些校正值相当于由干扰场产生的磁通密度测量值与在参考标准中的磁通密度测量值的偏差的大小，并且将这些校正值保存在定向钻进器具的控制设备的电子存储器内，并且/或者
c.随后，定向钻进器具以与预定的位置不同的取向/运行函数地布置在由亥姆霍兹线圈产生的磁场内，
受这些取向影响的磁偏角作为在X、Y、Z轴线的方向上的磁通密度地由磁场传感器确定，并且将与这些由于不同取向/运行函数所造成的磁偏角相对应的测量值作为定位值或信号地传送给控制设备，
为了将定向钻进器具送回预定的位置，由控制设备产生与定位值或信号相对应的校正系数，并且将这些校正系数保存在定向钻进器具的控制设备的电子存储器内。
连接在本发明意义下也被理解为，传统的电控制技术方面的联接，例如在磁场传感器与控制设备、方向控制设备和控制设备之间的目的是交换或至少传递数据、测量值或信号的联接。在本发明意义下，控制设备也被理解为，传统的具有可编程的测量值接收装置、可编程的测量值处理装置等，它们被本领域技术人员所熟知。连接可以是无线的、借助电线，超声波、红外线、(借助蓝牙进行的)数据通讯等以模拟和/或数字形式的和/或经编码的。
在本发明意义下，磁场传感器也被理解为，传统的例如是测量值接收装置，它们同样被本领域技术人员所熟知。此外，在壳体内还存在有布置在壳体内或其上的多个方向控制机构，它们被用于在钻进运行中产生用于对根据本发明的定向钻进器具进行取向的具有可径向取向的力分量的导向力。在根据本发明的定向钻进器具中，壳体有利地可围绕钻管柱边缘和/或刀驱动轴旋转地布置。
因此，在第一步骤，在此是a.中，根据本发明的定向钻进器具以其磁场传感器导入到由亥姆霍兹线圈产生的均匀的磁场中并且在作为参考标准的预定的位置中居中布置在均匀的磁场内。
在根据本发明的方法的和根据本发明的定向钻进器具的特别的设计方案中，根据本发明的定向钻进器具被移入到亥姆霍兹线圈中或者说被移入到具有至少一个亥姆霍兹线圈的优选是保持架式的框架中，该框架具有两个线圈。在根据本发明的方法的设计方案中，借助亥姆霍兹线圈以传统方式产生了均匀的磁场，其中，亥姆霍兹线圈的线圈，如环形线圈，有利地布置在同一轴向上，尤其具有相同的半径，并且/或者线圈相互间的轴向间距相当于线圈半径。因此，线圈分别经由供给装置与发电机相连，线圈可以电串联用于实现相同方向的电流通。借助居中容纳和校准定向钻进器具的亥姆霍兹线圈产生均匀的磁场对于本领域技术人员而言是众所周知的，从而关于圈数N、两个线圈的半径、频率、磁通密度、其运行时的电流强度I的说明是多余的；亥姆霍兹线圈的两个线圈也可以如偶尔常见那样地被称为亥姆霍兹线圈。
为了补偿磁干扰场，在随后的步骤，如步骤b.中进行对磁通密度的确定。对磁通密度的确定对于本领域技术人员而言是熟知的；因此可以在步骤b.中示例性地由磁场传感器确定在各个轴线方向如X、Y和Z轴线的方向上的磁通密度的最小量和最大量。在该步骤中，对由磁场传感器测得的磁通密度作为测量值或变量与在没有磁干扰场的情况下的磁通密度的测量值(作为标准参考或参考标准)的由于磁干扰场出现的偏差进行确定并进行记录，例如存储在控制设备内。如有必要，也可以将作为在有磁性干扰场情况下的磁通密度的偏差的测量值的大小与在无磁性干扰场情况下的磁通密度的那个测量值相比较地进行计算或补偿，并存储在控制设备，如其电子存储器内。
磁场传感器产生与测量值相对应的磁偏角值或磁偏角信号，并借助磁场传感器的输出端将它们传送给控制设备的输入端。可以由控制设备产生与磁偏角值或信号相对应的校正值。这些校正值可以相当于由于干扰场而产生的磁通密度的测量变量与在参考标准下没有干扰场的情况下的磁通密度测量值的变化或偏差的大小。将这些校正值保存在根据本发明的定向钻进器具的控制设备内，优选保存在其电子存储器内。
在进一步的步骤，例如c.中，根据本发明的定向钻进器具在由亥姆霍兹线圈产生的磁场内在不同取向上被居中地布置，它们不同于在此被称为标准位置的预定的位置。
受这些取向影响的磁偏角作为在各个轴线方向上，如X、Y、Z轴线的方向上的磁通密度的变量值地可以由根据本发明的定向钻进器具的磁场传感器来确定。为了处理测量值、调节根据本发明的定向钻进器具的方向控制机构，在该定心钻进器具的控制设备内设置有用于多变量调节的调节回路。各种不同的取向可以相当于现场的根据本发明的定向钻进器具的运行函数，它们可能在现场出现在岩石深孔钻进时。以各种不同方向引起的相对应的磁通密度测量值作为也被称为定位信号的定位值地经由磁场传感器输出端传送给控制设备的输入端。与定位值相对应的校正系数由控制设备产生，这些校正系数可以被用于将根据本发明的定向钻进器具从其各种不同的取向又送回其预定的位置中。定位值通常也可以作为调节变量地与预设目标值相比较，在有偏差情况下，可以将经改变的输出变量作为调节信号地传送给方向控制机构，目的是改变例如倾斜度、方位角。定位值作为实际值可以不同于作为标准参考或参考标准的根据本发明的定向钻进器具的由目标值预定的位置，从而可以使校正值相当于调节变量，或者可以使在有偏差的情况下给定位值补偿了校正值之后所获知的输出变量作为补偿系数相当于调节变量，可以将调节变量传送给根据本发明的定向钻进器具的方向控制机构。
一般也可以将配属于标准位置或参考标准的测量变量看作为在控制设备内输入的定位值的预设目标值，在与其有偏差的情况下，将校正系数作为调节变量传送给根据本发明的定向钻进器具的方向控制机构以产生具有相对于钻眼壁的可径向取向的力分量的导向力。在步骤c.中，由磁场传感器确定的测量值可以被控制设备补偿了校正值，在一定程度上是调整。校正系数被保存在根据本发明的定向钻进器具的控制设备的电或电子的存储器内，从而在需要时，将定位值必要时与预设目标值实时地(在没有地面上的控制台备份的情况下)进行比较，并将相应于定位值的校正系数作为相应于调节变量的控制信号地传送给根据本发明的定向钻进器具的方向控制机构。
由于在均匀的磁场内校准根据本发明的定向钻进器具的磁场传感器，使得极为有效地在磁场传感器附近定性地检测到并且按此程度定量地确定了受外部影响的，如硬和软磁材料的造成的所有的磁干扰场，从而使得例如在传统场站内在没有其它磁偏角干扰的影响的情况下对其进行繁琐校准成为多余。
此外还可以在步骤c.中，给校正系数补偿了校正值用于产生补偿系数，从而使这些补偿系数相当于与预定的位置不同的取向的实际值。这些补偿系数可以与例如相当于磁场内预定的位置的预设目标值的预设目标值相比较，并且产生由于与预设目标值有偏差而产生经改变的输出变量作为调节信号或控制信号，将它们用在方向控制机构上用于对其进行操控。
在根据本发明的方法的和根据本发明的定向钻进器具的另外的设计方案中，在根据本发明的定向钻进器具的壳体中，也可以将另外的测量值装置，尤其是温度传感器、倾斜度传感器、加速传感器、伽马辐射传感器、回转传感器或和/或其它WOB传感器与控制设备相连用来在确定时间点准确确定根据本发明的定向钻进器具的位置。
通过根据本发明的方法确保，以简单和廉价的方式校准根据本发明的定向钻进器具。
由在根据本发明的定向钻进器具中存在的影响磁通密度的铁磁体材料所造成的磁干扰场被提前考虑到并进行补偿。
在根据本发明的定向钻进器具的另外的设计方案中，用于确定钻眼方向走向的测量变量同样可以经由缆线、遥测和/或以压力信号和/或脉冲形式如声波，从地面控制台传送回至控制设备。控制信号或其它数据，如测量值变量至控制设备的传送或从其至控制台的传送可以如下进一步说明那样同样转送。
在根据本发明的方法的另外的设计方案中，上述步骤也可以在现有预设的温度或温度范围内执行，这是因为根据本发明的定向钻进器具之内的磁场传感器内的传递特性等可能与温度有关。
根据本发明的定向钻进器具的优点也基于此事实，位于头部区段内的磁场传感器不仅提前确定了钻眼的偏差，而且还确定位于头部区段内的转动式钻刀的微小偏差，经由根据本发明的定向钻进器具的控制设备可以实时(无外部干预)基于在控制设备内编程入的预设目标值和/或校正值、校正系数、补偿系数，例如关于钻眼的倾斜度和方向执行校正措施。
基于还布置有另外的测量值装置可以获知这些测量值或变量并传送给控制设备，控制设备为了调节方向控制机构而具有用于多变量调节的调节回路，其输送控制变量作为测量值装置的实际值，并且在其中将这些调节变量与预设目标值进行比较，从而在有偏差时将调节变量输送给方向控制机构作为所谓的控制信号，如DE 199 50 040所公开的那样。
通过测量值装置彼此经由控制设备的巧妙协作避免了各个测量值装置之间的及其测量变量的也许出现的偏倚或偏角并且以如下方式经由用于多变量调节的调节回路彼此连接，即，确保在定向钻进器具内完美监督并改变编程入的预设目标值。
根据本发明的定向钻进器具的方向控制机构可以被构造为具有调节装置的张紧设备。与之联接有能够径向向内和向外运动的，盾状嵌入壳体凹槽中的沿圆周分布地在壳体内至少布置在张紧平面上的张力块，借助具有至少一个可通过热膨胀的压力介质的调节装置使得它们的可运动性是受控制温度的，压力介质是固体和/或液体，固体的线性膨胀系数α在20℃时为1.5至30.0x10-6K-1，并且/或者液体的体积膨胀系数γ在18℃时为5.0至20.0x10-4K-1，其中，与调节装置例如铰接式联接有张力块，调节装置被构造为活塞缸装置，其缸腔具有用于加热压力介质的加热装置，其活塞以其外端部与张力块联接，缸腔被填充以液体或气体作为压力介质。因此，张力块可以铰接式联接在调节装置上，其中，调节装置被构造为活塞缸装置，其缸可通过压力介质地与腔室壳体的腔室相连，缸腔和腔室被填充以液体或气体作为压力介质，加热装置布置在腔室壳体的内和/或外壁的至少一部分上用于加热该腔室壳体和压力介质，活塞以其外端部与张力块联接，活塞缸装置的缸腔具有加热装置用于加热压力介质，活塞以其外端部与张力块联接，活塞室被填充以液体和气体作为压力介质，并且/或者活塞由于压力介质被供热而相对壳体中心纵轴线径向地被推移用来向着钻眼壁地在从初始位置过渡至最终位置时对张力块进行加载力的控制，以及由于冷却压力介质而相对于壳体中心纵轴线径向地被推移用来使张力块在从最终位置过渡到初始位置中时被安置在壳体上。压力介质的体积膨胀系数γ可以在18℃时为7.2至16.3x10- 4K-1，优选12至15x10-4K-1，并且/或者固体的线性膨胀系数α可以在0℃或20℃时为3.0至24x10-6K-1，更优选为10.0至18.0x10-6K-1。调节装置可以构造为线性驱动器，其具有至少一个由固体构成的杆，张力块与该杆的外端部联接，其中，固体的线性膨胀系数α可以是0℃或20℃时的3.0至24x10-6K-1，更优选10.0至18.0x10-6K-1；活塞缸装置也被双重作用地构成，其对置的活塞面可被加载以受温控的压力介质。
在根据本发明的定向钻进器具的另外的设计方案中，用于传递控制设备的信息的流动的介质内的压力脉冲尤其可以在井下的山地隧道中制造钻孔时通过可联接到刀驱动轴上的钻管柱的冲洗通道来传递，其中，在钻管柱的冲洗通道内布置有动轮，其可切换成发电机运行和马达运行地构成并且相应地能交替运行。在此，动轮可以具有与配属给钻管柱的线圈相对应安装的磁体。这些线圈可以与能量存储器相连，其中，线圈轮有利地沿轴向布置。此外，动轮可以经由相对于钻管柱冲洗通道内壁支撑的引导件支承，如DE 41 34 609公开的那样。
在根据本发明的定向钻进器具的另外的设计方案中，信息可以由控制设备经由钻管柱在其内部借助优选被称为钻孔冲洗液或流体的流动的液体内的压力脉冲传递，其中，根据本发明的定向钻进器具包括与控制设备相连的设备用于尤其在建立钻孔时借助流动的液体优选是钻孔冲洗液内的压力脉冲传递信息；该设备具有信息产生装置、与信息产生装置联接的用于在液体中产生压力脉冲的传递设施以及用于在控制台内的接收与分析由压力脉冲传递的信息的接收装置，其中，传递设施具有在液体流内的弹性的流体阻力体和用于按所要产生的压力脉冲的节拍改变流体阻力的流体横截面的调节装置，如DE 196 07402公开的那样。
为了产生压力脉冲，传递设施可以具有在液体流内的弹性的流体阻力体和用于按所要产生的压力脉冲的节拍地控制流体阻力的流体横截面的控制设备。该传递方式的优点是紧凑和节约成本的结构方式以及压力脉冲传递的少磨损和节省能源的作业，并且尽管更换可运动部件是轻松的但仍确保了顺利传递信息。通过此措施实现了在液体流或孔冲洗液流内存在具有可变的流体横截面的流体阻力体。通过改变流体阻力体的流体横截面可以沿流动方向在流体阻力体的区域内和其后方产生压力脉冲，这些压力脉冲可以沿液体流的或孔冲洗液流的流动方向蔓延。这些压力波动或压力脉冲可以归因于在流体横截面减小且液体流相等时围绕流体阻力体的流体速度升高，因而液体压力部分地降低。因此，流体横截面减小导致液体流内的压力部分升高。由此可以有针对性地产生液体流内的压力波动或压力脉冲。这基于流体阻力体的弹性而以可再现方式实现，其中，前述过程可任意频繁且几乎无磨损地重复。此外，弹性的流体阻力体的反应时间有利地是短的，使得可以产生完美的压力脉冲升高和降低边沿。以此方式如前那样地实现不受干扰的信息传递，这是因为所产生的压力脉冲具有足够的边沿陡度，以便可以随后例如操控数字式的评估设备。
最后，在根据本发明的定向钻进器具的另一实施方式中，其控制设备与用于在钻管柱内借助脉冲如声波传递信息的设备相连；用于产生脉冲的传递设施可以接到布置在转动式钻刀下游的信息产生装置上，其例如作为控制设备的部分，其中，用于接收和分析借助脉冲传递的信息的接收装置同样包括所述设备，其中，借助传递设施产生的脉冲构造为声波并且被传送给接收装置，如DE 10 2012 004 392公开的那样。声波可以借助可机械、液压、电地和/或气动地加载的脉冲触发。
根据本发明的定向钻进器具与预设的位置(在此被称为标准或预定的位置)的偏差不仅被提前确定，而且还实时地(在不接通地面控制台且没有受到接通控制台限制的延迟的情况下)立刻执行校正措施，目的是改正具有转动式钻刀的根据本发明的定向钻进器具的位置。
校正措施的干预在不中断深孔钻进运行的情况下执行。
由于磁场传感器直接布置在根据本发明的定向钻进器具的转动式钻刀附近区域，使得根据本发明的定向钻进器具与斯伦贝谢技术私人有限公司申请的方法和设备相比已经可以确定钻眼走向的最小偏差并且以相应方式借助根据本发明的定向钻进器具的由控制设备操控的方向控制机构及其控制肋地通过移出而在钻进运行时将其纠偏。
此外还要着重指出的是，在现有技术中在传统的定向钻进器具中，磁场传感器与转动式钻刀如下远离地布置在定向钻进器具内，即，使其只有当方位角度变化很大一步时才确定钻眼弯曲走向的变化，从而不仅孔距段明显延长而且出现不利的附加可观的也不必要的运行成本。
用于对其进行校准的根据本发明的定向钻进器具和根据本发明的方法的特征还在于如下优点：
钻眼及其走向的测定直接在其掘进期间(无延时)进行，
钻眼测量仪不导入已掘进的钻眼中，
实际值作为方向和倾斜度值的获知不通过布置的尽量远离转动式钻刀(如现有技术)而是通过布置在根据本发明的定向钻进器具的壳体头部区段内的(即，离根据本发明的定向钻进器具的转动式钻刀最近)的磁场传感器，
提前已经地且立即在深孔钻进时确定了偏差或偏角，
尽管通常在深孔钻进时出现例如受岩石限制的磁干扰场，但仍维持了预定的钻眼倾斜度和方向，
无控制中心的地面干预，该控制中心的干预在现有技术中导致时间和成本损失，
提前，即非常灵敏地对在头部区段(即转动式钻刀附近)内的可测量的例如由于出现不同硬度岩石导致的根据本发明的定向钻进器具的倾斜度和方位最小偏差做出反应，
将一方面是掘进且另一方面是在现场掘进期间持久检查方向变量的监控同步地组合，
避免延时响应通过由于测量头部区段的倾斜度和方位的方向偏差而立刻应答修正措施进行的地面干预并且受此引起地
阻止了现有技术中有意识地忍受的由于较晚地采用的修正措施所带来的钻眼长度和深孔钻进持续时间的提高，
与地面操控无关地提早且由此节约成本地将定向钻进器具的张力块移出向钻眼壁。
具体实施方案
实施例
在该实施例中，以示意方式说明了根据本发明的用于对在高精度作业的定向钻进器具中的磁场传感器进行校准以便在预设了针对深孔钻进的钻眼的可选择的方向走向情况下提前、可靠且迅速确定钻眼的方法和根据本发明的可靠作业的用于在预设了钻眼的可选的方向走向的情况下以自动化地、经精密监督地监控在较深处的目标明确的钻进进行的持久运行的定向钻进器具。
根据本发明的定向钻进器具包括壳体；布置在壳体内紧邻转动式钻刀布置的即在壳体头部区段内的因而是布置在转动式钻刀附近的磁场传感器；布置在躯体区段或底座区段内的控制设备(其输入端在电控制方面与磁场传感器的输出端并且与布置在壳体躯体区段或底座区段旁或其内的方向控制设备的输入端联接或相连)；至少部分在壳体头部区段可转动地支承的刀驱动轴，该刀驱动轴具有转动式钻刀。
布置在壳体头部区段内在本发明意义下也被理解为，紧邻转动式钻刀地或紧挨着转动式钻刀地或与其邻接在前部的、面对转动式钻刀、直接邻接转动式钻刀的区域内，或者转动式钻刀附近也可以被理解为，磁场传感器与转动式钻刀无间距(如其在现有技术中所要求的和无法避免的间距)并且因此无需空间远离，而是如技术方面可以实现的那样，磁场传感器与转动式钻刀邻接，从而
一方面使转动式钻刀的运动如转动运动不会由于例如被铣削的岩石而损坏磁场传感器，
另一方面磁场传感器不会在转动式钻刀运动期间由于其空间相邻而限制转动式钻刀以及进而限制其转动运动自由度。
根据本发明的定向钻进器具装入有具有亥姆霍兹线圈的框架，以便使该定向钻进器具根据方法地在由亥姆霍兹线圈产生的均匀的磁场内在作为参考标准的预定的位置中居中地布置在磁场内(在步骤a.)。在进一步的步骤，如b.中，受磁干扰场影响的磁偏角作为在X、Y、Z轴线的方向上的磁通密度地由磁场传感器作为测量值或变量确定，以便将测量值作为磁偏角值或信号地经由其输出端传送给控制设备的输入端。与磁偏角值相对应的校正值由控制设备产生，这些校正值在进行补偿之后可以相当于与无干扰场的磁通密度测量值的偏差作为偏角值，或者由干扰场产生的磁通密度测量变量与在尤其没有磁干扰场的磁通密度情况下的测量变量作为参考标准的偏差的大小。这些校正值被存储在定向钻进器具的控制设备的电子存储器内。
在另一步骤，如c.中，根据本发明的定向钻进器具在由亥姆霍兹线圈产生的磁场内并且以不同于作为参考标准的预定的位置的取向或运行函数地布置，并且受这些取向影响的磁偏角作为在X、Y、Z轴线的方向上的磁通密度地由根据本发明的定向钻进器具的磁场传感器确定作为测量变量；并将与这些不同取向所引起的相对应的测量值或变量作为定位值或位置信号地经由磁场传感器的输出端传送给控制设备的输入端。与定位值相对应的校正系数通过控制设备产生，利用其帮助，使得根据本发明的定向钻进器具可以被从其不同取向送回作为参考标准的预定的位置中。
校正系数可以存储在控制设备的电子存储器内。校正系数可以相当于针对方向控制设备的经确定的控制信号或调节变量以用来将根据本发明的定向钻进器具送入预定的位置中。借助已存储的校正系数，控制设备可以将根据本发明的定向钻进器具利用其方向控制机构借助与校正系数相对应的控制信号又送回预定的位置中。校正系数可以相当于不同于预定的位置的取向的实际值，从而在比较校正系数与相当于预定的位置的预设目标值之后，控制设备让方向控制机构借助告知给它的控制信号送入预定的位置中。
在另外的实施例中，校正系数被补偿了校正值以用来产生补偿系数，使得利用其帮助也能将根据本发明的定向钻进器具从不同的取向送回到作为参考标准的预定的位置中。补偿系数可以相当于与预定的位置不同的取向的实际值，从而在比较了补偿系数或校正系数与相当于根据本发明的定向钻进器具的预定的位置的预设目标值之后，控制设备将根据本发明的定向钻进器具利用其方向控制机构借助告知给它的控制信号，借助产生的输出变量或调节变量又送回预定的位置中。也可以产生与校正系数和/或补偿系数相对应的控制信号以用来由控制设备操控方向控制机构，例如作为调节变量以用来使根据本发明的定向钻进器具自主地取向到预定的位置中。
根据本发明的方法和根据本发明的定向钻进器具可以实现：
以简单方式校准，
提前检测深孔钻进走向的偏差，
首次实现迄今技术上众所周知的无法解决的任务，
其长期以来已知的，即磁场传感器的布置方式，在根据本发明的定向钻进器具中布置在转动式钻刀附近，
提前干预校正措施，
也检测在较深处钻进时钻眼期望走向的微小偏差，
监控在较深处钻进时非常狭窄的钻眼弯曲走向，
在较深处出现钻眼期望走向的微小偏差情况下，执行校正措施，
校正用于在不存在磁干扰场影响位置确定的危险的情况下改变钻孔走向，
取消经由地面控制台操控定向钻进器具，
实时地在没有高成本的孔距段延长的情况下自动地控制定向钻进器具，
在定向钻进器具内提供转动式钻刀附近的磁场传感器，
不同于斯伦贝谢技术私人有限公司在US 13/323 116和13/429 173中公开的方法和设备，取消了复杂且易受干扰的方法，
以及
根据本发明的定向钻进器具结构简单且坚固，
并且
因而制造方式廉价。
通过从地面控制台无干扰的无线传输信号给根据本发明的定向钻进器具，使得深孔钻进的钻眼方向走向也能随时进行选择。

Claims (15)

1.一种在应用定向钻进器具情况下的方法，所述定向钻进器具包括
壳体，
至少部分在所述壳体的头部区段内旋转的刀驱动轴，所述刀驱动轴的下端部在所述头部区段内承载有转动式钻刀，所述头部区段过渡到所述壳体的躯体区段中，
布置在所述壳体的躯体区段内的控制设备，
与所述控制设备相连的多个磁场传感器，
所述躯体区段过渡到所述壳体的底座区段中，
布置在所述壳体的躯体区段或底座区段内的多个方向控制机构，所述方向控制机构用以在钻进运行中产生用于对所述定向钻进器具进行取向的具有能径向取向的力分量的导向力，
其特征在于，
所述磁场传感器布置在所述壳体的头部区段内，并且利用由亥姆霍兹线圈产生的均匀的磁场进行校准，其中，
a.将所述定向钻进器具导入由亥姆霍兹线圈产生的磁场中，并且在作为参考标准的预定的位置中居中地布置在所述磁场内，
b.为了补偿磁干扰场，受磁干扰场影响的磁偏角作为在X、Y、Z轴线的方向上的磁通密度地由所述磁场传感器确定，并将与其相对应的测量值作为磁偏角值或信号地传送给所述控制设备，
与所述磁偏角值或信号相对应的校正值由所述控制设备产生，所述校正值相当于由干扰场产生的磁通密度测量值与参考标准情况下的磁通密度测量值的偏差的大小，并且将所述校正值保存在所述定向钻进器具的控制设备的电子存储器内，
c.随后，所述定向钻进器具以与预定的位置不同的取向地布置在由亥姆霍兹线圈产生的磁场内，
受这些取向影响的磁偏角作为在X、Y、Z轴的方向上的磁通密度地由所述磁场传感器确定，并且将与这些由于不同的取向所造成的磁偏角相对应的测量值作为定位值或信号传送给所述控制设备，
为了将所述定向钻进器具送回预定的位置中，由所述控制设备产生与所述定位值或信号相对应的校正系数，并且将所述校正系数保存在所述定向钻进器具的控制设备的电子存储器内。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤b.中，由所述磁场传感器确定的测量值被控制设备补偿了所述校正值用于呈现参考标准。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤c.中，给所述校正系数补偿了校正值用来产生补偿系数，所述补偿系数优选相当于不同于预定的位置的取向的，如运行函数的实际值。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述预定的位置相当于用于深孔钻进的钻眼的能选择的方向走向。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在预定的温度情况下执行步骤a.至c.中的至少一个。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述壳体中，温度传感器、倾斜度传感器、加速传感器、伽马辐射传感器、回转传感器或和/或其它WOB传感器作为测量值装置联接到所述控制设备上并且能够有选择地接通。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将如用于确定方向走向的和/或预定的位置的测量参量经由布置在钻管柱内的缆线并且/或者借助遥测技术并且/或者以压力信号和/或脉冲，如声波的形式，从地面控制台传送至所述控制设备。
8.一种定向钻进器具，其用于在预设了钻眼的能选择的方向走向的情况下以自动化地、经精密监督地监控在较深处的目标明确的钻进所进行的持久运行，所述定向钻进器具具有
壳体，
至少部分在所述壳体的头部区段内旋转的刀驱动轴，所述刀驱动轴突出于所述壳体的下端部在所述头部区段内承载有转动式钻刀，
其中，所述头部区段过渡到所述壳体的躯体区段中，
布置在所述壳体的躯体区段内的控制设备，
与所述控制设备相连的多个磁场传感器，
其中，所述躯体区段过渡到所述壳体的底座区段中，
布置在所述壳体的躯体区段或所述底座区段内的多个方向控制机构，所述方向控制机构用于在钻进运行中产生用于对所述定向钻进器具进行取向的具有能径向取向的力分量的导向力，
其特征在于，
所述磁场传感器布置在所述壳体头部区段内，并且借助由亥姆霍兹线圈产生的均匀的磁场进行校准，
所述定向钻进器具借助磁场传感器导入到由亥姆霍兹线圈产生的磁场中，并且在作为参考标准的预定的位置中居中地布置在所述磁场内，
为了补偿磁干扰场，受磁干扰场影响的磁偏角作为在X、Y、Z轴线的方向上的磁通密度地由所述磁场传感器确定，并将与其对应的测量值作为磁偏角值或信号地传送给所述控制设备，
与所述磁偏角值或信号相对应的校正值由所述控制设备产生，这些校正值相当于由干扰场产生的磁通密度测量值与参考标准情况下的磁通密度测量值的偏差的大小，并且所述校正值保存在所述定向钻进器具的控制设备的电子存储器内，
随后，所述定向钻进器具以与预定的位置不同的取向地布置在由亥姆霍兹线圈产生的磁场内，受这些取向影响的磁偏角作为在X、Y、Z轴的方向上的磁通密度地由所述磁场传感器确定，并且与这些由于不同的取向所造成的磁偏角相对应的测量值作为定位值或信号地传送给所述控制设备，
为了使所述定向钻进器具被送回预定的位置中，由所述控制设备产生与定位值或信号相对应的校正系数，并且使所述校正系数被保存在所述定向钻进器具的控制设备的电子存储器内。
9.根据权利要求8所述的定向钻进器具，其特征在于，对根据权利要求2至8中任一项所述磁场传感器进行校准。
10.根据权利要求8或9所述的定向钻进器具，其特征在于，用于操控能电运行的方向控制机构的控制设备与所述方向控制机构相连，所述方向控制机构还具有能够径向地向内和向外运动的、优选能够盾状地嵌入到外壳体的凹槽中的并且沿圆周分布地在所述壳体内或其旁边至少布置在张紧平面上的控制肋，所述控制肋的运动性是受温度控制的。
11.根据权利要求10所述的定向钻进器具，其特征在于，所述方向控制机构优选具有被构造为线性驱动器的调节装置，所述控制肋与所述调节装置联接，所述调节装置被构造为活塞缸装置，所述活塞缸装置能够借助对能通过加热膨胀的压力介质，优选是气体、液体和/或固体材料，如液压液的操控被操作。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的定向钻进器具，其特征在于，由作为所述控制设备的测量值装置的磁场传感器获知的数据，尤其是位置数据能够以压力信号形式传送至布置在地面上的控制台，其中，所述定向钻进器具包括用于产生压力信号的设备用来在钻管柱的冲洗通道内借助通过冲洗加载的、驱动具有所联接的存储器的发电机的叶轮来传递信息，包含存储器在内的所述发电机、耦合器和叶轮轴的轴承布置在轴向延伸的、被注入油且相对于钻管柱形成圆柱形的环形间隙的壳体内，并且用于驱动叶轮的冲洗液在所述环形间隙内流经，并且在所述壳体中的储油器上方设置有经由冲洗液加载的压力补偿活塞，并且在下端部处设置在所述壳体与所述叶轮轴之间的密封件被构造为运行平稳的密封件，例如唇密封件或陶瓷密封件。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的定向钻进器具，其特征在于，由测量值装置获知的数据，尤其是位置数据能够以压力信号形式被传送至布置在地面上的控制台，所述定向钻进器具包括用于在流动介质内产生压力信号的设备以用来尤其是在地下的山体和隧道构建中建立钻孔时通过钻管的冲洗通道传递信息，其中，在钻管柱的冲洗通道内布置有动轮，所述动轮能够切换至发电机和马达运行中地构成，并且能够相应交替地运行。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的定向钻进器具，其特征在于，所述定向钻进器具包括用于尤其是在建立钻孔时利用流动液体的，优选是钻井液内的压力脉冲传递信息的设备，所述设备具有信息产生装置、与所述信息产生装置联接的用于在液体中产生压力脉冲的传递设施以及用于在所述控制台内接收与分析由压力脉冲传递的信息的接收装置，其中，所述传递设施具有在液体流内的弹性的流体阻力体和调节装置，所述调节装置用于以所要产生的压力脉冲的节拍来改变流体阻力的流体横截面。
15.根据权利要求14所述的定向钻进器具，其特征在于，由所述测量值装置获知的数据，如位置数据能够以压力信号形式被传送至布置在地面上的控制台，其中，所述控制设备与用于借助脉冲，如声波在钻管柱内传递信息的设备相连；其中，所述控制设备被接到用于产生脉冲的传递设施上，所述设备包括用于接收和分析经由脉冲传递信息的接收装置，借助所述传递设施产生的脉冲被构造为声波，并且传送给所述接收装置。
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