CN1304718C - 水平方向钻探机器以及地下钻孔系统 - Google Patents

Abstract

一种用于控制地下钻孔工具的系统和方法涉及使钻孔工具旋转和感应钻孔工具的旋转参数。钻孔工具沿着地下路径移动，该钻孔工具的移动参数也被感应。各种传感器监视钻孔机的活动、钻孔工具的位置、取向和环境状况、以及挖掘地点处的土壤/岩石的地球物理和/或地质状况。由这些传感器所采集的数据由钻孔机控制器进行处理，以便闭环实时控制钻孔操作。该控制器实时接收钻孔工具信号和其它传感器信号，并响应这些信号而基本实时地向各旋转和移动单元发送控制信号，以便控制钻孔工具沿着地下路径的移动速率和移动方向的其中之一或两者。

Description

水平方向钻探机器以及地下钻孔系统

技术领域

本发明总的涉及地下钻孔领域，更具体地讲，涉及一种用于实时控制地下钻孔机的操作的闭环控制系统和方法。

背景技术

用于水、电、煤、电话和有线电视的公共事业管线出于安全和美观的原因而常常铺设在地下。在众多情形中，地下公共事业管线可被埋设在沟渠中，该沟渠随后被重新铺平。虽然在新构建的地区中较为实用，但将公共事业管线埋设在沟渠中具有某些缺点。在支承现有建筑的地区中，沟渠可会严重干扰建筑物或路面。而且，挖掘一条沟渠还极可能危害先前埋设的公共事业管线，并且因挖掘沟渠而受干扰的建筑物或路面极可能几乎无法恢复到它们原有的状态。另外，敞开着的沟渠还可能伤及工作人员和过往行人。

为了克服采用传统掘沟技术所带来的上述及其它未道明的缺点，目前已开发了钻设水平地下孔的综合技术。根据该综合水平钻孔技术(也称之为微型隧道技术、水平方向钻探(HDD)技术或无沟渠地下钻孔技术)，钻孔系统位于地面上，并相对于地面以一斜角向地面中钻设一孔。钻探流体通常流过钻柱，从钻孔工具上流过并向上回流通过钻孔，以便去除切屑和碎片。在钻孔工具到达所需深度之后，该工具则对准大致水平的路径，以便形成一水平钻孔。在已获得所需长度的钻孔之后，该工具则向上对准，以便冲破地表。然后，将扩孔器安装到钻柱上，该扩孔器被回拉通过钻孔，由此将该钻孔扩大至较大的直径。通常将公共事业管线或其它管道连接在扩孔工具上，以便将其与扩孔器一起拖过钻孔。

为了提供钻孔工具的地下位置，传统的途径涉及在钻孔工具中安装一主动探针，该探针通常采用能产生磁场的磁场发生设备。通常在地面上设置一接收器，以便检测从钻孔工具发射的磁场的存在。该接收器通常安装在手持式扫描设备中，它和金属检测器无甚两样，而常常被称之为定位器。钻孔工具通常在前进通过一段钻杆的长度之后就暂时停止钻孔活动。接着，操作者用定位器扫描钻孔工具上的区域，试图检测由设置在钻孔工具中的主动探针所形成的磁场。在获取并估算钻孔工具数据期间里钻孔操作持续停止一段时间。携带定位器的操作者通常向钻孔机的操作者提供口头指令，以使钻孔工具保持在所需走向上。

要意识到的是，目前用于检测并控制钻孔工具沿着所需地下路径移动的方法较为繁琐、常常出错、且需要不断地停止钻孔操作。此外，由定位器操作者与钻孔机操作者之间走向变化指令的口头通信所引起的固有的延迟可能会危及隧道钻设精度和已钻设的隧道的安全。例如，在隧道钻设操作之前或期间常常难以检测所埋设的物体和公共事业管线的存在。总的来讲，传统的钻孔系统无法迅速地响应必需的钻孔工具的方向变化和生产力的调节，而这些在检测到所埋设的障碍物或者遇到变化的土壤状况时通常是必要的。

在传统的水平和垂直钻探系统的操作期间，熟练的操作者依赖于解读由各种井下信号传感器所采集的数据，鉴于所采集的井下数据来改变适当的控制，并通常利用口头通信协同其它操作者来安全且高效地完成所给的钻探任务。鉴于此，此类传统的钻探系统采用一种“开环”控制方案，其中涉及钻头状态的信息的通信和将此类钻头状态信息转换成钻孔机控制信号以便对钻头活动进行所需的变化需要操作者在控制环路中的几个点上存在和介入。这种在钻头系统的控制环路中对人类介入的依赖性通常会降低总的挖掘生产力，增加响应所采集的钻孔机和钻头传感器信息而使钻探系统的活动作必要变化的延迟时间，而且还增加了对操作者造成伤害的危险和操作者出错的可能性。

因此，在挖掘工业中需要一种用于比当前可得到的所给的技术状态更迅速地响应且更精确地控制地下钻孔工具和钻孔机的设备和方法。还需要一种可实用在垂直和水平钻探应用中的设备和方法。本发明即可满足这些及其它需要。

发明内容

本发明涉及用于控制地下钻孔工具的系统和方法。一种地下钻孔机控制系统接收来自设置在钻孔机、钻孔工具和任意地设置在与钻孔机位置相分离的地上地点上的诸传感器的数据。各种传感器监视钻孔机的动作、钻孔工具的位置、取向和环境状况、挖掘地点处的土壤/岩石的地球物理和/或地质状况以及其它的钻孔控制系统的活动。由这些传感器所采集的数据由钻孔机控制器处理，以便对钻孔操作进行闭环实时控制。

一般而言，钻孔系统包括用于沿地下路径的所需方向驱动钻孔工具的设备。该驱动设备可例如包括旋转单元，该单元包含有用于感应旋转单元的性能参数的旋转单元传感器。该旋转单元还包含有用于缓和旋转单元性能的旋转单元控制器。驱动设备还可包括移动单元，该单元包含有用于感应移动单元的性能参数的移动单元传感器。该移动单元还包含有用于缓和移动单元性能的移动单元控制器。钻孔工具连接在钻杆(也称之为钻柱)上。该钻杆连接在用于使钻孔工具旋转的旋转单元和用于使钻孔工具沿着地下路径移动的移动单元上。

根据本发明原理的、用于控制地下钻孔工具的一种示范系统和方法涉及使钻孔工具旋转和感应钻孔工具的旋转参数。钻孔工具还相对于钻孔机前向或反向移动，并且钻孔工具的移动参数被感应。控制器响应所测得的钻孔工具的位置和所感应到的钻孔工具的旋转和移动参数基本实时地产生控制信号。该控制信号被施加至钻孔工具的旋转和移动泵或电动机的其中之一或两者，以便控制钻孔工具沿着地下路径的移动速率和移动方向的其中之一或两者。检测钻孔工具的位置和计算控制信号最好在大约1秒钟或更短的时间内进行。

本发明一种实施例的闭环控制系统包括与钻孔工具驱动设备的旋转单元传感器和控制器以及移动单元传感器和控制器通信耦合的控制器。该控制器还与钻孔工具的诸传感器和电子元件通信耦合。该控制器基本实时接收来自井下传感器单元的诸传感器的遥测数据，并基本实时地向各旋转和移动单元控制器发送控制信号，用以响应所接收的遥测数据、控制钻孔工具沿着地下路径的移动速率和移动方向的其中之一或两者。与采集钻孔工具的位置数据和控制器接收该钻孔工具的位置数据相关的响应时间为大约1秒钟或更短时间。另外，控制器接收该数据、以及控制器向各旋转和移动单元控制器发送控制信为大约1秒钟或更短时间。

在一种实施例中，井下传感器单元包含有加速计和/或磁强计的其中之一或两者。遥测数据是电磁、光或者经由泥浆脉冲技术在井下传感器单元与控制器之间进行传输的。遥测数据可经由通过钻柱或地上跟踪单元所建立的通信链路在井下传感器单元与控制器之间进行传输的。经由钻柱所建立的通信链路可包括穿过该钻柱的电气或光纤，或者与钻柱的各个相连段成一体的导电体。跟踪单元可为一种传统设计，并且其功能等效于传统的定位器。或者，跟踪单元可具有一种更先进的设计，并可提供改进的功能(这在下文中将予以描述)。在一种实施例中，跟踪单元包括手持式或便携式收发器。

控制器以已知的初始位置、诸如钻孔工具最初穿透地表时所处的已知的进入点为基准确定钻孔工具的位置。该进入位置较佳地按照x-、y-和z-平面坐标、或者按照纬度、经度和高度进行限定。该控制器利用从井下传感器单元和/或跟踪单元所接收的钻孔工具遥测数据来确定钻孔工具的位置。根据一种实施例，控制器利用连续接近途径来确定钻孔工具的位置，其中钻孔工具的位置变化是以钻柱的移动和从井下传感器单元和/或跟踪单元所接收的遥测数据为基础的。钻孔工具的位置可根据位置(例如，x-、y-和z-平面坐标)和/或取向(例如，纵摇(pitch)(上/下)和平摇(yaw)(左/右))来进行表达。

跟踪单元可接收来自钻孔工具的电磁或声音信号。在一种实施例中，跟踪单元包括地面穿透雷达(GPR)单元。根据该实施例，钻孔工具包含有接收器和信号处理装置。钻孔工具接收接收由GPR单元所发送的探测信号，并且信号处理装置响应该探测信号产生钻孔工具信号。该实施例的钻孔信号具有在定时、频率内容、信息内容或极化的其中一个方面不同于探测信号的特性。

根据另一种实施例，跟踪单元包含有沿着地下路径设置的多个间隔设置的天线单元(cell)。其中至少一个天线单元接收钻孔工具信号，并将所接收的钻孔工具信号传输至其它天线单元以供控制器所接收。在另一种实施例中，跟踪单元包括用于检测钻孔工具信号、并将所测得的信号发送至控制器的手持式或便携式收发器。

钻孔系统还可包含有使控制器与井下传感器单元相耦合的界面。该界面可人工或自动构成，以便适应各自具有不同特性界面需求的多种不同的井下传感器单元。

旋转单元可包含有旋转泵或旋转电动机，移动单元可包含有移动泵或移动电动机。旋转单元可由机械、流体静压、液压或电气旋转单元的其中一种所构成，移动单元则可由机械、流体静压、液压或电气移动单元的其中一种所构成。旋转单元和移动单元传感器可各自包括压力传感器和/或速度传感器。

钻孔系统还可包含有旋转单元振动传感器和移动单元振动传感器。也可在钻孔系统的底盘或其它结构上安装一个或多个振动传感器，以便在钻孔操作期间检测钻孔系统底盘的位移或旋转、或者底盘高幅振动。控制器基本实时接收来自旋转和移动单元振动传感器和底盘振动传感器的信号，并响应从振动传感器所接收的信号进一步改变钻孔工具沿着地下路径的移动速率和移动方向的其中之一或两者。

钻孔工具还可包含有用于使钻孔工具对准所需方向的操纵机构。控制器控制该操纵机构，以便改变钻孔工具沿着地下路径的移动速率和移动方向的其中之一或两者。该操纵机构可包含有可调板状件、可调切割头、可调切割表面或者位于钻孔工具内部的活动块(mass)的其中一个或多个。该操纵机构还可包含有一个或多个可调流体喷射器。钻孔工具还可包含有一个或多个切割头，它们各自具有用于表示切割头的磨损状况的磨损传感器。

在钻孔工具内或者钻孔工具外部可配置有用于感应沿着地下路径的土壤/岩石的一个或多个地球物理特性的一个或多个地球物理传感器。控制可响应从地球物理传感器速接收的信号进一步改变钻孔工具沿着地下路径的移动速率或移动方向的其中之一或两者。雷达单元和/或其它地球物理传感器可设置在钻孔工具内或贴近其设置，或者设置在地上系统中，用以检测人造和地球物理结构，并表示挖掘地点处的地质特征。钻孔系统还可包含有用于用图像来显示钻孔工具的位置、取向、地下路径、地下结构或者钻孔工具沿着地下路径的移动的其中一个或多个的显示器。例如，可用图形在显示器上绘制出地下危险和公共事业管线。该显示器可设置在钻孔机上、便携式跟踪单元上、或者两者之上。

在挖掘期间可对诸如泥浆和水混合物之类的流体对钻孔工具的输送进行控制。可对诸如输送钻孔工具的流体体积和流体压力和温度之类的各种流体输送参数进行控制。可在钻孔活动期间选择、监视并调节输送至钻孔工具的流体的粘度以及流体的成分。所作的调节可被构成为地球物理信息、岩石或土壤类型、转矩、回拉或推进力等的函数。

操作者可利用一种便携式遥控单元从远离钻孔机的一个地点来控制钻孔机的活动。该遥控单元可直接向钻孔机或者设置在钻孔工具内的井下电子设备发出钻孔和操纵指令。使钻孔机的运行发生变化的控制信号可由遥控单元、井下电子设备、钻孔机的控制器或者通过遥控单元、井下电子设备和钻孔机控制器的其中两者或多者之间的协作所形成的。

上述本发明的概述并未描述出本发明的各种实施例或者全部实施方式。通过结合附图参阅下列详细描述和权利要求将会对本发明的优点和造诣一目了然，并能更彻底地理解本发明。

附图说明

图1是本发明一实施例的一种地下钻孔设备的侧视图；

图2示出了根据本发明的原理的、包括在钻孔机与钻孔工具之间所限定的第一控制环路和可选用的第二控制环路的一种闭环控制系统；

图3A-3E示出了与本发明实时闭环控制系统的各种不同实施例相关的各种处理步骤；

图4是本发明一实施例的、用于实时控制钻孔操作的一种钻孔系统的各种构件的框图；

图5是本发明一实施例的、用于实时控制钻孔机和钻孔工具的操作的一种系统的框图；

图6是示出了本发明一实施例的、可由控制器访问、用以创建钻孔计划、存储并修改该钻孔计划以及在钻孔操作期间访问该钻孔计划的一种钻孔计划软件和数据库设备的框图；

图7是本发明一实施例的、与中央处理器和多个泵/装置相耦合、协同工作以便响应从中央处理器所接收的控制信号来改变钻孔机的操作的一种机器控制器的框图；

图8是本发明一实施例的、用于控制地下钻孔工具的旋转、位移和方向的一种控制系统的详细框图；

图9示出了包含有可采用鸭嘴或可调板或者其它可自钻孔工具的本体延伸的部件的形式的可调操纵板的一种钻孔工具的实施例；

图10示出了包含有两个流体喷射器的一种钻孔工具的实施例，每个流体喷射器可根据喷嘴喷射方向、喷口尺寸、流体输送压力和流体流率/体积方向进行控制；

图11示出了本发明一实施例的、包含有可根据相对于钻孔工具壳体表面的移动高度和/或角度进行调节、以便提高钻孔工具的生产力、操纵性或改进切割头的耐磨特性的两个可调切割头的一种钻孔工具；

图12示出了本发明一实施例的、包含有位于切割头中不同高度上、用于感应切割头的磨损状况的一个或多个一体式磨损传感器的一种钻孔工具的切割头；

图13是本发明一实施例的、用于在钻探操作期间控制输送到钻孔工具的流体的输送、成分和粘度的一种控制系统的详细框图；

图14是本发明一实施例的、用于控制钻孔机操作的一种控制系统的更详细的框图；

图15A示出了本发明一实施例的、包含有用于从距离钻孔机的一远距离位置来控制钻孔机活动的便携式遥控单元的一种钻孔系统结构；

图15B示出了包含有本发明另一种实施例的、包含有用于从距离钻孔机的一远距离位置来控制钻孔机活动的便携式遥控单元的一种钻孔系统结构；

图16示出了本发明一实施例的、用于从距离钻孔机的一远距离位置来控制钻孔机活动的一种便携式遥控单元；

图17示出了本发明一实施例的、用于操纵钻孔工具的两种模式；

图18是本发明一实施例的两个钻杆部分的纵剖图，这两个部分机械耦合，以便在两者之间建立通信链路；以及

图19示出了本发明一实施例的、采用通过使用雷达探测和检测技术来确定钻孔工具的位置和取向的设备的一种定位/跟踪单元。

当然本发明可被修改成多种变化型式和可供选择的形式，其细节已以举例的方式示出在附图中，并将在下文中予以描述。然而，要理解的是，本发明并不受所述具体实施例的限制。相反，本发明涵盖落在由附加的权利要求所限定的本发明内的所有变化、等效物和可供选择的形式。

具体实施方式

在图示实施例的下列描述中参照了构成其一部分的附图，图中仅仅以示例的方式示出了实施例，本发明可由多种实施例进行实施。要理解的是，还可采用其它实施例，在不脱离本发明范围的前提下，其结构和功能均可有所变化。

现在请参阅附图，尤其请参阅图1，图中示出了装有用于根据本发明原理来实时控制钻孔机和地下钻孔工具的闭环系统和方法的地下钻孔系统的一种实施例。钻探操作期间钻孔机和钻孔工具前进的实时控制提供了以往采用传统的钻孔控制系统途径所无法实现的多项优点。钻孔工具的位置被连续监视，并且钻孔工具的位置信息被发送至钻孔机内的计算机或处理器。

钻孔工具配备有容纳着多个传感器、相关电路和较佳地一蓄电池单元的井下电子单元。该钻孔工具设有产生利用地上跟踪单元或接收器可检测到的电磁信号的信标(beacon)或探针(sonde)。设置在井下电子单元以及钻孔工具的其它地方中的各种传感器产生可传输至跟踪单元作为由探针所发出的调制钻孔工具信号的输出信号。或者，钻孔工具的传感器的数据可经由钻探通信链路传输至钻孔机，倘若需要的话，可经由有线或无线通信链路从钻孔机传输至跟踪单元。

在一种实施例中，钻孔工具设有用于感应接近钻孔工具的磁场中的变化的磁场传感器。钻孔工具还可装有敏感于诸如由跟踪单元或钻孔路径目标在地上产生的电磁信号的天线。磁场传感器可装入在磁强计、可为多轴(例如，三轴)磁强计中。接近钻孔工具的本地磁场中的此类变化通常是因该土地存在附近的含铁物质所引起的，也可因附近的通有电流的地下导体所引起。土地中的铁基金属例如可具有使挖掘区域中的土地的磁场变形的显著的磁渗透性。取决于具体的操作模式，倘若未被检测到的话，则此类含铁物质可产生不理想的剩余磁场，该磁场会消极地影响所给测量的精度。

钻孔工具的磁强计感应电路可敏感于AC和DC场。例如，敏感于DC场的磁强计感应电路可用于检测通常因土地中存在含铁物质所引起的土地磁场中的变化。敏感于AC场的磁强计感应电路可用于检测附近的公共事业管线。

钻孔工具还可包含有多轴加速计、诸如三轴加速计。可在钻孔工具内或其附近实施的各种传感器和设备布局的例子在美国专利号5,767,678；5,764,062；5,698,981；5,633,598；5,469,155；5,337,002；和4,907,658中有所描述，在此整个地援引这些专利以供参考。

钻孔工具还可配备有车载(on-board)雷达单元，诸如地面穿透雷达(GPR)单元。该钻孔工具还可包含有一个或多个地球物理传感器，包括例如电容传感器、剩余传感器、超声波传感器、地震传感器、电阻传感器和电磁传感器。一种可装入到尺寸各异的钻孔工具的壳体中的目前使用的GPR系统被实现在集成电路组件中。使用井下GPR系统可用于检测埋设在附近的障碍物和公共事业管线，并用于表示本地地质的特征。部分或所有的GPR数据可由设置在钻孔工具中的信号处理器、或者由诸如设置在手持式或其它的便携式跟踪单元中的信号处理器或者设置在钻孔机上的信号处理器之类的地上信号处理器/与其相结合来进行处理。GPR单元或者可设置在手持式/便携式跟踪单元内、或者同时设置在钻孔工具和手持式/便携式跟踪单元内。

例如，地面穿透雷达集成电路(IC)或芯片可用作为井下电子设备的一部分。GP雷达IC可用于执行例如地下勘测、物体检测和回避、地质成像以及地质特征。该GP雷达IC可实现若干不同的检测方法，下文中将描述其中几种。一种合适的GP雷达IC由Lawrence Livermore国家实验室(NationalLaboratory)所制造，并被标识为微功率推动雷达(MIR)。该MIR装置系一种使用传统电子元件的芯片上的低成本雷达系统。雷达发送器和接收器容纳在近似地测量两平方英寸的组件中。微型雷达料想能进一步减小微型硅片的尺寸。其它合适的雷达IC和检测方法在美国专利号5,805,110；5,774,091和5,757,320中有所描述，在此整个地援引这些专利以供参考。

微处理器可设置成井下电子设备的一部分。微处理器表现为能调整各种井下电子装置和设备的活动、并可用于处理在钻孔工具上所采集的信号和数据的电路或装置。要理解的是，微处理器可构成或装有微型控制器、数字信号处理器(DSP)、模拟信号处理器或者其它类型的数据或信号处理装置。此外，微处理器可被构成为用于根据所给系统结构或应用来执行基本的、中度复杂或高度复杂的任务。例如，较复杂的系统结构可涉及由加速计、磁强计、GP雷达IC以及/或者设置在钻孔工具上的地球物理和环境传感器中的一个或多个所采集的传感器数据的本地信号处理。

另一种相对较复杂的钻孔工具系统配置可涉及各种井下传感器数据的采集、控制钻孔操作的控制信号的产生、以及装载到由井下微处理器所访问的存储器中的原定钻孔计划与由车载井下传感器所指示的实际钻孔路径之间的比较。该微处理器还可装有信号处理装置或者以其它方式与该信号处理装置相协作，以便处理由GP雷达IC所采集的GPR数据和由地球物理/环境传感器所采集的其它数据。经处理的GPR和地球物理/环境数据可发送至地上显示单元以供操作者评价之用。

在一种实施例中，便携式跟踪单元包括地面穿透雷达(GPR)单元。根据该实施例，钻孔工具包含有接收器和信号处理装置。钻孔工具接收器接收由GPR单元所发送的探测信号，而信号处理装置则响应该探测信号产生钻孔工具信号。该实施例的钻孔信号具有在定时、频率内容、信息内容或极化的其中一个方面不同于探测信号的特性。设置在跟踪单元上的探测信号发送器与设置钻孔工具上的标记(signature)信号发生装置之间的协作能使钻孔工具的位置以及取向(如果需要的话)得以精确地检测，尽管存在着较大的背景信号。GPR单元还能实现传统地下成像技术，用以检测钻孔工具和所埋设的障碍物。用于确定钻孔工具的位置和/或取向、并且用于利用地面传统雷达途径来表示地下地质的特征的各种技术在共同转让的美国专利号5,720,345和5,904,210中有所描述，在此整个地援引这些专利以供参考。

一种用于检测地下物体并确定该地下物体的范围的示范途径涉及使用与天线相耦合的、用于以多个中央频率间隔或步幅来发送频率调制探测信号的发送器。当以单基地(monostatic)模式操作时与天线相耦合、或者当以双基地(bistatic)模式操作时与分离的天线相耦合的接收器接收因探测信号而从目标物体发送的返回信号。与该物体相对应的幅度和脉冲信号被以中央频率步幅测量和存储在存储器中。利用存储在存储器中的幅度和脉冲信号来确定该物体的范围。这种掠过步进(swept-step)雷达技术可用于高分辨率探测和小范围应用场合中的物体检测，尤其适用于对地球物理表面和地下结构进行高分辨率的探测。设置成为地上跟踪单元或就地钻孔工具的一部分的雷达单元可实现如美国专利号5,867,117中所述的掠过步进检测方法，在此整个地援引该专利以供参考。

气体检测器也可安装在钻孔工具壳体和/或连接在钻柱上、随后挖掘钻孔的倒扩孔器上或之中。该气体检测器可用于检测包括甲烷和天然气源在内的各种类型的潜在的有害气源的存在。当检测到此类气体时，可停止钻探，以便进一步评估潜在的危险。检测到的气体的位置可被标识并存储，以便确保正确地绘制出该潜在的危险位置，随后避开。

钻孔工具的井下传感器单元还可包含有用于感应钻孔工具壳体内的周围温度和/或井下传感器及相关电路的一个或多个温度传感器。使用若干温度传感器可用于计算平均周围温度和/或平均传感器温度。利用温度传感器所采集的温度数据可用于与影响所给井下传感器的精度偏离相关的温度补偿。检测温度中的明显变化、诸如钻孔工具温度的明显上升可导致从各种井下传感器数据中所获得的数据的采样/采集率增加，以便更好地表示特征并进行与影响所采集的数据相关的温度补偿。

由各种井下传感器、GPR单元及其它地球物理传感器(倘若可适用的话)所采集的数据被发送至位于钻孔机处的控制器，该控制器在本文中也可被称之为中央处理器。该中央处理器可被实施为位于钻孔机处的单个处理器或者多个处理器。或者，中央处理器也可远离钻孔系统位于诸如远距离设置的中央处理位置或多个远距离处理位置上。在一种实施例中，人造卫星、微波或其它方式的高速通讯可用于在远距离设置的中央处理器与实时钻孔控制系统的钻孔机/钻孔工具的诸元件之间发送传感器数据、控制信号及其它信息。

中央处理器处理在钻探操作期间所接收的钻孔工具遥测/GPR/地球物理传感器数据和与钻孔机活动相关的数据，诸如涉及泵压、电动机转速、泵/电动机振动、发动机输出等的数据。在某些实施例中，本发明的实时控制方法可不再需要定位器操作者，而在另一种实施例中则可为钻孔系统的下区操作者提供经由手持式或其它方式的移动遥控设备的状态信号和全体或部分控制能力。

利用各种传感器数据、较佳地利用代表原定钻孔路径的数据，中央处理器实时计算出任何所需的钻孔工具走向变化和钻孔机操作变化，以使钻孔工具保持在原定钻孔路径上，并且保持在钻孔工具的生产力大小的最佳水平处。中央处理器还可根据包括在钻孔操作之前或期间在钻探地点处所采集的地球物理数据、诸如最大曲率半径和应力/应变数据在内的钻柱/钻头/安装产品数据、以及诸如通过利用精细或地上GPR单元或地球物理传感器所获得的、在钻孔操作期间所测得的所埋设的障碍物(例如，公共事业管线)的位置和/或类型以及地质在内的各种其它类型的所采集的数据的基础上对钻孔操作进行粗调或精调。

在检测到所埋设的障碍物或不理想的土壤/岩石状况(例如，硬石或软石)的情况下，中央处理器可通过重新计算有效的另一种可供选择的钻孔计划来进行实际钻孔工具挖掘走向中的“飞速(on-the-fly)”偏离。实际钻孔工具航向中的飞速偏离也可由操作者直接进行。响应该偏离，中央处理器计算出可较佳地安全旁路掉此类障碍物/土壤状况、同时又尽可能近地通过为原始原定钻孔路径所建立的目标的另一种可供选择的钻孔计划。任何此类走向偏离可从视觉或听觉上传达给操作者，并被记录成为“竣工(as-built)”钻孔路径数据组的一部分。倘若由于操作或安全限制的原因(例如，最大钻柱曲率半径将过大，或者距离所测得的被埋设的公共事业管线的间隙小于预先设立的最小间隙范围)而无法计算可接受的可供选择的钻孔计划，则使钻探操作停止，并向操作者传达适当的警告信号。

通过控制在挖掘期间向钻孔工具输送诸如泥浆和水混合物或者空气和泡沫混合物之类的流体可进一步提高钻孔生产力。中央处理器通常与机器控制器相协作来控制各种流体输送参数，诸如输送到钻孔工具的流体体积和流体压力及温度。中央处理器还可监视和调节输送到钻孔工具的流体粘度及流体成分。例如，中央处理器可通过控制添加到流体中的固体或浆状物的类型和数量来改变流体成分。输送到钻孔工具的流体的成分可在经受钻孔的土壤/岩石成分的基础上进行选择，并响应所给钻孔地点处遇到不同的土壤/岩石类型来适应性改变。另外，流体的成分还可根据钻柱的转矩或推进/回拉力来进行选择。

中央处理器通过根据土壤/岩石类型和钻孔工具操纵性/生产力需求来控制钻孔工具的结构可进一步提高钻孔生产力。可控制诸如可控板、鸭嘴板(duckbill)、切割头、流体喷射器以及钻孔工具的其它土地啮合/穿透部分之类的钻孔工具的一个或多个致动件可改进钻孔工具的操纵和切割特性。在采用铰接钻头的实施例中，中央处理器可诸如通过向控制钻头旋转以及/或者切割头的速度的步进电动机传输控制信号改变钻头位置，以便改进铰接钻头的操纵和切割特性。输送给流体锤型钻孔工具(当钻探通过岩石时尤其有用)的流体的压力和体积可由中央处理器来改变。中央处理器确保为改变钻孔工具的操纵和切割特性所作的改变不会导致危及钻柱、钻孔工具、安装产品或钻孔机的性能极限。

一种适应性操作操纵模式可主动监视钻孔工具在经受钻探的土壤/岩石中的可操纵性。可操纵性因素是钻头在具体的土壤/岩石成分中如何迅速地改变操纵的标志，并可按照当钻头纵向移动时纵摇或平摇的变化率来表达。倘若土壤/岩石的可操纵因素表明实际钻柱曲率将要比原定曲率平坦，则中央处理器可修改原定钻孔路径，以使更理想的钻孔路径紧随其后，同时确保钻头钻过关键的地下目标。可操纵性因素可在钻孔操作期间动态确定并估算。

由此可在所给的钻探操作期间采集过去的和当前的可操纵性因素数据，并用于判断是否应当修改所给的钻孔路径。倘若需要或者必要的话，可利用过去的和当前的可操纵性因素数据来计算出新的钻孔路径。适应性操纵模式也可考虑诸如公共事业管线/障碍物的位置、公共事业管线和障碍物周围的理想安全间隙、允许的钻柱和产品的曲率半径、以及当修改原定钻孔路径时的最小地面覆盖范围和最大允许深度之类的因素。

本发明的另一种实施例为操作者提供了利用遥控设备来控制钻孔系统的所有或部分功能的能力。根据该实施例，操作者利用便携式控制单元来启动钻孔机和钻孔工具指令。钻孔机/工具的状态信息被采集和显示在设置在便携式控制单元上的图形显示器上。该便携式控制单元也可具体表现为钻头定位接收器和/或向钻孔机接收器/显示器发送数据的无线电发射器。如将要详细描述的那样，可在便携式控制单元、钻孔工具电子组件和钻孔机控制器中建立不同程度的功能，以便由这些元件分别提供不同程度的控制。

例如，一种系统实施例采用位于钻孔工具中的传统的探针型发送器和采用用于定位钻孔工具的传统方法的遥控单元。全球定位系统(GPS)单元或激光单元也可装入到遥控单元内，以便将实际与预定的钻孔工具/操作者位置之间作比较。利用适用传统定位技术所采集的位置信息，操作者可利用遥控单元来向钻孔机发送控制和操纵信号，以便对钻孔工具的生产力和操纵作所需的改变。再例如，钻孔工具可配备有相对复杂的井下传感器单元和本地控制和数据处理能力。根据这种系统结构，遥控单元向钻孔工具而不是钻孔机发送控制和/或操纵信号，以便控制钻探生产力和方向。

位于钻孔工具上的井下传感器单元可响应从遥控单元所接受的数据和信号产生各种控制信号。这些控制信号被发送至钻孔机，以使钻孔机/钻孔工具的操作进行必要的变化。要意识到的是，利用本文中所述的各种硬件、软件、传感器和机器元件可实现大量的钻孔机系统结构。建立在各系统元件中的复杂和功能度可与各种各样的挖掘和地质勘测的需要相适应。

现在请参阅图1，图1示出了进行钻孔操作的地面10的一部分的剖视图。总的示出为机器12的地下钻孔系统位于地上11，它包括一平台14，倾斜的纵向件16位于该平台上。平台14藉由销钉18或其它限制件固定在地面上，以便防止平台14在钻孔操作期间移动。位于纵向件16上的是用于将钻柱22沿总的由箭头所示的前进纵向方向驱动的推进/回拉泵17。钻柱22由端对端连接的多个钻柱件23所组成。同样位于倾斜的纵向件16上的、且被安装成可沿着该纵向件16移动的是用于使钻柱22旋转的旋转电动机或泵19(示出在介于上位19a与下位19b之间的中间位置上)。在操作中，旋转电动机19使钻柱22旋转，在该钻柱22的末端上连接有钻孔工具24。

典型的钻孔操作发生如下。旋转电动机19被最初定位在上位19a上，并使钻柱22旋转。当钻孔工具24旋转时，旋转电动机19和钻柱22由推进/回拉泵17沿前进方向朝着下位推入到地面中，由此形成钻孔26。当钻柱22被推入到钻孔26中一个钻柱件23的长度时，旋转电动机19到达下位19b。接着向钻柱22人工或自动增加一个新的钻柱件23，并且该旋转电动机19被释放并拉回到上位19a。旋转电动机19用于将该新的钻柱件23拧入到钻柱22上，并重复上述旋转/推压过程，以便将重新加长的钻柱22进一步压入到地面中，从而延伸钻孔26。一般，水或其它流体藉由泥浆或水泵被泵送通过钻柱22。倘若使用气锤，则空气压缩机用于将空气/泡沫推压通过钻柱22。水/泥浆或者空气/泡沫向上回流通过钻孔26，以便去除切屑、碎石及其它碎片。通常提供一种方向控制能力以控制钻孔工具24的方向，从而使由此行程的钻孔26成为所需的方向。

根据一种实施例，钻孔工具24的井下传感器单元通过使用经由钻柱22所建立的通信链路与钻孔机12的中央处理器25通信耦合。该通信链路可为沿着钻柱22的长度在该钻柱中延伸的同轴电缆、光纤或某些其它合适的数据传输媒介。通信链路或者可利用用于红外线或微波通信的自由空间链路、或者位于钻柱22外部的声音遥测手段来建立。介于钻孔工具24与中央处理器25之间的信息通信也可利用已有技术中已知的泥浆脉冲技术来建立。

根据另一种实施例，经由钻柱建立在钻孔工具与中央处理器之间的通信链路包括与钻柱的各相连的钻杆成一体的导电体。图18以388总的示出了在机械连接点359″处机械连接的钻杆340和340’的部分的纵剖图。钻杆340和340’分别具有外表面408和410以及分别限定中空通道390和392的内表面。第一钻杆340包含有被封装在电绝缘材料中的一段导电体394。同样，第二钻杆340’也包含有被封装在电绝缘材料中的一段导电体396。第一钻杆340具有置于其一端的导电环398。邻接该导电环398，第一钻杆340还具有绝缘(不导电)环404。第二钻杆340’也具有导电环400和邻接该导电环400设置的绝缘环406。

当第二钻杆340’与第一钻杆340机械连接于机械连接点359″时，在两个导电环398与400之间形成一电接触点402。由于第二钻杆340’与第一钻杆340相连接，因而导电环398与置于中空通道390内的导电体段394形成电接触。同样，导电环400与导电体段396形成电接触。因此，通过导电耦合点402和机械连接点359″在新增的第二钻杆340’与由钻杆340、起动器杆(未图示)和钻头(未图示)所形成的钻柱328的部分之间形成连续的电连接。

电绝缘环404和406分别使导电环398和400相应地与钻杆340和340’的外表面408和410电绝缘。封装导电体394、396的电绝缘材料分别使导电体段394、396与外表面408和410电绝缘。关于利用一体的电钻杆件来进行钻孔工具与钻孔机之间的数据通信的其它实施例在与本申请同时提交、且被标识为案卷(Attorney Docket)号10646.247-US-01的题为“用于在方向钻探设备中提供功率和信号的电发送的设备和方法”的共同拥有的美国申请号09/XXX,XXX中有所揭示，在此整个地援引该申请以供参考。

根据本发明的另一种实施例，并再一次参阅图1，跟踪单元28可用于接收自钻孔工具24发送的信息信号，接着将该信息信号或该信号的变化形式传输至位于钻孔机12中的接收器。钻孔机12还包含有用于将诸如指令信号之类的信息信号从钻孔机12发送至跟踪单元28的发送器或收发器。响应所接收的信息信号，跟踪单元28可执行所需的功能，诸如将数据或指令发送至钻孔工具24，以便上行传输来自钻孔工具24的诊断或传感器数据、或者调节钻孔工具24的可控特征(例如，流体喷射口的结构/喷射方向或者切削头的结构/取向)。要理解的是，此类数据和指令的发送或者可通过利用经由钻柱22建立在钻孔工具24与中央处理器25之间的通信链路来建立。

根据另一种实施例，跟踪单元28可另外采用用于发送目标信号的信号源的形式。该跟踪单元28可定位在钻孔工具打算要经过或到达的一所需的位置上。钻孔工具可在跟踪单元28的下方通过，或者穿透贴近跟踪单元28的地面。跟踪单元28可发出可由设置在钻孔工具24中、或者贴近其设置在一适当的传感器、诸如磁强计所感应到的电磁信号。中央处理器与钻孔工具24的目标信号传感器通力协作，以便将钻孔工具24朝着跟踪单元28引导。

在一种结构中，跟踪单元28可装入在可由操作者携带或者易于移动的一便携式单元内。操作者可通过将该便携式跟踪单元28移动至所需的地上位置来建立目标位置。中央处理器响应自钻孔工具24接收的感应信号来控制钻孔机，以便将钻孔工具24沿着目标信号源的方向引导。或者，可通过中央处理器或者遥控单元在钻孔机处或者自钻孔机远距离地向操作者提供操纵方向信息，以使操作者作出操纵/控制的决定。

图2示出了本发明的一个重要方面。具体地讲，图2描绘了构成在钻孔机12与钻孔工具24之间的闭环控制系统的多种实施例。根据一种实施例，钻孔机12与钻孔工具24之间的信息通信经由钻柱来建立。控制环路L_A示出了通过本发明第一实施例的闭环钻孔控制系统的总的信息流。设置在钻孔工具24内的井下传感器单元27提供位置和取向数据。所采集的数据可在井下传感器单元27内进行本地处理。在钻孔工具24处采集的数据作为信息信号被沿着第一环路段L_A-1发送，并由钻孔机12所接收。所接收的信息信号由通常设置在钻孔机12的控制单元32中的中央处理器25来处理。改变钻孔工具24的方向和生产力的控制信号可由钻孔机12或者井下传感器单元27所产生。

响应被处理的信息信号，钻孔机12进行所需的调节，以便改变或者维持钻孔工具24的活动，诸如调节至沿着控制环路L_A的第二环路段L_A-2。要注意的是，第一环路段L_A-1一般涉及电、电磁、光、声音或泥浆脉冲信号的通信，而第二环路段L_A-2则一般涉及机械/液压力的通信。要注意的是，第二环路段L_A-2也可涉及电、电磁或光信号的通信，以便建立从中央处理器25到钻孔工具24的导航组件27的数据和/或指令的通信。

根据第二实施例，闭环控制系统形成在钻孔机12、钻孔工具24与跟踪单元28之间。控制环路L_B示出了通过本发明该实施例的闭环钻孔控制系统的总的信息流。钻孔工具24沿着第一环路段L_B-1发送一信息信号，该信号由跟踪单元28所接收。响应所接收的信息信号，跟踪单元28沿着第二环路段L_B-2发送一信息信号，该信号由中央处理器25所接收。所接收的信息信号由钻孔机12的中央处理器25来处理。响应被处理的信息信号，钻孔机12进行所需的调节，以便改变或者维持钻孔工具24的活动，诸如调节至沿着控制环路L_B的第三环路段L_B-3。要注意的是，第一和第二环路段L_B-1和L_B-2一般涉及电、电磁、光或声音信号的通信，而第三环路段L_B-3则一般涉及机械/液压力的通信。还要注意的是，第三环路段L_B-3也可涉及电、电磁或光信号的通信，以便建立从中央处理器25到钻孔工具24的导航组件27的数据和/或指令的通信。

根据另一种实施例，控制环路L_B可用于可由钻孔机12或钻孔工具24的导航电子设备27所接收的、跟踪单元28处的控制/操纵信号的初始化。要意识到的是，钻孔控制系统的诸元件、各种控制、操纵及目标信号的发生和处理、以及通过诸元件的信息流均可被选择和改变以针对各种各样的系统和应用需求。同样，要理解的是，图2及其它附图中所示的控制环路用于示出具体的闭环控制方法，但这并不能被看作为限制实施例。例如，图15A和15B示出了通过各种系统元件的闭环控制系统路径的其它结构，这在下文中将具体介绍。

根据本发明原理的控制系统和方法用于对钻孔工具的位置、取向以及可包括地球物理数据在内的实际环境信息(例如，温度、应力/压力、运行状况)进行实时采集和处理。由中央处理器25对这些信息进行实时采集和处理用于对钻孔工具24和钻孔机12进行实时控制。例如，中央处理器25在检测到未知的障碍物时经由图2中所示的闭环控制环路L_A或L_B或者其它控制环路来几乎瞬时改变或停止钻孔工具前进，而不会经历与人为的观察和决定的作出相关的延迟。

要确信的是，与构成在钻孔机12与钻孔工具24之间的控制环路的钻孔工具信号信息的采集和处理相关的延迟时间是毫秒级的。在某些应用场合中，该延迟时间可超过一秒钟，但一般少于两到三秒钟。通过采用更快的数据通信和处理硬件、协议和软件可缩短此类被延长的延迟时间。在某些采用地上接收器/发送器单元的系统结构中，使用中继器(repeater)可显著地减小与采集和处理涉及钻孔工具24的位置和活动的信息相关的延迟。还可沿着通过钻柱建立的通信链路采用中继器。

除了在定量(quantitative)情况中所表达的术语“实时”的上述特征之外，术语“实时”的特征还在于，当施加在闭环钻孔控制系统上时，使具体的钻孔机或钻孔工具的操作的某些给定应用场合的动力学特性、诸如钻孔工具的位移速率、旋转速率以及航向(heading)安全地发生所需变化所必需的最大持续时间。例如，要操纵一个以较高的位移速率移动的钻孔工具以避免地下不测与操纵一个以较低的位移速率移动的钻孔工具以避免相同不测相比，需要更快的控制系统响应时间。例如，两、三或四秒钟的延迟时间在低位移速率情况中可被接受，但在高位移速率情况中也可能会不能接受。

在图2中所示的控制环路结构的情况中，要确信的是，与沿着环路L_A的环路段L_A-1或者沿着环路L_B的环路段L_B-1和L_B-2通信的钻孔工具信号信息的采集和处理、以及随后由钻孔机12的中央处理器25产生适当的钻孔机/工具控制信号相关的延迟是毫秒级的，并且取决于所给的系统配置可为微秒级。可意识到的是，钻孔工具24对所产生的钻孔机控制信号(即，环路段L_A-2或L_B-3)的响应很大程度上取决于所采用的钻孔机和工具的类型、土壤/岩石条件、泥浆/水/泡沫/空气流率和压力、钻柱的长度以及包含在钻孔工具24的受控旋转和位移中的各种泵和其它结构的操作特性，所有的这些均可被看作为累积机械延迟时间。虽然这些累积机械延迟时间通常会显著变化，但对于一种典型的钻探系统结构和钻杆长度的机械延迟时间通常是若干秒钟级的，诸如大约两至四秒钟。

请参阅图3A-3E，图中示出了本发明用于控制钻孔操作的五种不同的控制系统的方法。关于图3A中所示的实施例，诸如通过使用GPS或GRS技术相对于一基准来确定钻孔工具进入地表的进入位置550。通过向钻孔工具/钻柱增加若干钻杆将钻孔工具推入到地面中。将钻孔工具推离钻孔机一段足以防止由钻孔机所形成的磁场干扰贴近钻孔工具的地层磁场、或者干扰设置在钻孔工具内的磁场传感器的距离。接着，诸如通过使用一种步行(walkover)装置稳定并初始化钻孔工具的航向552。

从钻孔工具的井下传感器采集传感器数据。倘若要用的话，还可采集任何可适用的井上传感器数据556。此类井上传感器数据可包括例如钻杆位移数据。还可采集表示钻孔工具处的环境状况(例如，压力、温度等)的传感器数据和涉及挖掘地点处的地质情况的地球物理传感器数据、诸如地下结构、障碍物以及地质变化等558。还要采集涉及钻孔机的操作的数据560。然后，在钻孔工具航向数据和钻杆位移数据的基础上计算出钻孔工具的位置562。

关于图3B中所示的实施例，确定进入位置570，且稳定并初始化钻孔工具的航向572。根据该实施例，从井下传感器采集诸如纵摇、平摇和横摇(roll)之类的钻孔工具取向数据574。采集任何可适用的井上传感器数据576，同样可采集任何要用的环境和地球物理传感器数据578。还要采集涉及钻孔机的操作的数据580。然后，在钻孔工具航向数据和钻杆位移数据的基础上计算出钻孔工具的位置562。

关于图3C中所示的实施例，确定进入位置600，且稳定并初始化钻孔工具的航向602。根据该实施例，采集表示钻孔工具的取向或位置中的变化的数据604。例如，井下传感器可感应钻孔工具的取向在纵摇、平摇和横摇中的变化。该取向变化数据可被发送以作地上处理。还可采集可适用的井上传感器数据606、环境/地球物理传感器数据608和钻孔机操作数据610。然后，在钻孔工具航向数据的变化和钻杆位移数据的基础上计算出钻孔工具的位置612。

关于图3D中所示的实施例，确定进入位置620，且稳定并初始化钻孔工具的航向622。根据该实施例，采集表示钻孔工具的位置的数据624，并计算出钻孔工具的井下位置，该位置被发送以作地上处理。还可采集可适用的井上传感器数据626、环境/地球物理传感器数据628和钻孔机操作数据630。通过在诸如钻杆位移数据之类所有的相关采集数据的基础上重新计算出钻孔工具的位置也可在地上改进所计算出的钻孔工具的井下位置。

图3E示出了用于根据连续近似途径来控制钻孔机和钻孔工具的活动的一种钻孔控制系统方法的实施例。关于图3E所示的实施例，请继续参阅图2，诸如通过使用GPS或地理基准系统(GRS)设备相对于一预定的基准来确定诸如钻孔进入点之类的钻孔的起始位置。通过采用已知技术、诸如通过监视在钻孔操作期间向钻柱增加的长度已知的钻杆的数量、或者通过监视被推入到地面中的钻杆的累积长度来实时计算并采集钻孔工具24的位移41。在钻孔操作期间从设置在钻孔工具24上的井下传感器单元27中的各种传感器中实时采集钻孔工具传感器数据。此类传感器通常包括一三元组或三轴加速计、一三轴磁强计和多个环境和地球物理传感器。所采集的数据经由钻柱通信链路、或者经由跟踪单元28传输至中央处理器25。

利用井下传感器单元27中的诸传感器以及/或者通过协同使用跟踪单元28来实时采集关于钻孔工具24的取向的数据43。该取向数据通常包括钻孔工具的纵摇、平摇和横摇(即，p，y，r)，当然可不需要横摇数据。根据所给应用场合，还可较理想地或者须要实时采集涉及钻孔工具24的环境数据、诸如钻孔工具的温度和应力/压力44。还可实时采集地球物理和/或地质数据46。还实时采集涉及钻孔机12的操作的数据47，诸如泵/电动机/发动机的生产力或压力、温度、应力(例如，振动)、转矩、速度等，涉及泥浆/空气/泡沫的流动、成分和输送的数据，以及与钻孔系统12的操作相关的其它信息。

钻孔工具的数据、钻孔机的数据及所采集的其它数据被传输48至钻孔机12的中央处理器25。该中央处理器25计算出钻孔工具24的位置，较佳地其x-、y-和z-平面坐标。该位置计算最好是在钻孔工具24的取向和钻孔工具的位置相对于最初进入点或任何其它所选用的基准点的变化的基础上进行。该钻孔工具的位置是通常利用所采集的钻孔工具取向数据和所采集的钻孔工具/钻柱位移数据进行计算的。采集钻孔工具和钻孔机的数据、将该数据发送至中央处理器25以及计算出当前钻孔工具的位置较佳地以连续或定期的实时原则来进行，如虚线45所示。

计算钻孔工具的当前位置、移动钻孔工具、感应钻孔工具位置中的变化以及以增量原则(例如，逐步近似导航途径)重新计算钻孔工具的当前位置的过程在钻孔操作期间重复进行。本发明中的逐步近似导航途径有利地避免了当执行当前钻孔工具位置计算时须要临时停止钻孔工具移动，而这在传统技术中是必要的。然而，步行跟踪器或定位器可与钻孔工具的磁强计协同工作，以便确保钻孔工具的轨迹和/或钻孔路径的精确度。

通常将所算得的钻孔工具24的位置与原定钻孔路线相比较，以便判断钻孔工具24是否沿着所需的地下路径前进50。倘若钻孔工具24偏离所需的原定钻孔路线，则中央处理器25计算出一适当的走向(course)修正量52，并产生控制信号以实时启动走向修正54。在一具体实施例中，钻孔工具24的导航电子设备计算出走向修正量，并产生发送至钻孔机12的控制信号，以便启动钻孔工具的走向修正54。

倘若中央处理器25判定钻孔机12非正常操作或者在指定的性能范围之外56，则中央处理器25试图确定操作异常源58、判断该异常是否可修正59、并且进一步判断该异常是否会损坏钻孔机12、钻孔工具24或者钻孔系统的其它元件61。例如，中央处理器25可判定旋转泵运行超出预先设定的压力阈值。中央处理器25诸如通过产生一控制信号以降低推进/回拉泵的压力、以便在不损失钻孔工具的转速的前提下降低泵压来解决该异常运行状态。

倘若中央处理器25判定操作异常无法修正、并且很可能会损坏钻孔系统的元件59，则中央处理器25终止钻探活动63，由此警告操作者65。倘若无法修正的异常状态不会损坏钻孔系统的元件，则钻探活动继续进行，并且中央处理器25警告操作者关于所存在的问题67。倘若中央处理器25判定操作异常可修正，则该中央处理器25确定修正作用60，并实时调节钻孔机的操作62，以便修正操作异常。图3E中所示的过程以连续或定期的原则重复进行，以便在钻孔操作期间对钻孔工具24和钻孔系统12进行实时控制。

请参阅图4，图中示出了根据本发明一种实施例的、用于实时控制钻孔工具的一种钻孔系统的各种组成部分的框图。根据图4中所示的实施例，钻孔机70包含有与多个其它控制器、传感器和数据存储/处理资源相互作用的中央处理器72。该中央处理器72处理经由钻柱86或者跟踪单元83自钻孔工具18传输至钻孔机70的收发器(未图示)的钻孔工具位置和取向数据。该中央处理器72还可接收来自外部地理基准单元76的地理和/或地形数据，该单元可包括GPS型系统(全球定位系统)、地理基准系统(GRS)、地面基础范围雷达系统、激光基础定位系统、超声波定位系统或者用于建立钻孔机70和钻孔工具81的绝对地理位置的勘测系统。

机器控制器74调整各种泵、电动机以及与在钻孔操作期间使钻孔工具81旋转和移动相关的其它机构的运行。该机器控制器74还调整泥浆/泡沫/空气至钻孔工具81的输送并改变该泥浆/泡沫/空气的成分，以便提高钻孔工具的生产力。中央处理器72通常访问当需要或想要时可被执行的多个自动钻探模式程序71和轨迹程序69。钻孔计划数据库78存储涉及原定钻孔路线的数据，包括想要的钻孔路径的距离和变化、钻孔目标、已知障碍物、在钻孔操作期间所测得的未知障碍物、已知/估计的土壤/岩石状况参数和诸如允许的钻柱或产品的曲率半径之类的钻孔机的信息以及其它数据。

中央处理器72和外部计算机可执行提供就地设计和改变钻孔计划的能力的钻孔计划软件78。然后，该就地设计的钻孔计划可被上载至钻孔计划数据库78以备后用。如下文中将更详细地描述的那样，中央处理器72可执行钻孔计划软件，并在钻孔操作期间与钻孔计划数据库78相互作用，以便响应地下危险、不理想的地质情况以及由操作者启动的与原定钻孔程序的偏离的检测来执行“飞速”实时钻孔计划调节计算。

地球物理数据界面82接收来自可配置在工作场所和钻孔工具上的各种各样的地球物理和/或地质传感器和设备的数据。所采集的地球物理/地质数据由中央处理器72处理，以便表现各种土壤/岩石状况，诸如硬度、多孔性、水量、土壤/岩石的类型、土壤/岩石的变化等的特征。被处理的地球物理/地质数据可为中央处理器72所用，以便改变对钻孔工具的活动和操纵的控制。例如，被处理的地球物理/地质数据可显示诸如花岗岩之类极硬的土壤/岩石或者诸如砂石之类极软的土壤的存在。机器控制器74可例如利用该信息来适当地改变推进/回拉和旋转泵的运行方式，以使针对所给土壤/岩石类型的钻孔工具的生产力最优化。

再例如，中央处理器72可监视钻柱86在钻孔操作期间的实际曲率半径，并将该实际钻柱曲率半径与针对所使用的具体钻柱86或者所安装的产品的所指定的最大允许曲率半径相比较。机器控制器74可改变钻孔机的操作，除此之外抑或或者，中央处理器72可计算出一条可供选择的钻孔路径，以便确保与所使用的钻柱或者所安装的产品的最大允许曲率半径的要求相符。要注意的是，纵摇和平摇均是矢量，并且实际钻柱曲率半径是一段推进距离中纵摇和平摇中的变化的矢量和的函数。针对钻柱/产品的过应力状态所作的钻孔机的改变量应在一段给定推进距离中纵摇和平摇的矢量和的大小和方向的基础计算出该改变量。

中央处理器72可监视实际钻柱/产品的曲率半径，以便与原定路径和操纵计划作比较，并修改未来的控制信号以适应土壤/岩石层的可操纵性中的任何限制。另外，中央处理器72可监视实际曲率半径、可操纵性因素、地球物理数据及其它数据，以便预知会在倒扩孔(backreaming)操作期间发生的直线钻孔路径的数量。所预知的直线钻孔路径、倒扩孔直径、钻孔路径长度、所安装的产品的类型/重量以及所需的公共事业管线/障碍物的安全清除将用于对原定的钻孔路径作改变。当飞速计划钻孔路径时也可采用该信息，以便减小在倒扩孔时撞到公共事业管线/障碍物的风险。

中央处理器72还可接收并处理自一个或多个钻孔工具传感器发送的数据。例如，取向、压力和温度信息可由设置在钻孔工具81中的适当的传感器来感应，诸如用于感应压力的应变计。此类信息可诸如通过调制带有信息信号的钻孔工具信号编码在自钻孔工具81发送的信号上，或者作为与钻孔工具信号相分离的一信息信号进行发送。当由中央处理器72接收时，被编码的钻孔工具信号被解码，以便从钻孔工具信号的内容中提取信息信号的内容。倘若响应传感器的信息想要或者须要的话，则中央处理器72可改变钻孔系统的操作。

要理解的是，图4及其它图中所示的中央处理器72可被实施为单个处理器、计算机或者装置(但不一定)。由中央处理器72所执行的功能可由多个或分布式处理器、以及/或者任何数量的电路或其它电子设备来执行。如先前所述的那样，与中央处理器相关的所有或部分功能可由一远距离设置的处理设备来执行，诸如经由人造卫星或其它高速通信链路来控制钻孔机的操作的遥控设备。再例如，与机器控制器74、自动钻探模式程序71、轨迹程序69、钻孔计划软件/数据库78、地球物理数据界面82、用户界面84和显示器85中的所有或部分相关的功能可作为中央处理器72的一部分来进行安装。

请继续参阅图4，用户界面84提供了操作者与钻孔机70之间的交互作用。该用户界面84包括各种可人工操作的控制器、量具、读出器和显示器，以便实现操作者与钻孔机70之间信息和指令的通信。如图4所示，用户界面84可包含有诸如液晶显示器(LCD)或活动矩阵显示器、字母数字显示器或阴极射线管型显示器(例如，发射显示器)之类的显示器85。用户界面84还可包括用于在钻孔机与诸如中央控制场所或远距离维护设备之类的互联网用户/场所之间进行数据、文件、电子邮件等通信的万维网/互联网界面。诊断和/或性能数据例如可由一远距离场所分析或者经由万维网/互联网界面被下载至该远距离场所。再例如，软件更新可经由万维网/互联网界面从一远距离场所传送至钻孔机或钻孔工具的电子设备组件。要理解的是，也可采用安全(例如，非公共)通信链路来进行一远距离场所与钻孔机/钻孔工具之间的通信。

图4中所示的显示器85的部分包括从视觉上传达诸如当前使用的钻孔计划或者所开发的或在针对一具体场所的开发下的若干可供选择的钻孔计划的其中之一之类的涉及原定钻孔路线的信息的显示器79。在钻孔操作期间或之后，涉及实际钻孔路线的信息以图形形式显现在显示器77上。当在钻孔操作期间使用时，操作者可同时观察原定钻孔路线显示器79和实际钻孔路线显示器77，以便评定钻孔操作的前进和精确度。因用户启动或者中央处理器启动的实际钻孔路线中的偏离可被加亮或者以其它方式在实际钻孔路线显示器77上被强调，以便从视觉上警告操作者此类偏离。也可产生一可听见的警告信号。

要理解的是，实际钻孔路径的显示可添加在原定钻孔路径之上，并在同一个显示器而不是在单独的显示器上显示。另外，显示器77和79可构成单个物理显示器的两个显示窗。还要理解的是，可按需形成任何类型的视图，诸如俯视图、侧视图或立体图，诸如相对于钻孔工具的钻子或顶端的视图，或者斜视图、等积图或正投影图。

可意识到的是，显示在原定和实际钻孔路线显示器79和77上的数据可用于构成一“竣工”钻孔路径数据组和反映原定与实际钻孔路径之间的偏离的一路径偏离数据组。竣工数据通常包括涉及三维(例如，x-、y-和z-平面)实际钻孔路径、入口和出口凹坑(pit)位置、导孔(pilot borehole)和倒扩孔的直径、包括那些先前或者在钻孔操作期间所测得的所有的障碍物、水域的数据及其它相关数据。在钻孔操作之前、期间或之后搜集的地球物理/地质数据也可被包含为竣工数据的一部分。

图5是根据本发明的一种实施例的、用于实时控制钻孔机和装有井下传感器单元的钻孔工具的各种操作的系统100的框图。关于控制环路L_A，系统100包含有允许该系统100适应包括装有磁强计、加速计速率传感器、各种钻孔工具地球物理/环境设备和传感器以及遥测方法在内的不同类型的传感器组件89的界面73。该界面73可同时包括硬件和软件，这些元件可被自适性地或人工地改变，以便提供钻孔系统100的钻孔工具传感器和通信元件与中央处理器元件之间的兼容。在一种实施例中，界面73可被适当地构成为可适应钻孔工具电子设备的机械、电气和数据通信规格。鉴于此，界面73消除了或者明显减小了可能另外需要用于适应相应的钻孔工具的结构多样性的多种专用界面的技术依赖性。

关于控制环路L_B，界面75允许系统100适应不同类型的定位器和跟踪系统、步行单元、钻孔工具地球物理/环境设备和传感器以及遥测方法。如同与控制环路L_A相关的界面73那样，界面75可同时包括硬件和软件，这些元件可被自适性地或人工地改变，以便提供钻孔系统100的跟踪单元/钻孔工具元件与中央处理器元件之间的兼容。该界面75可被适当地构成为可适应跟踪单元和/或钻孔工具电子设备的机械、电气和数据通信规格。

根据另一种实施例，中央处理器72如图所示经由界面75与收发器110和若干其它传感器和装置相耦合，以便构成可选用的控制环路L_B。根据该另一种实施例，收发器110接收来自跟踪单元83的遥测信息，并将该信息传输至中央处理器72。该收发器110也可将来自中央处理器72或者系统100的其它过程的信息传输至跟踪单元83，诸如钻孔工具结构图形指令、诊断轮询指令、软件下载指令等。根据一种不算复杂的实施例，收发器110可由能够接收、但不能发送数据的接收器来取代。

利用从钻孔工具81上的井下传感器单元89所接收的遥测数据、以及钻柱位移数据(倘若需要的话)，中央处理器72计算出钻孔工具81相对于地面高度或其它预先设定的基准位置的范围和位置。中央处理器72还可诸如通过使用已知的GPS技术计算出钻孔工具81的绝对位置和高度(elevation)。利用从跟踪单元83所接收的钻孔工具的遥测数据，中央处理器72还计算出钻孔工具81的纵摇、平摇和横摇(p，y，r)的其中一个或多个。在从钻孔工具所发送的电磁探针信号的强度的基础上还可确定钻孔工具的深度。要注意的是，纵摇、平摇和横摇也可由井下传感器单元89单独或者协同中央处理器72一起算得。用于确定钻孔工具81的位置和/或取向的合适的技术可包括接收从钻孔工具81的井下传感器单元89所发送的探针型遥测信号(例如，无线电频率(RF)、磁或声音信号)。

根据一种实施例，移动跟踪设备可用于人工跟踪和定位配备有产生探针信号的发送器的钻孔工具81的前进。跟踪器83协同中央处理器72一起设置钻孔工具81的相对和/或绝对位置。此类已知的定位器技术的例子在美国专利5,767,678；5,764,062；5,698,981；5,633,598；5,469,155；5,337,002；和4,907,658中有所描述，在此整个地援引这些专利以供参考。这些系统和技术可有利地适用于包含与本发明的指导思想和原理相一致的实时钻孔工具定位途径。

一种利用手持式跟踪器来确定钻孔工具81的位置和/或取向的合适的技术包括使用安装在钻孔工具81的井下传感器单元89中的加速计和磁强计。根据该实施例，钻孔工具81的井下传感器单元89配备有三轴磁强计、三轴加速计和用于发射电磁双极场的磁性双极天线，该方法在美国专利5,585,726中有所描述，在此整个地援引该专利以供参考。由三轴磁强计和三轴加速计所产生的信号自钻孔工具81经由双极天线发送，并由跟踪单元83所接收，该跟踪单元处理所接收的信号，或者将该信号转发至钻孔系统的收发器110。所接收的信号为中央处理器所用，以便计算出取向，并利用钻孔工具位移数据计算出钻孔工具81的位置，当然也可由跟踪单元83直接计算出钻孔工具81的取向。

在钻孔操作期间通过在钻孔工具81已行进的一段距离上执行信号积分可计算出钻孔工具81的近似位置。通常被实施为便携式或手持式单元的跟踪单元83通过检测由钻孔工具81所发射的电磁双极场来连续接收来自钻孔工具发送器的遥测信号。通过利用定位器遥测数据来确定的钻孔工具81的实际位置被用来修正可能已引入到积分计算中的任何积分误差。在另一种实施例中，钻孔工具的位置和取向是由跟踪单元83进行检测的。同样，钻孔工具81的实际位置可由跟踪单元83而不是在钻孔机的位置上进行计算的。位置/取向数据由中央处理器72所处理，以便在钻孔操作期间提供钻孔工具81的闭环控制。

另一种确定钻孔工具81的位置和/或取向的技术涉及使用包括沿着原定钻孔路径的一侧或两侧设置的若干间隔设置的天线单元。该实施例有利地消除了对定位器操作者的需要。设置在钻孔工具81中的发送器发送一由天线单元网络所接收的信号。该钻孔工具信号被沿着天线单元链路转发，并由与中央处理器72相耦合的收发器所接收，以便由中央处理器72进行处理。中央处理器72计算出钻孔工具81的实际位置，并将该实际位置与根据存储在钻孔计划数据库78内的预定的地下路径的原定位置相比较。机器控制器74实时启动由介于实际与原定钻孔工具位置之间的偏离所引起的任何所需的走向修正。一种较适用于根据该实施例的系统是由Washington的Renton的数字控制有限公司(Digital Controls，Inc.)所制造的TRANSITRAK iGPS系统。要意识到的是，还可采用除本文中所描述的那些用于确定钻孔工具的位置和取向的技术之外的技术，用以向中央处理器72提供位置和取向信号，以便在闭环实时操作环境中控制钻孔工具的活动。

根据本发明的另一种实施例，定位单元83采用一种通过利用雷达探测及检测技术来确定钻孔工具81的位置和取向的设备。用于利用地面穿透雷达途径来确定钻孔工具81的位置和/或取向的合适的技术在共同转让的美国专利5,720,345和5,904,210中有所描述，在此整个地援引这两个专利以供参考。根据该实施例，钻孔工具83设有一响应自跟踪单元83发射的探测信号产生一特殊标记信号的装置。设置在跟踪单元83上的探测信号发送器与设置在钻孔工具81上的标记信号产生装置之间的协作能使钻孔工具的位置以及取向(如果需要的话)得以精确地检测，尽管存在着较大的背景信号。

精确地检测钻孔工具的位置和取向能使操作者在操作期间精确地定位钻孔工具，而倘若具备方向能力的话，则可避免诸如公共事业管线之类的被埋设的障碍物及其它危险。由钻孔工具81所产生的标记信号可被动或主动地发生，并可为微波或声音信号。另外，该标记信号可以与用于以包括定时、频率内容、信息内容或极化在内的一种或多种方法所产生的探测信号不同的方式来形成。

根据该实施例，并请参阅图19，跟踪单元83包括一检测单元228，该检测单元包含有接收器256、检测器258和信号处理器260。接收器256接收来自地面210的返回信号，并将它们传输至检测器258。检测器258将该返回信号转换成电信号，这些电信号随后在信号处理单元260中进行分析。在其中由发生器252所产生的探测信号236构成微波信号的第一种实施例中，接收器256一般包含有一天线，并且检测器258一般包含有一检测二极管。在其中探测信号236构成声波的第二种实施例中，接收器256通常为能与地面210进行良好的机械接触的探测器，并且检测器258包含有诸如扩音器(microphone)之类的声音—电换能器。

信号处理器260可包含有诸如信号放大器、过滤电路和模拟—数字转换器之类的、后面跟随有用于形成装有各种地下障碍物230和钻孔工具81的地下体积的二维或三维图像的较为复杂的电路的各种基本元件。检测单元228还可包含有用于检测并解读从设置在钻孔工具81内的活跃的信标或探针所接收的信号的信标接收器/分析器261。由活跃的信标所发送的信号可包含有涉及钻孔工具81的取向和/或环境的信息，该信息由信标接收器/分析器261进行解码。

检测单元228还包含有用于解码可编码在由钻孔工具81所产生的标记信号上的信息信号的内容的解码器263。取向、压力、温度和地球物理信息可由设置在钻孔工具81内的适当的传感器、诸如用于感应压力的应变计、用于检测取向的水银开关、用于测量钻孔工具的纵摇的纵摇传感器、GPR子系统或者一个或多个地球物理传感器来感应。此类信息可诸如通过调制带有信息信号的标记信号而被编码在标记信号上，或者作为标记信号的一部分、或者与其相分离地进行发送。当由接收器256接收时，被编码的返回信号由解码器261解码，以便从标记信号内容中提取信息信号的内容。要注意的是，图19中所示的检测单元228的诸元件不一定要包含在同一个壳体或支承结构中。

检测单元228将所采集的信息沿着数据发送链路发送至中央处理器72。该数据发送链路用于处理跟踪单元83的检测单元228与钻孔系统的收发器之间的数据传输，并且可为同轴电缆、光纤、用于红外线或微波通信的自由空间链路或者某些其它合适的数据传输媒介或技术。

本发明的钻孔系统提供了以多种不同的模式来进行钻孔操作的机会。例如，操作的步行路径(walk-the-path)模式涉及最初沿着所需的钻孔路径步行并对所需的路径作记录。操作者可例如使用手持式GPS单元，以便从地理上限定该钻孔路径。或者，该操作者也可类似于与钻孔工具一起使用来使用井下传感器单元，以便绘制所需的钻孔路径。此外，操作者可使用与在钻孔操作期间所使用的同一个井下传感器来建立所需的钻孔路径。

在步行所需的钻孔路径之后，所存储的钻孔路径数据可上载至执行钻孔计划软件以形成机器适用的钻孔计划的中央处理器或PC机。手持式单元也可设有执行钻孔计划软件以形成机器适用的钻孔计划所必需的数据处理和显示资源。钻孔计划软件可使操作者在先前所采集的钻孔路径数据的基础上进一步精修钻孔计划。操作者与钻孔计划软件相互作用(这在下文中将更详细地描述)，以便限定钻孔路径的深度、入口位置、出口位置、目标及钻孔计划的其它特点。

另一种操作模式涉及所谓的步行追踪(walk-the-dog)方法，操作者用便携式跟踪单元在钻孔工具上步行。该跟踪单元设有可使操作者启动所需的钻孔工具操纵变化的操纵控制器。根据该实施例，钻孔工具设有能使其接收自跟踪单元发送的操纵指令、响应该操纵指令原地计算适当的操纵控制信号、并将该操纵指令发送至钻孔机以进行所需的操纵变化的电子设备。鉴于此，所有的钻孔工具操纵变化均可由在钻孔工具上步行的下方区域的操作者、而不是由钻孔机的操作者来进行。

根据又一种钻孔机的操作模式，工具操纵途径涉及在沿着钻孔路径的一地上目标处发送信号，要理解的是，该信号也可由一地下目标来发送。钻孔工具检测该目标信号，并原地计算必要的操纵指令，以使钻孔工具对准目标信号。任何必要的操纵变化、诸如为避免地下障碍物或不理想的地质所需的偏离可由井下电子设备所产生的操纵指令来进行。钻孔工具的电子设备计算出使钻孔工具顺利地绕过障碍物而到达目标信号所需要的操纵变化。当因安全或生产力的原因而须要改变钻孔计划时，钻孔工具的电子设备可执行钻孔计划软件以重新计算钻孔计划。

根据另一种操作模式，智能(smart)工具途径涉及将钻孔计划下载至钻孔工具的电子设备中。钻孔工具的电子设备计算出要使钻孔工具保持沿着预定的钻孔路径所需的所有的操纵变化。然而，操作者可通过经由跟踪单元来终止钻孔机的钻探操作来超越当前执行的钻孔计划。然后，将新的或者换用的钻孔计划下载至钻孔工具以供执行。

现在请参阅图6，钻孔计划数据库/软件设备78可由中央处理器72访问、或者可装入到中央处理器72中，以便建立钻孔计划、存储钻孔计划、并在钻孔操作期间访问钻孔计划。一名用户、诸如钻孔计划设计者或者钻孔机操作者可经由用户界面84访问钻孔计划数据库78。在其中中央处理器72与位于钻孔机外部的计算机、诸如个人电脑协同工作的一种结构中，用户界面84通常包括用户输入装置(例如，键盘，鼠标等)和显示器。在其中中央处理器72用于执行钻孔计划算法、或者与钻孔计划数据库78相互作用的一种结构中，用户界面84包括设置在钻孔机上、或者作为中央处理器壳体的一部分的用户输入装置和显示器。

利用由中央处理器72所执行的钻孔计划软件可有效且精确地设计、评定和修改钻孔计划。或者，可利用计算机系统独立于钻孔机开发钻孔计划，随后将其上载至钻孔计划数据库78以供中央处理器72执行和/或修改。一旦建立，存储在钻孔计划数据库78内的钻孔计划就可由中央处理器72访问，以供在钻孔操作期间使用。一般而言，钻孔计划可被设计成使钻柱尽可能地短。钻孔应保持离开地下公共事业管线一段安全的距离以避免碰撞。钻探路径应逐步转向，以使钻柱和将要安装在钻孔中的产品上的应力减至最小。钻孔计划还应考虑到所给定的公共事业管线是否需要一个最小的地面覆盖范围。

钻孔计划设计者可输入各种类型的信息，以便限定一具体的钻孔计划。设计者最初构建所给定的钻孔地点的总的地形图。在此方面，该地形图是指按照距离和高度值所构成的地表的二维图像。或者，设计者也可最初构建所给定的钻孔地点的总的三维地形。在此方面，地形是指地表的三维图像。

通过输入一系列二维点或者三维点来构建关注区域的地形。钻孔计划软件在距离的基础上分拣这些点，并将它们用直线连起来。同样，每个地形点具有与其相关的唯一的距离。钻孔计划软件利用最接近的两个点之间的线性插值确定针对两个地形点之间的任何距离的表面的高度。地形图用于设定图形显示的范围(例如，上下距离界限)。建立地形图用于形成钻孔地点的图形图像。

在建立地形图之后，钻孔计划设计者选择基准点，该基准点与相对于基准值(例如零)的距离、高度和左/右值相对应。然后，该设计者可选择穿过基准点的基准线。该基准线一般沿着钻孔的总的方向、水平且笔直建立。设计者还可输入本地基准点和基准线的方向(bearing)的经度、纬度和高度，以便用于绝对地理位置的确定。一旦基准系统建立，设计者就能唯一地限定多个三维位置，以便限定钻孔路径，包括沿着基准线的正方向离开基准点的距离、位于基准线和基准点上方的高度以及沿着正距离方向的基准线的左右位置。通过输入方位值和纵摇值也可唯一地指定方向，该方位值是指当从面向正距离方向观察基准点时至基准线的左侧的水平角度，纵摇值则是指位于基准线上方的垂直角度。

以地表为基准可限定诸如现存的公共事业管线、障碍物、水域等之类的物体。利用相对于地表的物体的深度值和物体的高度可指定这些点。钻柱杆的特性、诸如最大曲率半径和在倒扩孔操作期间要被拉过钻孔的产品的特性、诸如公共事业管道可由设计者输入或者从图5中所示的产品结构数据库102中获得。在钻孔路径计划过程中可考虑所给产品的尺寸、最大曲率半径、材料组成及其它特性。例如，在倒扩孔操作期间被拉过钻孔的产品的直径将大于导孔的直径，并且该产品将常常具有不同于与钻柱杆相关的弯曲特性。这些及其它因素可能影响所给钻孔的尺寸、结构及曲率，并且同样被作为输入数据输入到钻孔路径计划中。设计者还可输入土壤/岩石成分以及与所给钻孔地点相关的地球物理特性数据。可输入涉及土壤/岩石的硬度、成分等的数据，随后由钻孔计划软件斟酌。

在输入与所需的钻孔路径相关的所有可适用的物体之后，设计者输入钻孔路径将通过的多个目标。这些目标具有由操作者所输入的距离、左/右及深度值所限定的相关的三维位置。设计者可任意地输入钻孔路径应经过的纵摇和/或方位值。该设计者还可通过输入针对目的地目标的最大曲率半径和最小曲率半径的值向孔段分配曲率半径特性。

利用由钻孔计划设计者所输入的数据及其它可适用于所给钻孔路径计划的存储数据，中央处理器72利用在相隔预先设定的间距的步骤、诸如间隔25厘米的步骤上所确定的走向估算连接各目标对。在每个步骤上，中央处理器72计算钻孔路径应当采用的方向，以便钻孔路径在侵害任何预先建立的状态的前提下通过下一个目标。于是，中央处理器72在数学上以增量方式构建钻孔路径，直到到达出口凹坑位置为止。倘若侵害了预先建立的状态、诸如钻杆的曲率半径，则将出错状态传达给设计者。然后，设计者可修改钻孔计划以使具体的预先建立的状态得到满足。

在另一种实施例中，可在钻孔操作期间检测到未知的障碍物时、或者在钻孔通过使钻孔工具的操纵和/或挖掘能力显著下降的土壤/岩石时对预先建立的钻孔计划进行动态修改。在检测到这些状态中的任何之一时，中央处理器72试图“飞速”计算出尽可能近地通过随后的目标的“最恰当”的可供选择的钻孔路径。将检测到未标识或未知的障碍物的信息、以及正在计算的可供选择的钻孔计划的信息传达给设计者。倘若该可供选择的钻孔计划被确定为有效的话，则钻孔工具沿着新算得的可供选择的钻孔路径不中断地前进。倘若无法计算出有效的可供选择的钻孔路径，则中央处理器72停止钻孔操作，并将适当的警告信息传达给设计者。

在钻孔操作期间，如先前所述的那样，存储在钻孔计划数据库78内的钻孔计划数据可由中央处理器72访问，以便确定实际钻孔路径是否精确地跟踪原定的钻孔路径。在检测到原定与实际钻孔路径之间的偏离时，机器控制器74可进行实时走向修正。实际钻孔工具的位置可被诸如显示在图4所示的实际钻孔路线显示器77上，以便与诸如显示在图4所示原定钻孔路线显示器79上的原定钻孔工具的位置相比较。涉及实际钻孔路径的竣工数据可从自跟踪单元、诸如自跟踪单元83直接下载的数据人工或自动输入。或者，涉及实际钻孔路径的竣工数据可在从设置在钻孔工具81上的导航电子设备所接收的轨迹信息的基础上进行构建。尤其适合于与本发明的实时中央处理器一起采用的钻孔计划设计方法在于1999年1月13日提交的、题为“钻孔计划系统和方法”的共同拥有的美国申请号60/115,880中有所描述，在此整个地援引该申请以作参考。

请继续参阅图5，系统100可具有一个或多个地球物理传感器112，包括GPR成像单元、电容传感器、声音传感器、超声波传感器、地震传感器、电阻传感器和电磁传感器。根据一种实施例，在钻孔操作之前或期间用地球物理传感器112勘测钻孔地点可用来产生表示经历勘测的地面媒介的各种特性的数据。在勘测期间由地球物理传感器112所采集的地面特性数据可由中央处理器72处理，而修改钻孔机的活动，以使所给定的钻孔地点处的土壤/岩石的地球物理组成钻孔工具的生产力最优化。

中央处理器72接收来自提供针对具体钻孔地点的地质的物理特性的多个地球物理设备的数据。这些地球物理设备可设置在钻孔机上、设置在与钻孔机相分离的一个或多个设备组件中、或者设置在钻孔工具81内、上或附近。例如，地震绘制设备表现为由多个地球物理压力传感器所组成的电子装置。这些传感器的网络可相对于钻孔机沿指定取向排列，其中每个传感器处于可与地面直接接触。该传感器网络测量由钻孔工具81或某些其它的声源所产生的地面压力波。分析由传感器网络所接收的地面压力波提供了用于确定钻孔地点处的地下物理特性以及用于定位钻孔工具81的基础。这些数据由中央处理器72进行处理。

点负载测试器表现为可用于确定钻孔地点处的地下物理特性的另一种类型的地球物理传感器112。该点负载测试器使用用于负载点的多个锥形头，这些锥形头依次与地面相接触，以便测试一具体地下可抵抗的负载的校准幅度。由点负载测试器所采集的数据提供了与所测试的土壤/岩石的地球物理力学(mechanics)相对应的信息。这些数据也可发送至中央处理器72。

另一种类型的地球物理传感器112称之为施密特(Schmidt)锤，该锤系一种可测量所采样的地下地质的肖氏硬度特性的地球物理设备。其它的地球物理设备112还可用于测量岩石质量的相对能量吸收特性、研磨性、岩石体积、岩石品质及其它一同提供关于与钻孔通过所给地质相关的相对困难的信息的物理特性。由施密特锤所采集的数据也可由中央处理器72接收和处理。

如图5和7所示，机器控制器74与中央处理器72相耦合，并响应从中央处理器72所接收的控制信号来改变钻孔机的操作。或者，机器控制器的部分或全部功能可与中央处理器72一体化并且/或者由中央处理器来执行。从图7中可清楚地看到，机器控制器74控制在钻孔操作期间使钻柱旋转的旋转泵或电动机146(下文中称之为旋转泵)。该机器控制器74还在杆自动拧入到钻柱的过程中控制旋转泵146。管道装载控制器141可用于在杆拧入和旋出操作期间控制自动杆装载设备。机器控制器74还控制推进/回拉泵或电动机144(下文中称之为推进/回拉泵)。该机器控制器74在钻孔和倒扩孔操作期间控制推进/回拉泵144，以便缓和钻孔工具的前向和反向位移。

图8中所示的推进/回拉泵144驱动沿着前向或反向轴向方向向管段180施加轴向力的液压缸154或者液压马达。推进/回拉泵144在将管段180推入到地面中以形成一钻孔时和当在管段180上回拉以便在倒扩孔操作期间将该管段180从钻孔中取出时提供不同大小的受控力。驱动旋转电动机164的旋转泵146向管段180提供不同幅度的受控旋转，用以在使钻孔机以钻探操作模式运行时将管段180推入到钻孔中，并且在使钻孔机以倒扩孔模式运行时将管段180从钻孔中取出时使管段180旋转。传感器152和162分别监视推进/回拉泵144和旋转泵146的压力。

当管段拧入到钻柱180上时，机器控制器74还诸如通过使用在共同转让的美国专利5,556,253号中所描述的自动杆装载设备来控制旋转泵的运动，在此整个地援引该专利以作参考。一引擎或马达(未图示)一般采用压力形式向推进/回拉泵144和旋转泵146提供功率，当然也可用分离的引擎或马达来给各个泵144和146提供功率。

根据用于利用闭环实时控制方法来控制钻孔机的本发明的一种实施例，通过适当地控制旋转泵146和推进/回拉泵144的相应的输出级可使总的钻孔效率最优化。在动态变化钻孔状态的情况下，闭环控制推进/回拉泵144和旋转泵146较人工控制方法可显著地提高钻孔效率。在被供以流体静压功率的钻孔机、或者由比例阀控制的齿轮泵或电动机供以功率的钻孔机的范围中，提高钻孔效率可通过如下方法来实现：使钻孔工具181以所选用的速率旋转，监视旋转泵146的压力，以及相对于地下路径轴向改变钻孔工具的移动速率又使钻孔工具181以所选用的输出级旋转、以便补偿旋转泵146的压力中的变化。传感器152和162分别监视推进/拉回泵144和旋转泵146的压力。

根据一种操作模式，操作者将旋转泵控制最初设定至所估计的钻孔操作期间的最优旋转设定，并修改推进/回拉泵控制的设定，以便改变当钻探或倒扩孔时钻孔工具181沿着地下路径移动时的总速率。在钻探或倒扩孔期间钻孔工具181沿着地下路径移动时的速率通常随着土壤/岩石状况、钻探管180的长度、流过钻柱180和钻孔工具181的液流及其它因素的变化而变化。此类移动速率中的变化通常会引起旋转泵和推进/回拉泵的压力中的相应变化以及引擎/马达的负载中的变化。虽然，旋转泵和推进/回拉泵的控制允许操作者在整个尺度(scale)范围内改变推进/回拉泵144和旋转泵146的输出，本技术领域中的那些熟练技术人员应意识到的是，即使是一名极其熟练的操作者也无法在土壤/岩石和负载状况连续变化的情况下迅速且最优地改变钻孔工具的生产力。

在将旋转泵控制最初设定为用于当前钻孔状态的所估计的最优旋转设定之后，操作者通过改变推进/回拉泵控制的设定来控制钻孔工具181沿着地下路径移动的总速率。在钻探或回拉操作期间，旋转泵传感器161监视旋转泵146的压力，并将旋转泵的压力信息传输至机器控制器74。或者，旋转泵传感器162也可将旋转电动机的转速信息传输至其结构采用旋转电动机而不是泵的机器控制器74。钻探或倒扩眼期间钻孔工具的负载过大通常会引起旋转泵的压力增大或旋转电动机的转速减小。

响应过大的旋转泵压力、或者转速过度下降，机器控制器74将一控制信号传输至推进/回拉泵144，由此引起该推进/回拉泵的压力下降，从而减小钻孔工具沿着地下路径的移动速率。钻孔工具的移动力的减小降低了钻孔工具181上的负载，同时允许旋转泵146以最优的输出级或者由操作者所选用的其它输出级运行。

要理解的是，机器控制器74可在其它参数、诸如经由旋转泵146施加给钻柱的转矩的基础上使钻孔工具的生产力最优化。例如，操作者可针对具体的钻孔操作选用所需的旋转和推进/回拉输出。机器控制器74监视在齿轮箱处施加给钻柱的转矩，并改变旋转泵146和推进/回拉泵144的其中之一或者两者，以使钻柱的转矩不会超出预先设定的极限。

当机器控制器74控制钻孔操作时，它还能检测并解决钻柱的弯曲现象。钻柱弯曲通常发生在松软的土壤中，它与齿轮箱的移动和同时存在的钻孔工具的纵向移动相关联。齿轮箱明显的移动以及测得钻孔工具未明显纵向移动可表示发生了不理想的钻柱弯曲。机器控制器74可监视齿轮箱的移动和钻孔工具的纵向移动，以便对钻柱弯曲进行检测并修正。

机器控制器74还缓和倒扩孔操作中的回拉力，以避免正被回拉通过钻孔的安装产品遭受过度的应力。在倒扩孔器与安装产品之间可设置应变或力测量装置，以便测量安装产品所经受的回拉力。应变/力传感器也可位于产品自身上。机器控制器74可改变推进/回拉泵144的操作，以确保如由应变/力传感器所表示的实际产品应力的大小不会超出预先设定的阈值。

机器控制器74还可控制旋转泵146在前向和反向(例如，顺时针和逆时针)方向中的压力。当钻探通过土壤或岩石时，机器控制器74控制旋转泵的压力，以便在切割和操纵操作期间使钻柱/钻孔工具沿第一方向可控制地旋转。该机器控制器74还控制旋转泵的压力，以便使钻柱沿第二方向可控制地旋转，从而防止钻柱松脱。当用岩石钻头进行切割而需要纵摆动作以提高生产力时，防止钻柱松脱是尤为重要的。

另一种系统能力涉及检测公共事业管线/障碍物的戳穿或穿透事件。与撞击公共事业管线之前或之后所经受的泵压相比较，当钻孔工具穿过公共事业管线时，推进和/或旋转泵的压力会明显下降。倘若检测到推进和/或旋转泵的压力明显下降，则机器控制器74可停止钻探操作，并警告操作者可能的公共事业管线的接触事件。机器控制器74可进一步监视推进和/或旋转泵的压力的、其后跟随着推进和/或旋转泵的压降的压力峰值(spike)，这也可表示发生了公共事业管线的接触事件。

与中央处理器72协配的机器控制器74的高速响应能力可用于实时自动缓和钻孔机在不同的负载状态下的操作，它可提供最优的钻孔效率，减小钻孔工具181、钻柱180和钻孔机的诸泵和电动机上有害的磨损和破裂，并通过响应土壤/岩石和负载状态中细微及显著的变化来自动改变钻孔机的操作而减少操作者的疲劳。一种可适用于与本发明的原理一致的闭环控制途径的、用于控制钻孔工具的移动和旋转的示范方法在共同转让的美国专利5,746,278号中有所描述，在此整个地援引该专利以供参考。

请继续参阅图8，振动传感器150、160可分别与推进/回拉泵144和旋转泵146相耦合，用以监视通常发生在操作期间的泵的振幅。其它的振动传感器(未图示)可安装在底盘或其它结构上，用以检测钻孔系统底盘的移动或旋转、或者钻孔操作期间底盘的高幅振动。熟练的钻孔机操作者应意识到的是，泵/电动机/底盘振动是当人工控制钻孔时常常考虑的有用的传感器输入。

如由操作者所感觉到的泵/底盘的振幅中的变化通常表示诸如当钻孔工具穿过圆石时泵负载或压力中的变化。迄今在传统的控制方案中被忽略的泵/电动机/底盘振动利用泵振动传感器150、160和一个或多个底盘振动传感器进行监视，被转换成相应的电信号，并被传输至相应的推进/回拉控制器124和旋转控制器126。被转换的泵/底盘振动数据可被发送至机器控制器74，并用于调节推进/回拉泵144和旋转泵146的输出。

例如，利用分别针对相应地安装在所给钻孔机底盘上的推进/回拉泵144和旋转泵146的实验装置可建立振动阈值。由于钻孔机底盘会影响操作期间推进/回拉泵144和旋转泵146的振动特性，因而振动阈值通常是用安装在钻孔机上的相应的泵144、146建立的。振动阈值通常表示被认为对所给的泵有害的振幅。由此，可建立用于各推进/回拉泵144和旋转泵146、以及另外钻孔机引擎和底盘(倘若需要的话)的振动数据的基线设定。

倘若在钻孔活动期间，由振动传感器150、160或底盘振动传感器所监视的振幅超出所给的振动阈值，则机器控制器74可调节推进/回拉泵144和旋转泵146的输出的其中之一或两者，直到不再超过适用的振动阈值为止。由此，机器控制器74可进行闭环振动感应和推进/回拉及旋转泵的输出补偿，以避免使推进/回拉泵144和旋转泵146受力过大而受损。可执行类似的控制途径来对泥浆泵和引擎过高的振幅进行补偿。可采用各种已知类型的振动传感器/换能器，包括例如单个或多个加速计。

根据另一种实施例，可建立用于各推进/回拉泵144和旋转泵146的声音轮廓(profile)。这方面的声音轮廓体现了所给的泵或马达在正常运作或者异常运作时的声音特性。用于所给的钻孔机元件的声音轮廓通常是以经验为主进行开发的。

在钻孔机操作期间，所给的泵或马达的声音取样是定期进行的。然后，所取样的用于所给的泵或马达的声音数据可与其对应的声音轮廓进行对照。用于具体泵或马达的声音取样与轮廓之间的显著差异可表示该泵/马达的潜在的问题。在一种可供选择的实施例中，声音轮廓可体现有缺陷的泵或马达的声音特性。倘若所取样的用于所给的泵/马达的声音数据看起来类似于有缺陷的声音轮廓，则应识别并随后评价有潜在缺陷的泵/马达。当使用本发明的声音轮廓/取样方法时，可采用多种已知的模拟信号处理技术、数字信号处理技术、以及/或者图形识别技术来检测可疑的泵、马达或其它系统元件。

该声音轮廓和取样技术可用于评价各种钻孔机/钻孔工具元件的运行状态。例如，所给的钻孔工具在适当运行时可呈现特有的声音轮廓。在挖掘期间采用钻孔工具在形状、尺寸、质量和惯性矩方面、以及影响钻孔工具的声音特性的其它物理方面改变钻孔工具。由此，磨损或受损的钻孔工具或者该工具的元件将呈现出不同于新的或未受损的钻孔工具/元件的声音轮廓。在钻孔操作期间，可通常利用扩音或压电装置来取样钻孔工具的声音。然后，所取样的声音数据可与为所给的钻孔工具所开发的声音轮廓数据相对照。该声音轮廓数据可表示钻孔工具处于正常状态或者有缺陷的状态。

以类似的方式，所给元件的频率特性也可用作为用于判断该所给元件的状态的基础。例如，可获得并评价切割头的频谱。由于切割头的频率响应在磨损期间发生变化，因而通过将切割头所取样的频谱与其正常或异常频率轮廓相比较可确定切割头的磨损量和总的状态。

机器控制器74在钻孔操作期间还响应从中央处理器所接收的控制信号来控制钻孔工具181的方向。机器控制器74利用一种操纵技术或者多种技术的组合来控制钻孔工具的方向。根据一种操纵途径，钻孔工具181的取向170是由机器控制器74来确定的。钻孔工具181转动到所选位置上，并且钻孔工具181的内部或外部致动器被致动，以使钻孔工具181沿所需方向推进。

例如，流体可通过钻柱180输送，并被输送至钻孔工具181的内部致动器，诸如相对于钻柱180的纵轴横过或基本不平行地安装在钻孔工具181中的可移动的部件。机器控制器74控制输送到钻孔工具181内的可动件上的流体冲击，以便进行所需的横向移动。在另一种实施例中，诸如板或活塞之类的一个或多个外部致动器可由机器控制器74致动，以便对着钻孔的侧面施加力，由此使钻孔工具181沿着所需的方向移动。

根据图10中所示的实施例，钻孔工具181的被改进的方向操纵一部分是通过控制操纵板223的偏轴角θ来进行的。该操纵板223可采用在工业中通常被称之为鸭嘴或可调板的结构或者其它可自钻孔工具181的本体延伸的部件的形式。在通过动态控制操纵板223的移动而使钻孔工具的方向发生变化之前或期间，操纵控制器116可调钻孔工具的操纵变化的幅度，并由此调节钻柱的曲率。

例如，将操纵板223相对于钻孔工具181的纵轴221移向一角度取向θ₂会引起偏轴的钻孔工具的移动速率减小和钻柱的曲率相应地减小。将操纵板223相对于纵轴221移向角度取向θ₁会引起偏轴的钻孔工具的移动速率增加和纵轴的曲率相应地增加。操纵板223可根据偏轴角θ进行调节，并可通过与偏轴角θ正交的角根据位移来进一步调节。例如，可动支承件232可在与对操纵板223的偏轴角θ的受控变化相分离或相结合的前提下绕与钻孔工具181的纵轴221不平行的一轴线旋转。

根据另一种实施例，钻孔工具22的操纵可通过使用设置在钻孔工具181上的一个或多个流体喷射器来进行或提高。图9中所示的钻孔工具的实施例包含有两个流体喷射器224、225，这两个流体喷射器可根据喷嘴的喷射方向、喷口的尺寸、流体的输送压力和流体的流率/体积来进行控制。例如，流体喷射器224可由操纵控制器116来控制，以便将加压的射流沿所需的方向、诸如方向D_1-1、D_1-2或D_1-3进行输送。与流体喷射器224相分离或者相结合的流体喷射器254也可被控制，以便将加压的射流沿所需的方向、诸如D_2-1、D_2-2或D_2-3进行输送。机器控制器74还可调喷口的尺寸，这样有助于缓和通过喷嘴224、225进行输送的流体的压力和流率/调节。

机器控制器74也可动态调节钻孔工具181的物理结构，以便改变钻孔工具的操纵和/或生产力特性。图11中所示的钻孔工具壳体的部分240具有可处于钻孔工具181上的所需位置上的两个切削头244、254，要理解的是，也可采用两个以上或者两个以下的切削头。每个切削头244、254可根据相对于钻孔工具的壳体表面240的移动高度和/或角度来进行调节。这两个切削头244、254还可旋转，以便将切削头的特殊表面(例如，未磨损部分)暴露给要被挖掘的土壤/岩石。切削头致动器248、258响应液压、机械或电气控制信号，以便在钻孔操作期间动态调节切削头244、254的位置和/或取向。机器控制器74可控制切削头244、254的移动，以便提高钻孔工具的生产力、操纵性或者改善切削头244、254的耐磨特性。

机器控制器74还可通过利用设置在钻孔工具181内的感应设备来获得切削头的磨损数据。在图12所示的实施例中，切削头262包括位于该切削头262中不同高度上的多个一体式传感器264。当切削头262在使用期间磨损时，最上层的传感器264被暴露出来。检测器266检测到传感器264的暴露状态而将一相应的切削头状态信号发送至机器控制器74。当切削头262经受进一步磨损时，中间的磨损传感器264”被暴露出来，从而使检测器266将一相应的切削头状态信号传输至机器控制器74。当最底层的传感器264’由于切削头262的持续磨损而暴露出来时，检测器266将一相应的切削头状态信号传输至机器控制器74，此时一表示检测到切削头262被过度磨损的警告信号由机器控制器74发送至中央处理器72，并最终传达给操作者。磨损传感器264可构成相应的绝缘体，其中当绝缘体被逐渐磨损时，横过的电压或者从中流过的电流发生变化。检测器266检测到此类电压和/或电流中的变化。

设置在钻孔工具181上的每个切削头262可设有单个磨损传感器或多个磨损传感器264。与各个切削头262相关联的检测器266可发送一标识具体的切削头及其相关的磨损数据的唯一的切削头状态信号。在为独个切削头262设置多个磨损传感器264的情况中，与各个切削头262相关的检测器266发送一标识受影响的切削头和与磨损数据相关联的磨损传感器的唯一的切削头状态信号。这个数据可为机器控制器74所用，以便在所给的钻孔操作中改变钻孔工具181的结构、取向和/或生产力。

现在请参阅图13，图中示出了一种用于控制在钻孔操作期间诸如水、泥浆、泡沫、空气或其它流体组合物之类的流体输送至钻孔工具181(为清楚起见，此类流体在本文中被总称为泥浆)的控制系统的框图。根据该实施例，机器控制器74控制经钻柱180供给至钻孔工具181的泥浆的输送、粘度和成分。泥浆槽201构成在由泥浆泵200所提供的压力下供给至钻柱180的蓄浆池。泥浆泵200接收来自机器控制器74的控制信号，该机器控制器响应该信号改变被输送通过钻柱180的泥浆的压力和/或流率。

泥浆泵200的自动闭环控制是通过机器控制器74与上述感应钻孔工具和钻孔机的生产力的各种传感器协同工作所提供的。泥浆被泵送通过钻探管180和钻孔工具181或倒扩孔器(未图示)，以便在相应的钻探和扩孔操作中流入到钻孔中。流体从钻孔工具181中流出，向上流过钻孔后出现在地面上。流体的流动将切屑及其它碎片从钻孔工具181或扩孔器中冲走，从而允许钻孔工具181或扩孔器在不受此类碎片阻碍的情况下操作。流体由泥浆泵200泵送到钻孔中的速率通常由包括钻孔机的钻探速率和钻孔工具181或扩孔器的直径在内的多个因素来决定。倘若钻孔工具181或扩孔器以较高的速率转移过地层，则例如机器控制器74通常响应从中央处理器72所接收的控制信号而向泥浆泵200发送一信号，以便增加由泥浆泵200所分配的流体的体积。

要理解的是，本文中所述的各种计算、功能和控制均可由机器控制器74、中央处理器72或者两个控制器74和72的组合来执行。还要理解的是，本文中所述的由机器控制器74所执行的操作一概可由中央处理器72单独或者与一个或多个其它的本地或远距离处理器相协配地来执行。

机器控制器74和/或中央处理器72通过监视钻孔工具或倒扩孔器的移动速率、并计算由这种移动所形成的物质去除率可使将泥浆分配到钻孔中的过程最优化。例如，通过将钻孔工具181的移动速率乘上由钻孔工具181在前进通过地层时所形成的钻孔的横截面积可估算出在每单位时间内从钻孔中去除物质的速率(以体积计算)。机器控制器74或中央处理器72计算物质从钻孔中去除的估算速率和与计算出的物质去除率相适应的、通过泥浆泵200进行分配的流体的估算流率。中央处理器72还可将从上述计算值中所获得的体积乘上由操作者针对当前土壤层中的土壤/岩石所选用的泥浆体积—钻孔体积的比率。这也可在接收到来自GPR和/或其它传感器的土壤/岩石数据时自动执行。例如，砂质土壤可能需要泥浆—钻孔体积的比率为5，其中泵送到钻孔中的泥浆数量是钻孔体积的5倍。

流体分配传感器(未图示)检测流体通过泥浆泵200时的实际流率，并将该实际流率信息发送至机器控制器74或中央处理器72。然后，机器控制器74或中央处理器72将计算出的流体流率与该实际流体流率相比较。响应两者之间的差异，机器控制器74或中央处理器72修改发送至泥浆泵200的控制信号，以使实际和计算出的流率平衡在一可接受的公差范围之中。

机器控制器74或中央处理器72还可使供倒扩孔操作用的、将流体分配到钻孔中的过程最优化。通过将钻孔工具181的移动速率乘上正由扩孔器去除的物质的横截面积可估算出在每单位时间内倒扩孔操作中物质的去除率(以体积计算)。通过从在先前的钻探操作中由钻孔工具181所形成的钻孔的横截面积中减去由前进通过地面的扩孔器所形成的扩孔的横截面积可估算被去除的物质的横截面积。

在与所述的有关钻探操作相类似的一种工艺中，机器控制器74和中央处理器72计算物质从扩孔中去除的估算速率和与计算出的物质去除率相适应的、通过流体分配泵58进行分配的流体的估算流率。流体分配传感器检测流体通过泥浆泵200时的实际流率，并将该实际流率信息发送至机器控制器74或中央处理器72，然后，机器控制器或中央处理器将计算出的流体流率与实际流体流率相比较。响应两者之间的差异，机器控制器74或中央处理器72修改发送至泥浆泵200的控制信号，以使实际和计算出的流率平衡在一可接受的公差范围之中。

根据另一种实施例，机器控制器74或中央处理器72可被编制程序，以便检测由图8中所示的传感器152和162分别检测的推进/回拉泵的高压和旋转泵的低压的同步状态。在这些状态下，增加了钻孔工具181容易被卡在钻孔中的可能性。当由传感器152检测到的推进/回拉泵的压力超出第一预定值时、以及当由传感器162检测到的旋转泵146的压力超出第二预定值时，可检测到这种异常状态。在同时检测到这些压力状态时，机器控制器74或中央处理器72可通过向泥浆泵200发送一适当的信号来增加泥浆的流率，由此防止钻孔工具181被卡住。或者，机器控制器74或中央处理器72可被编制程序，以便当如以上述方式确定推进/回拉泵的高压和旋转泵的低压状态同时存在时，减小钻孔工具181的移动速率。

如图13进一步所示，机器控制器74还可控制输送到钻孔工具181中的流体的粘度。该机器控制器74将控制信号传输至泥浆粘度控制器202以改变泥浆的粘度。泥浆粘度控制器202调节从流体源203所接收的、诸如水之类的稀薄流体的流动。流体源203可为诸如市政供水之类的水源，或者水槽或其它固定或移动的流体源。通过增加包含在泥浆槽201中的稀薄流体的相对体积可减小容纳在泥浆槽201中的泥浆的粘度。在这种情况中，机器控制器74向泥浆粘度控制器202发送一控制信号，以便增加输送至泥浆槽201的稀薄流体的体积，直到获得所需的粘度为止。

通过增加包含在泥浆槽201中的固体的相对体积可增加容纳在泥浆槽201中的泥浆的粘度。机器控制器74控制将固体或浆料添加物注入到泥浆槽201中的添加物泵/注射器206。在一种实施例中，泥浆槽201的内容物通过泥浆粘度控制器202和添加物泵/注射器206循环，以便在泥浆变化过程中稀薄流体和/或固体添加物可有选择地混入到循环着的泥浆混合物中，从而实现所需的泥浆粘度和组成。

根据另一种实施例，并请继续参阅图13，通过有选择地在泥浆槽的内容物中混入一种或多种添加物可改变容纳在泥浆槽201中、且被输送至钻孔工具181的泥浆的组成。要理解的是，在多个挖掘地点之间以及在一个挖掘地点的多个位置之间的土壤/岩石特性会完全不同。可能较理想的是，使输送至钻孔工具181的泥浆的成分与具体钻孔地点或者该钻孔地点的具体位置处的土壤/岩石状态相适应。诸如粉末之类的多种不同的泥浆添加物可有选择地从相应数量的泥浆添加物单元208、210、212注入到泥浆槽201中。

在以上述方式(例如，利用GPR成像或其它地球物理感应技术)人工或自动确定土壤或岩石的特性时，机器控制器74控制添加物泵/注射器206，以便从泥浆添加物单元208、210、212的其中一个或多个中选择并输送适当的泥浆添加物。由于土壤/岩石的特性在钻孔操作期间可能会有所变化，因而泥浆添加物控制器可向泥浆槽201或者位于泥浆槽201下游的输入口相适应地输送适当的泥浆添加物，以便加强钻孔操作。

流出钻孔的泥浆存在与否也可用作为可由机器控制器74所评定的控制系统输入。返回泥浆检测器205可位于入口凹坑位置，并用于确定出自钻孔的返回泥浆/切屑的体积和成分。一溢流阀可放置在入口凹坑附近，并较佳地位于一被掘开的部分中，以便流出钻孔的泥浆的一部分可溢出到该溢流阀中。返回泥浆检测器205可用于检测钻孔操作期间溢流阀中是否存在泥浆。土壤溢流阀中未检测到泥浆，则机器控制器74增加引入到钻孔中的泥浆的体积。

利用流量计和钻孔的横截面尺寸也可估计泥浆的体积。倘若返回泥浆的体积小于所需体积，则机器控制器74可增加引入到钻孔中的泥浆的体积，直到获得所需的返回泥浆的体积为止。还可对出自钻孔的切屑进行分析，该分析结果可用作为钻孔控制系统的输入。例如，光传感器可位于钻孔的入口凹坑位置上，以便分析切屑的大小。出自钻孔的切屑的大小可用作为用于判断钻孔工具是否正在所给的土壤/岩石类型中运行的一个因素。还可分析返回切屑的其它特性。

现在请参阅图14，图中示出了通过根据本发明的一种实施例的闭环实时钻孔控制系统的感应方向和控制信号的框图。根据该实施例，中央处理器72接收来自设置在钻孔工具181的井下传感器单元189内的各种传感器和设置在钻孔机泵、发动机和电动机上的各种传感器的多个输入。中央处理器72还接收来自钻孔计划软件和数据库设备78、地理基准单元76、地球物理传感器112和用户界面184的数据。利用这些数据和信号输入，中央处理器72使钻孔机/钻孔工具在沿着原定钻孔路径进行挖掘时的生产力最优化，倘若必要的话，还计算出另一种可供选择的飞速钻孔计划，以便将钻柱/钻孔工具/钻孔机的应力减至最小，同时避免与被埋设的危险物、障碍物和不理想的地质相接触。

例如，中央处理器72在检测到钻孔工具操纵行为中的明显变化时可修改所给的原定钻孔计划。可操纵因素可被规定为所给的原定钻孔路径。可操纵因素是钻孔工具在所给地质中如何迅速改变方向(即，操纵)的标志，并可按照当钻孔工具纵向移动时钻孔工具的纵摇或平摇的变化率来表达。倘若土壤/岩石的可操纵因素表明实际钻柱曲率将要比原定曲率平坦、这通常会引起较小的钻柱应力，则中央处理器72可相应地修改原定钻孔路径，以便可钻探通过关键的地下目标。

如图14所示，中央处理器72接收来自可包括一个或多个地球物理传感器198、加速计197、磁强计196和一个或多个环境传感器195的钻孔工具井下传感器单元189的各种传感器的输入信号。这些传感器输入信号较佳地由中央处理器72实时采集。中央处理器72还接收来自推进/回拉泵压力传感器152和振动传感器150、旋转泵压力传感器162和振动传感器160、泥浆泵压力传感器165和振动传感器163以及可安装在钻孔机结构/底盘上的其它振动传感器的输入信号。中央处理器72还接收由发动机传感器167所产生的输入信号。中央处理器72还经由用户界面184接收用户输入的指令。中央处理器72还接收来自一个或多个自动杆装载传感器168的输入数据。

响应这些输入信号、操作者的输入信号，并根据所选用的钻孔计划，中央处理器72控制钻孔机的操作，以便沿着原定钻孔路径尽可能高效地形成所需的钻孔。例如在控制推进/回拉泵144的过程中，中央处理器72产生代表所请求的推进/回拉泵输出级(即，压力)的初级控制信号S_A。响应由中央处理器72所接收的各种钻孔工具和钻孔机的传感器输入信号，该初级控制信号S_A可由补偿信号S_B修改。

通过由信号加法器S1所执行的信号求和操作来描绘利用补偿信号S_B来修改初级控制信号S_A的过程。在信号加法器S1的输出处产生推进/回拉泵控制信号CS₁。该推进/回拉泵控制信号CS₁被施加至推进/回拉泵144，以使推进/回拉泵的输出发生变化。要注意的是，取决于中央处理器72在所给瞬间所评估的传感器输入和钻孔计划数据，补偿信号S_B可显著地影响或不影响初级控制信号S_A。

中央处理器72还产生代表所请求的旋转泵输出级的初步控制信号S_C，响应由中央处理器72所接收的各种钻孔工具和钻孔机的传感器输入信号，该信号可由补偿信号S_D修改。在信号加法器S2的输出处产生旋转泵控制信号CS₂，并将该信号施加至旋转泵146，以使旋转泵的输出发生变化。

类似地，中央处理器72产生代表所请求的泥浆泵输出级的初步控制信号S_E，响应由中央处理器72所接收的各种钻孔工具和钻孔机的传感器输入信号，该信号可由补偿信号S_F修改。在信号加法器S3的输出处产生泥浆泵控制信号CS₃，并将该信号施加至泥浆泵200，以使泥浆泵的输出发生变化。

中央处理器72还产生代表所请求的钻孔机发动机输出级的初步控制信号S_G，响应由中央处理器72所接收的各种钻孔工具和钻孔机的传感器输入信号，该信号可由补偿信号S_H修改。在信号加法器S4的输出处产生发动机控制信号CS₄，并将该信号施加至发动机169，以使发动机性能发生变化。

根据本发明的另一种实施例，并请参阅图15-17，一遥控单元向操作者提供控制钻孔系统的全部或部分功能和活动的能力。根据该实施例，操作者利用如图16所示实施例的便携式控制单元来启动钻孔机和钻孔工具指令。请参阅图15A，图中示出了表示遥控单元304与水平方向钻探(HDD)机302之间各种信号的流动的框图。根据这种不算复杂的执行的系统结构，该钻孔工具181系一种传统设计，它包含有用于发送探针信号的发送器308。该发送器308或者也可被构成为除发送探针信号之外还用于接收来自遥控单元304的收发器。

在一种实施例中，遥控单元304具有相当于那些由传统定位器所提供的标准特点和功能。该遥控单元304还包含有收发器306和与该收发器306协同工作、用以向HDD 302发送钻孔和操纵指令312的各种控制器。该遥控单元304可包含有图16中所示的全部或部分控制器和显示器(这在下文中将更详细地描述)。HDD 302包含有用于接收来自遥控单元304的钻孔/操纵指令312、并用于将HDD状态信息310发送至遥控单元304的收发器(未图示)。HDD状态信息通常被显示在设置在遥控单元304上的显示器上。HDD 302装有中央处理器和相关界面，以便响应从遥控单元304所接收的控制信号使钻孔和操纵发生变化。

图15B示出了一种可向操作者提供与设置在钻孔工具181中或贴近其设置的井下电子设备通信的能力的较复杂的系统结构。根据一种系统结构，遥控单元324具有相当于那些由传统定位器所提供的标准特点和功能。除此之外，遥控单元324包含有发送和接收电磁(EM)信号的收发器326。遥控单元324的收发器326向井下电子设备发送钻孔和操纵指令333，这些指令由钻孔工具181的收发器328所接收。

井下电子设备处理钻孔和操纵指令，并响应地将这些指令传输至HDD 322，以使钻孔和操纵发生变化。在一种实施例中，钻孔工具电子设备将从遥控单元324所接收的钻孔/操纵指令基本没有变化地转发至HDD 322。在另一种实施例中，井下电子设备处理钻孔/操纵指令，并响应地产生使钻孔机/钻孔工具操作发生必要变化的HDD控制信号。

钻孔工具指令可从钻孔工具181经由有线331或无线通信链路330、332传输至HDD 322。无线通信链路330、332可经由遥控单元324或其它收发装置来建立。HDD 322将HDD状态信息经由有线通信链路336、338或无线通信链路334传输至遥控单元324。要理解的是，经由钻柱所建立的通信链路可装有一实际线路、但也可利用诸如本文中所述的以及本技术领域中已知的其它发送装置来进行。

图15B所示实施例的一种变化形式提供了上述功能，除此之外，还提供动态修改从遥控单元324所接收的钻孔工具操纵指令的能力。由钻孔工具181的井下传感器单元所采集和产生的数据可由井下电子设备处理，并用于修改从遥控单元324所接收的钻孔/操纵指令。例如，除旋转泵指令之外，井下电子设备可响应从遥控单元324所接收的钻孔/操纵指令333和从各种导航和地球物理传感器中所获得的其它数据来产生或改变泥浆泵和推进/回拉泵指令。井下电子设备还可产生改变钻孔工具的各种操纵机制、诸如流体喷射方向和喷口尺寸、操纵板/鸭嘴板的迎角(attack angle)、钻头的连接角度和/或方向、钻头的高度和角度等本地控制信号。

再例如，一种工具内(in-tool)或地上GPR单元可检测位于钻孔工具前方几英尺的障碍物的存在。代表所测得的障碍物的GPR数据通常在遥控单元324的显示器上显示给操作者。操作者可向钻孔工具181发出用于避开该障碍物的操纵指令。井下电子设备可响应该操纵指令在各种数据的基础上进一步修改操作者发出的操纵指令，以确保避开该障碍物。例如，操作者可能发出可避开障碍物、但却不在所需的安全范围(例如，2英尺)内的操纵指令。在这种情况下，井下电子设备可修改操作者发出的操纵指令，从而可以一种满足与具体障碍物相关的最小安全公差需要的方式来避开该障碍物。

现在请回到图16，图中示出了操作者可用于控制在钻孔操作期间影响钻孔工具的生产力和操纵的全部或部分钻孔机功能的遥控单元350的一种实施例。根据该实施例，遥控单元350包含有操纵方向控制器352，操作者用该控制器来控制钻孔工具的取向和钻孔工具的转速。操纵方向控制器352可包含有由操作者移动以使钻孔工具对准所需航向的操纵杆356。操纵方向控制器352还包含有具有适当的小时标记的钟面显示器354。操作者通常通过将操纵方向操纵杆356绕其轴线转动至所需位置来将操纵杆移至所需的时钟位置，诸如3:00位置。

操纵杆也可在所给时钟位置上前向或反向移动，以便按需改变钻孔工具的转速。钻孔机响应所选用的操纵杆的位置和位移提供必要的旋转和推进以改变当前的钻孔工具的位置和取向，从而使钻孔工具以所请求的斜率(steepness)移动至所请求的位置/航向。要理解的是，其它的操纵相关过程也可利用遥控单元350来进行调节，以便获得所需的钻孔工具的航向，诸如泥浆流动变化、流体喷射和操纵表面的变化等。

遥控单元350还包含有用于分别控制沿前向或反向施加给钻柱的力的量的钻探/回拉速率控制器358。或者，该钻探/回拉速率控制器358分别控制沿前向或反向的钻柱的推进速度。该钻探/回拉速率控制器358包含有可沿正负方向移动、以便以可变的推进力/速度的大小来使前向和反向移动发生变化的拉杆控制器360。使该拉杆控制器360正向移动可使钻孔工具以递增的推进力/速度的大小前向移动。而使该拉杆控制器360负向移动则可使钻孔工具以递增的推进力/速度的大小反向移动(即，回拉)。

钻探/回拉速率控制器358以及操纵方向控制器352可以诸如正常钻探模式和爬行模式之类的几种不同模式的其中之一来运行。模式选择开关377可用于选择所需的运行模式。爬行运行模式允许远距离操作者使钻孔工具以显著减小的速率缓慢且安全地移动和旋转。当使钻孔工具绕过地下障碍物操纵时、或者当在钻孔工具附近操作或者直接用钻孔工具操作、诸如在出口位置时，可能需要这种减小的转速和移动速率。要理解的是，可将参照遥控单元350所述的控制特点和功能装入在钻孔机中，用以本地控制钻孔操作。

图17示出了利用图16所示遥控单元350可实现的两种钻孔工具操纵方案。使钻孔工具沿着地下路径移动至目标位置A，在该位置上，钻孔工具以两个完全不同的角度驶向表面。钻孔路径382相对于钻孔路径384为一条陡峭且较短的到达地面的路线，而钻孔路径384则为一条较平缓且较长的路线。从位置A开始，通过将操纵方向操纵杆356沿着圆形时钟显示器354的外围方向移动可获得陡峭的钻孔路径382。响应操纵杆356从中间(即，未移动)位置朝着圆形时钟显示器354的外围向外较大的移动可获得较大的推进移动或其它操纵致动量。通过使操纵杆356保留在其中间或未移动位置附近可获得更平缓的钻孔路径384。响应操纵杆356相对于其中间位置的最小或另位移可获得较小的推进移动或其它操纵致动量。

根据另一种实施例，钻孔工具的操纵可以包括硬操纵模式和软操纵模式在内的几种操纵模式的其中之一来实现。这些操纵模式均可被设想采用先前参照共同拥有的美国专利5,746,278号所述的旋转和推进/回拉泵控制能力。根据硬操纵模式，操纵杆356的定位允许操作者在切割期间调节推进泵的压力。具体地讲，钻孔工具被向前推进，直到到达由当前的操纵杆356的位置所指示的推进/回拉泵的压力极限为止，此时，钻孔工具以如由切割持续时间来表示的规定方式进行旋转。切割持续时间是指钻孔工具将掠过的钟面扇区的数量。该切割持续时间通过使用设置在遥控单元350上的切割持续时间控制器375来设定。这个过程重复进行直到获得所选用的钻孔工具航向为止。

根据软操纵模式，操纵杆356的定位允许操作者在钻孔工具转过由切割持续时间所指示的规定数量之前调节钻孔工具的行进距离。具体地讲，钻孔工具被向前推进预定设定的行进距离，同时钻孔工具还转过切割持续时间。这个过程重复进行直到获得所需的钻孔工具航向为止。

根据采用岩火(rockfire)切割动作的本发明的另一种操纵模式，钻孔工具24被向前推进直到钻孔工具开始其切割动作为止。钻孔工具持续向前推进直到达到针对该土壤状况的预设压力为止。接着，钻孔工具顺时针转过切割持续时间，同时保持该预设压力。在岩火切割技术的范围中，术语“压力”是指钻孔工具上转矩和推进力的组合。钻孔工具在切割持续时间结束时终止其顺时针旋转，并且该钻孔工具被回拉直到钻孔工具上的压力为零为止。然后，该钻孔工具顺时针旋转至持续时间的起始处。这个过程重复进行直到获得所需的钻孔工具航向为止。

根据采用岩火切割动作的操纵模式的另一种实施例，钻孔工具24被向前推进直到钻孔工具开始其切割动作为止。钻孔工具持续向前推进直到达到与该土壤状况的预设压力相符为止。接着，钻孔工具顺时针转过切割持续时间，同时保持该预设压力。钻孔工具在切割持续时间结束时终止其顺时针旋转。然后，钻孔工具逆时针旋转，同时保持大约小于使用钻杆所需的组成转矩(makeup torgue)的60％的转矩。倘若转矩过大，则减少或终止钻孔工具的逆时针旋转，并且该钻孔工具被回拉直到达到组成转矩的大约60％为止。钻孔工具持续逆时针旋转直到切割持续时间的起始处为止。这个过程重复进行直到获得所需的钻孔工具航向为止。

根据又一种先进的操纵能力，当操纵钻孔工具时会引起在钻探操作期间作用在钻柱上的扭转力。在钻探领域中要很好地理解的是，在钻孔机处的钻柱停止旋转之后，由于通常称之为扭转卷紧(wind-up)或管状裹绕(pipe wrap)的扭转弹性的影响而发生钻孔工具的剩余旋转。因扭转卷紧而引起的钻孔工具的剩余旋转的程度由包括钻柱的长度和直径、由钻孔机施加给钻柱的转矩以及由包围钻柱的具体类型的土壤/岩石作用在钻柱上的牵引力在内的多个因素所决定。

当操纵钻孔工具以跟随所需航向时，用于操纵钻孔工具的共同的技术涉及使该工具旋转至进行操纵变化所需的一所选择的取向，使工具在所选用的取向处停止旋转，然后将钻孔工具向前推进。这个过程重复进行以获得所需的钻孔工具航向。然而要意识到的是，由于存在扭转卷紧作用，因而难易使旋转着的钻孔工具停在所需取向上。传统的操纵途径需要使用便携式定位器来在向钻孔工具施加推进力之前先确定钻孔工具适当取向。远距离操作者必须协同钻孔机操作者确保在施加推进力之前钻孔工具既非旋转不足也非过量。人工评定或确认钻孔工具的取向以便进行航向变化的过程在操作人力资源方面是费时费钱的。

本发明的一种适应性操纵方法的特征在于所给钻柱的扭转卷紧行为，并因为可在长度和曲率上调节钻柱而更新该特征。利用所采集的卷紧特征数据，钻孔工具可转至所需取向而无需操作者参与。例如，在一具体钻孔工具位置上的扭转卷紧可有80度的剩余旋转。较早采集的数据可表明卷紧速率以每20英尺附加的钻柱长度1度的速率显著地线性增大。在这些数据的基础上，利用适当的外推法可估计钻孔工具在下一个转向位置上的剩余旋转。要理解的是，卷紧度可以一种作为附加的钻柱长度的函数的非线性方式增加，并且在这种情况下，应向数据施加适当的非线性外推法。

在该图示实施例中，假定将在下一个转向位置上发生的所估计的剩余旋转被算得为84度。该所估计的剩余旋转可在钻孔机上发生，这样钻孔机就使钻柱停止旋转，以使钻孔工具额外转过84度至进行操纵变化所需的取向。例如，倘若由于土壤/岩石成分中发生未料想的变化而在下一个转向位置上发生旋转过量，则过去的和当前的扭转卷紧特征可用于使钻孔机因改变的土壤/岩石特性而将钻孔工具转至适当的取向(例如，由于未料想土壤/岩石中的牵引力增大，因而实际扭转卷紧成为88度的剩余钻孔工具旋转而不是所估计的86度的剩余旋转)。

要意识到的是，所给钻柱的扭转卷紧行为可以其它方式、诸如通过利用速度和/或加速度的分布来表示其特征。例如，加速度或速度的分布可用来表示扭转卷紧期间钻柱的旋转变化的特征。具体地讲，在钻孔机使钻柱停止旋转的时间与当剩余钻孔工具旋转停止时的时间之间的钻柱的加速度或速度可用来表示卷紧加速度/速度分布数据。这些数据可用于估算钻柱在所给转向位置上的扭转卷紧行为，以使该钻孔工具在钻孔工具停止剩余旋转之后转至所需取向。

启动钻柱旋转时也可采用一种适应性方法，它在重新启动较长的钻柱的旋转时尤其适用。当使钻孔工具的旋转发生细小缓慢的变化时，将初始组装的旋转行为特征化可便于高度控制。当操作者在钻孔工具上或者接近该钻孔工具工作时，这种控制能力是较理想的。旋转传感器可用于确定旋转单元的齿轮箱在钻孔工具旋转之前旋转到什么程度。齿轮箱与钻孔工具的旋转中的这种差异是由上述扭转卷紧作用所引起的。该差异可被监视和补偿，以便启动钻柱旋转，以使钻孔工具旋转至所需取向。

请继续参阅图16，设有一用于警告操作者迫近碰撞情形的警告指示器374。该警告指示器374可为发光指示器、播送声音警报的扬声器或者可视和声音指示器的组合。设有一用于使操作者在适当的时候终止所有钻探相关活动的结束开关376。模式选择开关377供选择多种不同操作模式、诸如正常钻探模式、爬行模式、倒扩孔模式和输送模式等的其中一种模式之用。

在遥控单元350上设有若干显示器。在钻孔机状态显示器362上向操作者显示涉及钻孔机状态和活动的各种数据。通过钻孔工具状态显示器366向操作者显示涉及钻孔工具状态的各种数据。适当的显示窗364中也可显示钻孔工具可操纵因素数据。在适当的显示器370、372上可显示原定和实际钻孔路径。要理解的是，可在遥控单元350上显示不同于图16所示的数据类型。例如，GPR成像数据或其它地球物理传感器数据可以图形形式显示在适当的显示器上，诸如与人造和地质结构相关的成像数据。另外，要意识到的是，图16中所示的各种显示器可构成物理上不同的显示装置或者单个显示器的独立的窗口。

当然，要理解的是，在不脱离本发明范围的情况下，上述较佳实施例具有各种变化和附加。因此，本发明的范围不应被限制在上述具体实施例中，而应仅仅由下列权利要求及其等效物来限定。

Claims (28)

1.一种水平方向钻探机器，包括：

能够在钻孔操作期间旋转并纵向推进钻杆的基地(base)机器，钻探工具与所述钻杆相连；

操作者控制站(station)，机器操作者可利用所述控制站来控制所述基地机器；以及

包括显示器的界面，所述界面被构成为可接收来自多个不同类型的跟踪系统的信息，所述界面接收来自所述基地机器的机器信息和来自所述多个跟踪系统中的一跟踪系统的方位信息，所述显示器显示所述机器和方位信息，以便供机器操作者使用。

2.如权利要求1所述的机器，其特征在于，所述多个跟踪系统包括多个不同类型的步行跟踪系统，所述界面被构成为可接收来自所述多个步行跟踪系统中的一步行跟踪系统的方位信息。

3.如权利要求2所述的机器，其特征在于，所述步行跟踪系统利用无线通信链路向所述界面传送数据。

4.如权利要求3所述的机器，其特征在于，所述无线通信链路包括单向无线通信链路，数据通过所述单向无线通信链路从所述步行跟踪系统传送至所述界面。

5.如权利要求3所述的机器，其特征在于，所述无线通信链路包括双向无线通信链路，数据通过所述双向无线通信链路在所述步行跟踪系统与所述界面之间双向传送。

6.如权利要求1所述的机器，其特征在于，所述多个跟踪系统包括多个不同类型的井下跟踪系统，所述界面构成为可接收来自所述多个井下跟踪系统中的一井下跟踪系统的方位信息。

7.如权利要求6所述的机器，其特征在于，还包括通信连接所述井下跟踪系统与所述界面的通信链路，所述通信链路包括穿过所述钻杆的传导体。

8.如权利要求6所述的机器，其特征在于，还包括通信连接所述井下跟踪系统与所述界面的通信链路，所述通信链路包括将所述钻杆用作为声音通信链路的声音系统。

9.如权利要求6所述的机器，其特征在于，还包括通信连接所述井下跟踪系统与所述界面的通信链路，所述通信链路包括泥浆脉冲系统。

10.如权利要求1所述的机器，其特征在于，所述多个跟踪系统包括井下跟踪系统和步行跟踪系统，其中，第一定位信息在所述井下跟踪系统与所述界面之间通信，而第二定位信息则在所述步行跟踪系统与所述界面之间通信。

11.如权利要求10所述的机器，其特征在于，钻杆通信链路通信连接所述井下跟踪系统与所述界面，无线通信链路连接所述步行跟踪系统与所述界面，其中，所述第一和第二定位信息分别经所述钻杆通信链路和无线通信链路同时通信至所述界面。

12.如权利要求1所述的机器，其特征在于，所述显示器显示在启动所述钻孔操作之前所创建的钻孔计划信息。

13.如权利要求1所述的机器，其特征在于，所述显示器显示代表所述钻孔工具相对于计划位置所处的实际位置的信息。

14.如权利要求12或13所述的机器，其特征在于，所述界面便于根据在所述钻孔操作期间所产生的信息在钻孔操作期间对相应的信息进行修改。

15.一种地下钻孔系统，包括：

钻孔工具；

用于驱动所述钻孔工具、以便在钻孔操作期间形成一地下路径的驱动系统；

用于形成代表所述钻孔工具的位置和取向的数据的跟踪系统；

操作者控制站，机器操作者可利用所述控制站来控制所述驱动系统，以便影响所述地下路径的方位和方向；以及

包括显示器的界面，所述界面接收所述数据，并显示该数据以供所述机器操作者使用，所述界面适于接收来自多个不同类型的跟踪系统的数据。

16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述显示器显示在启动所述钻孔操作之前所创建的钻孔计划信息。

17.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述显示器显示代表所述钻孔工具相对于计划位置所处的实际位置的信息。

18.如权利要求16或17所述的系统，其特征在于，所述界面便于根据在所述钻孔操作期间所产生的信息在钻孔操作期间对相应的信息进行修改。

19.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述多个跟踪系统包括多个不同类型的步行跟踪系统，所述界面被构成为可接收来自所述多个步行跟踪系统中的一步行跟踪系统的数据。

20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述步行跟踪系统利用无线通信链路向所述界面传送数据。

21.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述无线通信链路包括单向无线通信链路，数据通过所述单向无线通信链路从所述步行跟踪系统传送至所述界面。

22.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述无线通信链路包括双向无线通信链路，数据通过所述双向无线通信链路在所述步行跟踪系统与所述界面之间双向传送。

23.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述多个跟踪系统包括多个不同类型的井下跟踪系统，所述界面构成为可接收来自所述多个井下跟踪系统中的一井下跟踪系统的数据。

24.如权利要求23所述的系统，其特征在于，还包括通信连接所述井下跟踪系统与所述界面的通信链路，所述通信链路包括穿过所述钻杆的传导体。

25.如权利要求23所述的系统，其特征在于，还包括通信连接所述井下跟踪系统与所述界面的通信链路，所述通信链路包括将所述钻杆用作为声音通信链路的声音系统。

26.如权利要求23所述的系统，其特征在于，还包括通信连接所述井下跟踪系统与所述界面的通信链路，所述通信链路包括泥浆脉冲系统。

27.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述多个跟踪系统包括井下跟踪系统和步行跟踪系统，其中，第一定位信息在所述井下跟踪系统与所述界面之间通信，而第二定位信息则在所述步行跟踪系统与所述界面之间通信。

28.如权利要求27所述的系统，其特征在于，钻杆通信链路通信连接所述井下跟踪系统与所述界面，无线通信链路连接所述步行跟踪系统与所述界面，其中，所述第一和第二定位信息分别经所述钻杆通信链路和无线通信链路同时通信至所述界面。

Images