CN111211410A - 使用平衡天线信号的偶极定位器 - Google Patents

Abstract

一种天线布置。布置使用四个导电回路，各个导电回路与其他导电回路在不同的平面之内。四个导电回路具有共同的中心点。各个回路在偶极磁场之内并检测其分量。通过平衡在匹配的导电回路的对之间接收到的信号，信号之间的不同可用来将天线布置引导到零点，即在磁场中其中导电回路的各个对平衡的点。天线布置可进一步使用场的大小来用来确定偶极场源的深度。

Description

使用平衡天线信号的偶极定位器

发明内容

本发明指向一种具有四个导电回路的天线，四个导电回路中的各个位于单个平面之内，并且具有中心，在其中，四个回路的中心重合，并且其中，四个回路的平面都不重合。

本发明还指向地上（above-ground）天线布置，该地上天线布置具有第一导电回路、第二导电回路、第三导电回路和第四导电回路。第二导电回路被第一导电回路包围。第四导电回路被第三导电回路包围。第一导电回路、第二导电回路、第三导电回路和第四导电回路中的各个都是平面的，并且限定单独的平面。第一导电回路、第二导电回路、第三导电回路和第四导电回路中的各个都具有共同的中心点。

本发明进一步指向天线组件，该天线组件包括第一导电回路、第二导电回路、第三导电回路和第四导电回路。各个回路位于平面中，并且限定法向向量，该法向向量垂直于平面并延伸穿过回路的中心点。第一回路、第二回路、第三回路和第四回路的中心点是重合的，并且第一法向向量、第二法向向量、第三法向向量和第四法向向量是不同的。

附图说明

图1是用于钻取水平钻孔（borehole）的水平方向钻取系统的图示。

图2是跟踪器的图示，跟踪器利用天线布置来检测地下（below ground）磁场源。跟踪器以透明内视的形式示出，使得天线布置是可见的。

图3是利用了四个印刷电路板天线的本发明天线布置的左侧正视图。

图4是备选天线布置的左侧正视图，该备选天线布置利用了四个磁线的环形天线。

图5是图3的天线布置的右侧正视图。

图6是图3的天线布置的前正视图。

图7是图3的天线布置的后正视图。

图8是图3的天线布置的底部平面视图。

图9是图3的天线布置的顶部平面视图。

图10是图3的天线布置的顶部前透视视图。

图11是图3的天线布置的顶部前透视视图。在图11中，支承结构被去除并且各种天线部件的法向向量被示出。垂直于天线30的向量放置为进入和离开页面。

图12A是示出了从前面放置或如图6中定向的天线部件的法向向量的图。角度稍微偏移，使得法向向量30a和32a是不同的。

图12B是示出了从右放置或如图5中定向的天线部件的法向向量的图。角度稍微偏移，使得法向向量34a和36a是不同的。

图12C是示出了从顶部放置或如图9中定向的天线部件的法向向量的图。角度稍微偏移，使得法向向量34a和36a是不同的，并且法向向量30a和32a是不同的。

具体实施方式

本发明指向在图2至图11中示出的天线布置10，该天线布置10用于与在水平方向钻取操作中使用的跟踪器12一起使用。在图1中，示出了水平方向钻取系统14。系统14使用钻机16来将携带有井下（downhole）工具20的钻柱18在地下推进，以创建钻孔22。定位在井下工具20之内的信标24发出信标信号。定位在地面26上或上方的跟踪器12检测信标信号，并将信标的位置通信至跟踪器操作者28。跟踪器12使用如本文中所示的多个天线来检测信标信号。

参见图2，示出了代表性跟踪器12。典型地，天线布置10放置在跟踪器12上在跟踪器12的框架29的底部端处。在跟踪器中利用处理器（未示出）来解释（interpret）由天线布置10接收的信号。显示器31可放置在框架29的顶部端处，以帮助操作者28（图1）可视化关于在信标24处生成的场的信息。另外地或者备选地，跟踪器12可将此信息与钻16通信。虽然在图2中的跟踪器12中放置了一个天线布置10，但是在单个跟踪器上可一起使用多个天线布置，多个天线布置在框架29上或者垂直地或者水平地移位。

参见图3至图10，天线布置10包括四个独立天线：第一天线30、第二天线32、第三天线34和第四天线36。在天线布置10中经由支承结构38将天线30、32、34和36保持在一起。如图8至图10中所示，天线30、32、34和36都具有与在支承结构38中形成的中心点40对应的相同中心点。支承结构38可由塑料形成。在备选实施例中，支承结构可由能够使天线与电场屏蔽的金属形成。在任何情况下，天线30、32、34、36中的各个电气地独立于其他天线。

天线30、32、34和36中的各个是印刷电路板（PCB）天线。印刷电路板天线是使用在电路板框架60上的微带（未示出）来制作的。备选地，如图4中所示，天线30、32、34和36中的各个可为缠绕在框架41上的磁线的线圈44，框架41具有中空矩形的横截面形状，该中空矩形具有圆角。框架41可由与支承结构38相同的材料制成。诸如利兹线（litz wire）的磁线的线圈44定位在面向外部的槽42之内。各个线圈44可只在一个方向上缠绕。线圈44可用铜喷剂或带来覆盖，以帮助使线圈与电场绝缘。

诸如图3和图5至图11中所示的PCB天线具有超过磁线的线圈44的优势，因为它们可制造至精确的规格，而不需要与将磁线缠绕成线圈44相关的公差。然而，在图3和图4中示出的组件10的几何结构是类似的，并且下面对PCB天线的讨论也适用于线圈型天线。

在任一构造中，天线可被称为导电回路，具有在导电回路之内限定的孔（aperture）。

继续图3和图5至图11，第一天线30包绕（circumvent）第二天线32，使得天线彼此垂直。如图3和图5中所示，第一天线30与第二天线32在两个第一点46处重叠。两个第一点46由第一参考线100a连接。（图6）第一天线30所位于的平面和第二天线32所位于的平面在参考线100a处相遇。第一天线30和第二天线32由支承结构38保持，使得各个天线30和32坐置在相对于水平的平面48的45度角度处，如图3中所示。

第三天线34包绕第四天线36，使得天线34和36彼此垂直。如图6至图7中所示，第三天线34与第二天线36在两个第二点50处重叠。两个第二点50由第二参考线100b连接（图8）。第三天线34所位于的平面和第四天线36所位于的平面在参考线100b处相遇。第三天线34和第四天线36由支承结构38保持，使得各个天线34和36坐置在相对于水平的平面48的45度角度处，如图6中所示。

虽然各个天线对30、32和34、36在相对于水平面的45度角度处，但是天线布置10的平衡方面可在与水平的平面48的备选角度处起作用。优选地，给定对的各个天线相对于水平的平面48在相同的角度处。

第三天线34和第四天线36定位在第一天线30和第二天线32的内部，使得第二天线32包绕第三天线34。第一天线30和第二天线32具有比第三天线34和第四天线36更大的孔面积。如图8中所示，第一参考线100a和第二参考线100b是垂直的。如果参考线100a、100b是垂直的，并且天线布置10定向为使得第二参考线100b平行于信标长度（大致为钻柱18的定向），则第一天线30和第二天线32检测场的垂直分量、以及平行于信标24的场的分量。第三天线34和第四天线36检测场的垂直分量、以及垂直于信标24的场的分量。

附图中描述的天线布置10不同于本领域中已知的天线布置，本领域中已知的天线布置典型地由在笛卡尔对准（x、y和z）中定向的三个单独且正交的天线构成。即，三个正交天线中的各个被放置在与其他两个天线中的各个成九十度角度坐置的平面中。此类布置的各个天线检测在不同轴上的信标信号。“z”轴对应于信标信号的上下方向，并且“x”轴和“y”轴对应于信标信号的左右方向、前后方向。此类天线布置在颁发给Cole等人的美国专利号7,786,731中示出，其内容通过引用并入本文中。

此类天线布置通过在发射场中寻找“零（null）”点来检测信标24的位置。当由跟踪器12读取的唯一分量是“z”轴或垂直轴时，“零”点出现。因此，当跟踪器12在“零”点处时，检测“z”轴的天线具有信号，但检测“x”轴和“y”轴的天线没有信号。此类信号读数指示跟踪器12与钻孔路径（borepath）一致，但或者在信标24之前或者在信标24的后面。因此，“零”点出现在信标的发射场的两个位置处——一个在信标24的前面，并且一个在信标24的后面。

由于噪声始终存在于场中，可能难以使天线部件检测“x”轴和“y”轴以读取“无信号”。当试图寻找“零”点时，此困难导致差异和变化。此情形也直接地出现在信标24上方。因为难以使天线部件甚至接收到“无信号”，用户必须解释数据以寻找信标24和“零”点的位置。

在本实施例中，天线布置10通过数字地平衡由成对天线（第一天线30和第二天线32以及第三天线34和第四天线36）中的各组接收到的信号来检测地下信标24的位置。数字地平衡天线信号意味着：当给定信号完全在“零”轴中生成时，由天线生成的所有信号对处理器以及因此对用户而言读起来都是相同的。因此，在本发明的天线布置10中，在零处，其中先前的偶极场的分量仅平行于天线中的两个（并且因此理论上不可见），第三天线和第四天线将检测到相等的信号，并且第一天线和第二天线将检测到相等的信号。

在操作之前，可通过将布置10置于夹具中并驱动“零”场穿过它们来数字地平衡天线30、32、34和36。处理器将读取各个天线信号，并且创建平衡矩阵，通过该矩阵，所有未来的读数将充分倍增，以使天线信号正常化。

天线30、32、34和36并非在三个轴（x、y和z）上检测信标信号，而是各自成对地检测从信标24辐射的磁场的特定平衡。第一天线30和第二天线32沿钻孔路径检测场的向前和向后方向，并且第三天线34和第四天线36检测在天线布置10的中心点40处的场的侧对侧平衡。

如图11中所示，各个天线30、32、34、36具有不同的对应法向向量30a、32a、34a、36a。在图11中，轴30a直接地延伸离开页面。各个法向向量30a至36a垂直于其对应天线30至36的孔，并穿过共同中心点40。图12a、图12b和图12c分别从前面、左和顶部示出这些法向向量30a、32a、34a、36a，而未示出天线布置10的结构。当成对的天线正交时，如在图3、图5至图11中，各对的法向向量将是垂直的。

虽然此处示出了正交的天线对，但应理解的是，只要一对的各个天线与水平的平面48之间的角度是相等且相反的，则天线对（即，一方面为天线30、32，并且另一方面为天线34、36）的其他定向可用来平衡信号并执行本文中所公开的跟踪操作。

第一天线30与第二天线32之间和第三天线34与第四天线36之间的信号强度上的差异帮助操作者沿着钻孔路径寻找“零”点。因此，天线的对30和32以及34和36工作，以在两个维度中引导操作者28至直接地在“零”点上方的位置。

天线30、32、34和36都不直接地检测在垂直轴或“z”轴上的场。取而代之的是，信标沿“z”轴的位置通过使用由天线30、32、34和36检测到的信号进行信标24位置的数学计算来确定，天线30、32、34和36中的各个检测垂直场的分量。

在操作中，通过显示在跟踪器12的显示器31上的命令来指示跟踪器操作者28向哪个方向移动。为了开始，跟踪器操作者28将打开跟踪器12，并将其手柄保持为平行于钻柱18的方向，该方向应接近于在信标24上的发射器的中心线。

然后，显示器31将向操作者28提供移动的方向。例如，如果第一天线30具有与第二天线32不同的信号，则监视器将指导操作者28向前或向后移动跟踪器12，直到两个信号强度平衡。同样地，如果第三天线34具有与第四天线36不同的信号，则监视器将指导操作者28向右或向左移动跟踪器12，直到两个信号强度平衡。

当跟踪器12直接地定位在信标24上方时，存在类似的情形。当完美地在信标天线上方时，第二天线32与第一天线30平衡。如果操作者向前移动跟踪器12，则第二天线32将具有比第一天线30更高的信号强度，指示跟踪器应向后移动。如果跟踪器12移动到信标24的后面，则会出现相反的情况。

当跟踪器12到达“零”点时，所有四个天线30、32、34和36平衡。跟踪器12在监视器上将此类到达通知给操作者28。然后，操作者28标记所找到的第一“零”点的位置，并尝试使用相同的平衡方法寻找第二“零”点。一旦操作者28已找到两个“零”点，操作者将在零点之间走线（walk the line），直到第一天线30和第二天线32再次平衡。在此点处，跟踪器12将向操作者28指示跟踪器12直接地定位在信标24的上方。然后将计算总场（total field），以确定信标24的深度。

可使用在颁发给Cole的标题为“使用多个测量点的偶极定位器（Dipole LocatorUsing Multiple Measurement Points）”的美国专利号9,329,297中描述的数学公式和方法来计算总场，该专利的全部内容通过引用并入本文中。同样地，处理器可使用在‘297专利中描述的编码技术来解释由天线检测到的信号。

在‘297专利中描述的“z”轴场的测量不是直接地可用的，因为没有单个天线30、32、34、36像在该应用中那样接收到“z”场的所有。然而，“z”场可从运算“z”方向上的分量向量来容易地计算出。

因此，假设跟踪器12在信标24上方并且正确地定向，则天线中的各对将接收“z”场的分量。为了在Cole中公开且并入本文中的测量之目的，可使用计算出的分量计算向量之和，给出总场。

另外，幅度调制（即改变信标信号的信号强度）可用来解释由天线接收到的信号。备选地或者与幅度调制结合，相位调制也可与天线布置10一起使用来解释天线信号。

在操作中，天线30、32、34和36都不会接近噪声层（noise floor）。相反地，环境噪声存在于天线30、32、34和36中的所有中。然而，由于天线布置10聚焦于使信号平衡而不是使信号最小化，所以存在的噪声对寻找“零”点的干扰较小。

在不脱离如以下权利要求中所描述的本发明的精神和范围的情况下，可在本文中描述的各种零件、元件、步骤和程序的构造、操作和布置中做出改变。

Claims (9)

1.一种天线组件，所述天线组件具有四个导电回路，所述四个导电回路中的各个位于单个平面之内，并且具有中心，在其中，所述四个回路的所述中心重合，并且其中，所述四个回路的所述平面都不重合。

2.如权利要求1所述的天线组件，在其中，所述四个导电回路表征为第一导电回路、第二导电回路、第三导电回路和第四导电回路，并且在其中，所述第一导电回路和所述第二导电回路的所述平面是正交的。

3.如权利要求2所述的天线组件，在其中，所述第三导电回路和所述第四导电回路的所述平面是正交的。

4.一种天线组件，包括：

第一导电回路，所述第一导电回路位于第一平面中并限定第一法向向量，所述第一法向向量垂直于所述第一平面并延伸穿过所述第一导电回路的中心点；

第二导电回路，所述第二导电回路位于第二平面中并限定第二法向向量，所述第二法向向量垂直于所述第二平面并延伸穿过所述第二导电回路的中心点；

第三导电回路，所述第三导电回路位于第三平面中并限定第三法向向量，所述第三法向向量垂直于所述第三平面并延伸穿过所述第三导电回路的中心点；

第四导电回路，所述第四导电回路位于第四平面中并限定第四法向向量，所述第四法向向量垂直于所述第四平面并延伸穿过所述第四导电回路的中心点；

在其中，所述第一导电回路、所述第二导电回路、所述第三导电回路和所述第四导电回路的所述中心点是重合的；并且

在其中，所述第一法向向量、所述第二法向向量、所述第三法向向量和所述第四法向向量是不同的。

5.如权利要求4所述的天线组件，在其中，所述第一导电回路、所述第二导电回路、所述第三导电回路和所述第四导电回路中的各个支承在印刷电路板上。

6.如权利要求4所述的天线组件，在其中，所述第一导电回路、所述第二导电回路、所述第三导电回路和所述第四导电回路中的各个包括导电线的线圈。

7.如权利要求4所述的天线组件，在其中：

所述第一法向向量和所述第二法向向量是垂直的；并且

所述第三法向向量和所述第四法向向量是垂直的。

8.一种使用如权利要求4所述的天线组件的方法，包括：

在地下位置处生成偶极磁场，所述天线组件对所述偶极磁场是响应的；

在所述偶极磁场之内将所述天线组件移动到地上位置，在所述地上位置由所述第一导电回路和所述第二导电回路检测到的场强度是相等的，并且由所述第三导电回路和所述第四导电回路检测到的场强度是相等的。

9.如权利要求8所述的方法，进一步包括：

将所述天线组件移动到所述地上位置之后，在所述地上位置处检测所述偶极磁场的大小。

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