FR2661712A1

FR2661712A1 - IMPROVEMENT CONCERNING THE GUIDANCE OF A TOOL FOLLOWING AN UNDERGROUND ROUTE.

Info

Publication number: FR2661712A1
Application number: FR9105393A
Authority: FR
Inventors: Wallis Nicholas Peter; Holmes Anne
Original assignee: Baroid Technology Inc
Current assignee: Baroid Technology Inc
Priority date: 1990-05-04
Filing date: 1991-05-02
Publication date: 1991-11-08
Also published as: NO911740L; IT1248782B; GB9109116D0; DE4114784A1; CA2041622A1; GB2243693A; ITMI911219A0; ITMI911219A1; GB9010096D0; NO911740D0; NL9100772A

Abstract

Dans le but de guider un outil suivant un trajet souterrain (6) proche de surface, par exemple pour le passage d'une rivière (7), l'outil comprend un détecteur magnétique, et une boucle d'émission (10, 12) est placée à la surface. Dans une phase de mesure, un courant continu circule dans un sens dans la boucle (10, 12) et le champ magnétique résultant à proximité de l'outil est détecté au moyen du détecteur magnétique. Dans une autre phase de mesure, un courant continu circule dans le sens opposé. Des techniques de traitement sont utilisées pour déterminer la position au moyen du champ magnétique détecté et des données sur l'orientation de l'outil, et un guidage de l'outil peut être réalisé sur la base de ces informations. La technique permet de guider un outil suivant un trajet souterrain avec une haute précision.In order to guide a tool along an underground path (6) close to the surface, for example for the passage of a river (7), the tool comprises a magnetic detector, and an emission loop (10, 12) is placed on the surface. In a measurement phase, a direct current flows in one direction in the loop (10, 12) and the resulting magnetic field near the tool is detected by means of the magnetic detector. In another measurement phase, a direct current flows in the opposite direction. Processing techniques are used to determine the position using the detected magnetic field and data on the orientation of the tool, and guidance of the tool can be performed based on this information. The technique allows guiding a tool along an underground path with high precision.

Description

i Cette invention concerne un procédé et un dispositif pour guider uni This invention relates to a method and a device for guiding a

outil suivant un trajet souterrain proche de la surface, par exemple pour le percement d'un passage souterrain sous une rivière ou un autre obstacle. On sait comment percer un passage sous une rivière à l'aide d'un outil dit à orientation magnétique qui comprend une tête de forage orientée de telle manière que la direction de percement dépend de l'angle de la face de coupe, c'est-à-dire de l'angle de site ou de l'angle de roulis de l'outil autour de son axe par rapport à une référence L'orientation de l'outil est commandée en modifiant l'angle de la face de coupe, généralement sous le contrôle de l'opérateur, en fonction de mesures effectuées par des détecteurs magnétiques ou gravimétriques sur l'outil, indiquant la direction de forage par rapport au champ magnétique terrestre et l'orientation de l'outil Des exemples de tels outils à tool following an underground path close to the surface, for example for drilling an underground passage under a river or another obstacle. We know how to pierce a passage under a river using a tool called magnetic orientation which includes a drilling head oriented in such a way that the direction of drilling depends on the angle of the cutting face, it is ie the elevation angle or the roll angle of the tool around its axis relative to a reference The orientation of the tool is controlled by modifying the angle of the cutting face, generally under the control of the operator, based on measurements made by magnetic or gravimetric detectors on the tool, indicating the direction of drilling relative to the earth's magnetic field and the orientation of the tool Examples of such tools include

guidage magnétique sont décrits dans la description de magnetic guidance are described in the description of

brevet britannique GB-A-1342475 et dans la description de British patent GB-A-1342475 and in the description of

brevet des Etats-Unis US-A-3791043.United States patent US-A-3791043.

Toutefois, à proximité d'un passage de rivière type, il existe de nombreuses sources d'interférences magnétiques, par exemple des conduites enterrées, qui tendront à provoquer des mesures magnétiques trompeuses ayant pour résultat une détermination inexacte de l'angle azimutal et une orientation incorrecte de l'outil En outre, les détecteurs magnétiques et gravimétriques doivent être à proximité du trépan pour établir la commande directionnelle requise (azimut et inclinaison) et les mesures magnétiques seront par conséquent affectées par le matériau magnétique du trépan En outre, l'expérience a montré que, si le passage en cours de percement est orienté pour déboucher à côté de l'objectif prévu, il est indispensable qu'il soit possible de déterminer avec précision, au cours de l'opération de percement, la position présente de l'outil et de prévoir avec précision l'orientation requise (azimut et However, near a typical river crossing, there are many sources of magnetic interference, for example buried pipes, which will tend to cause misleading magnetic measurements resulting in inaccurate azimuth angle determination and orientation tool incorrectly In addition, magnetic and gravity detectors must be near the drill bit to establish the required directional control (azimuth and tilt) and magnetic measurements will therefore be affected by the magnetic material of the drill bit has shown that, if the passage being pierced is oriented to lead to the side of the intended objective, it is essential that it is possible to determine with precision, during the piercing operation, the present position of the tool and accurately predict the required orientation (azimuth and

inclinaison) pour atteindre l'objectif. tilt) to reach the goal.

On sait, d'après la description de brevet des Etats- We know from the patent description of the United States

Unis US-A 4710708, comment trouver la position d'une sonde comprenant un récepteur spécial en utilisant ce dernier pour détecter le champ magnétique alternatif transmis par un émetteur situé à distance Il n'est toutefois pas possible d'utiliser une telle technique avec States US-A 4710708, how to find the position of a probe including a special receiver using the latter to detect the alternating magnetic field transmitted by a transmitter located at a distance It is however not possible to use such a technique with

les outils orientables existants.existing orientable tools.

On sait, en outre, par la description de brevet des We also know from the patent description of

Etats-Unis US-A 4875014, comment trouver la position d'un outil à guidage magnétique en détectant, au moyen d'un détecteur magnétique de l'outil, un champ magnétique produit par un courant circulant dans une boucle conductrice faite de segments droits placés à la surface du sol au-dessus du trajet de forage prévu pour l'avancement Toutefois un positionnement précis de tels segments droits peut se révéler difficile, en particulier sur un sol inégal, et cela peut impliquer des techniques United States US-A 4875014, how to find the position of a tool with magnetic guidance by detecting, by means of a magnetic detector of the tool, a magnetic field produced by a current flowing in a conductive loop made of straight segments placed on the ground surface above the drilling path intended for advancement However, precise positioning of such straight segments can be difficult, especially on uneven ground, and this may involve techniques

complexes de relevés.survey complexes.

Un but de l'invention est de proposer une technique pour guider un outil suivant un trajet souterrain avec une haute précision et sans nécessiter de circuits non An object of the invention is to propose a technique for guiding a tool along an underground path with high precision and without requiring circuits that are not

standards pour la détection et le traitement. standards for detection and treatment.

La présente invention propose à cet effet un procédé pour guider un outil suivant un trajet souterrain proche de la surface, dans lequel l'outil comprend un détecteur magnétique et dans lequel une boucle d'émission est placée en surface, comme référence pour l'outil, lequel procédé comprend, dans une phase de mesure, le passage d'un courant continu dans un sens dans la boucle et la détection du champ magnétique à proximité de l'outil dans ladite phase de mesure au moyen du détecteur magnétique et, dans une autre phase de mesure, le passage d'un courant continu dans le sens opposé dans la boucle et la détection du champ magnétique à proximité de l'outil dans ladite autre phase de mesure au moyen du détecteur magnétique, et le guidage de l'outil en fonction des To this end, the present invention provides a method for guiding a tool along an underground path close to the surface, in which the tool comprises a magnetic detector and in which an emission loop is placed on the surface, as a reference for the tool. , which method comprises, in a measurement phase, passing a direct current in one direction in the loop and detecting the magnetic field near the tool in said measurement phase by means of the magnetic detector and, in a another measurement phase, passing a direct current in the opposite direction in the loop and detecting the magnetic field near the tool in said other measurement phase by means of the magnetic detector, and guiding the tool depending of

résultats de ces mesures.results of these measurements.

Le courant dans la boucle dans un sens produira un champ magnétique dans un sens, superposé au champ magnétique terrestre tel que détecté par le détecteur magnétique, et le courant dans la boucle dans l'autre sens produira un champ magnétique dans le sens opposé, superposé au champ magnétique terrestre, de telle manière que la différence entre les mesures magnétiques faites dans les deux phases de mesure fournira une indication du champ magnétique dû au courant dans la boucle (duquel le champ magnétique terrestre a été éliminé) Des techniques de traitement direct peuvent être utilisées pour déterminer les informations sur la position à l'aide des The current in the loop in one direction will produce a magnetic field in one direction, superimposed on the earth's magnetic field as detected by the magnetic detector, and the current in the loop in the other direction will produce a magnetic field in the opposite direction, superimposed to the Earth's magnetic field, so that the difference between the magnetic measurements made in the two measurement phases will provide an indication of the magnetic field due to the current in the loop (from which the Earth’s magnetic field has been eliminated). be used to determine location information using the

valeurs de champ magnétique détectées. magnetic field values detected.

Dans ce procédé, il est préférable qu'au moins une partie de la boucle d'émission ait la forme d'une courbe régulière La mise en place de la boucle sur un sol inégal est alors plus aisée que dans le cas o la boucle se composerait d'une série de segments droits Ainsi, par exemple, si la boucle comprend au moins une partie en forme d'arc de cercle, on appréciera que la ou chaque partie courbe puisse être positionnée avec précision au moyen d'un élément de guidage fixé en un point correspondant au centre du cercle La boucle comprend judicieusement une partie semicirculaire et une autre partie, rectiligne, située le long du diamètre du demi-cercle. D'autres dispositions de la boucle sont possibles dans le cadre de l'invention Par exemple, la boucle peut avoir sensiblement la forme d'une ellipse, d'un cercle, d'une parabole ou d'une hyperbole, ou en partie cette forme Une ellipse peut être disposée d'une manière connue en utilisant un élément de guidage de longueur prédéterminée fixé par ses deux extrémités aux foyers de l'ellipse. Dans un procédé préféré, dans une phase de mesure supplémentaire, de préférence exécutée entre les deux phases de mesure ci-dessus mentionnées, aucun courant ne passe dans la boucle et le champ magnétique à proximité de l'outil est détecté, dans ladite phase de mesure supplémentaire, au moyen du détecteur magnétique. 11 est en outre préférable que l'outil comprenne un détecteur gravimétrique qui détecte le champ de gravité de la Terre à proximité de l'outil, et que les données sur l'orientation de l'outil, telles que l'angle de site, l'angle d'inclinaison et l'angle azimutal, soient déterminés à partir des mesures effectuées par le détecteur magnétique et le détecteur gravimétrique dans ladite phase de mesure supplémentaire Ces mesures comprendront généralement les composantes des champs magnétique et gravimétrique suivant trois axes In this process, it is preferable that at least part of the transmission loop has the shape of a regular curve. The installation of the loop on uneven ground is then easier than in the case where the loop would consist of a series of straight segments Thus, for example, if the loop comprises at least one part in the form of an arc of a circle, it will be appreciated that the or each curved part can be positioned precisely by means of a guide element fixed at a point corresponding to the center of the circle The loop judiciously comprises a semicircular part and another part, rectilinear, located along the diameter of the semicircle. Other arrangements of the loop are possible within the framework of the invention. For example, the loop may have substantially the shape of an ellipse, a circle, a parabola or a hyperbola, or in part this shape An ellipse can be arranged in a known manner using a guide element of predetermined length fixed by its two ends to the focal points of the ellipse. In a preferred method, in an additional measurement phase, preferably carried out between the two above-mentioned measurement phases, no current flows in the loop and the magnetic field near the tool is detected, in said measurement phase. additional measurement, by means of the magnetic detector. It is also preferable for the tool to include a gravimetric detector which detects the Earth's gravitational field near the tool, and for the data on the orientation of the tool, such as the angle of elevation, the angle of inclination and the azimuth angle, are determined from the measurements made by the magnetic detector and the gravimetric detector in said additional measurement phase These measurements will generally include the components of the magnetic and gravimetric fields along three axes

orthogonaux entre eux, dont l'un est l'axe de l'outil. orthogonal to each other, one of which is the axis of the tool.

Une indication de la position de l'outil par rapport à la boucle peut être obtenue par un procédé de calcul basé sur la relation entre les mesures magnétiques effectuées dans lesdites phases de mesure et le champ magnétique, dû au courant dans la boucle, attendu pour la position de l'outil, au moyen d'équations de transformation utilisant l'angle de site, l'angle d'inclinaison et l'angle azimutal Les informations concernant la position présente de l'outil et la position-cible de l'outil peuvent alors être utilisées pour produire un signal d'orientation pour diriger l'outil. L'invention propose également un dispositif pour guider un outil suivant un trajet souterrain proche de la surface, dans lequel l'outil comprend un détecteur magnétique, le dispositif comprenant une boucle d'émission à placer en surface, en tant que référence pour l'outil, un moyen d'alimentation en courant pour faire circuler un courant continu dans un sens dans la boucle pendant une phase de mesure et pour faire circuler un courant continu dans l'autre sens dans la boucle pendant une autre phase de mesure, et un moyen de commande pour détecter le champ magnétique à proximité de l'outil au moyen du détecteur magnétique lors de chacune desdites phases de mesure et pour guider l'outil en fonction des résultats de ces mesures. Afin de faciliter la pleine compréhension de l'invention, on se référera, à titre d'exemple, aux dessins d'accompagnement, dans lesquels: La figure 1 est un schéma explicatif illustrant une technique suivant l'invention; La figure 2 est un schéma montrant la mise en oeuvre pratique d'un développement de la technique; et An indication of the position of the tool relative to the loop can be obtained by a calculation method based on the relationship between the magnetic measurements made in said measurement phases and the magnetic field, due to the current in the loop, expected for the position of the tool, using transformation equations using the site angle, the tilt angle and the azimuth angle Information concerning the present position of the tool and the target position of the tool can then be used to generate an orientation signal to steer the tool. The invention also provides a device for guiding a tool along an underground path close to the surface, in which the tool comprises a magnetic detector, the device comprising an emission loop to be placed on the surface, as a reference for the tool, a current supply means for circulating a direct current in one direction in the loop during a measurement phase and for circulating a direct current in the other direction in the loop during another measurement phase, and a control means for detecting the magnetic field near the tool by means of the magnetic detector during each of said measurement phases and for guiding the tool according to the results of these measurements. In order to facilitate full understanding of the invention, reference will be made, by way of example, to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a technique according to the invention; FIG. 2 is a diagram showing the practical implementation of a development of the technique; and

La figure 3 est un autre schéma explicatif. Figure 3 is another explanatory diagram.

On va maintenant décrire, en se référant au schéma explicatif de la figure 1, une technique de guidage d'un outil à orientation classique, tel que décrit dans la We will now describe, with reference to the explanatory diagram of FIG. 1, a technique for guiding a tool with a conventional orientation, as described in the

description de brevet des Etats-Unis US-A 3791043, United States patent description US-A 3791043,

suivant un trajet souterrain 5 proche de la surface Cette technique fait appel à une boucle, ou grille, 1 rectangulaire en fil, de dimensions connues, à savoir de longueur 21 et de largeur 2 w, qui doit être placée autour ou à proximité du point de sortie requis 2, en tant que cible pour l'outil, et elle est décrite d'abord à titre d'explication générale de l'approche sous-jacente à la présente invention, étant donné que l'utilisation d'une following an underground path 5 close to the surface This technique uses a loop, or grid, 1 rectangular wire, of known dimensions, namely of length 21 and width 2 w, which must be placed around or near the point required output 2, as a target for the tool, and is described first as a general explanation of the approach underlying the present invention, since the use of a

boucle rectangulaire est plus simple à décrire. rectangular loop is easier to describe.

La boucle rectangulaire 1 est soutenue au moins par ses coins par des montants de soutien (non représentés) de manière à être située dans un plan sensiblement horizontal au-dessus de la surface du sol En outre, une source d'alimentation en courant continu (non représentée) est reliée à la boucle 1 au moyen d'un commutateur, et la série suivante de mesures est effectuée à intervalles d'environ 10 m le long du trajet 5 suivi par l'outil pendant le forage, qui va d'un point d'entrée 3 au point The rectangular loop 1 is supported at least by its corners by support uprights (not shown) so as to be situated in a substantially horizontal plane above the ground surface. In addition, a source of DC power ( not shown) is connected to loop 1 by means of a switch, and the following series of measurements is carried out at intervals of approximately 10 m along the path 5 followed by the tool during drilling, which goes from one entry point 3 to point

de sortie 2.output 2.

A chaque emplacement de mesure, l'outil est arrêté de telle manière que les mesures puissent être effectuées au moyen de fluxmètres à trois axes et d'accéléromètres à trois axes en trois phases de mesures, comme suit: 1 Le commutateur est actionné pour faire circuler un courant continu de valeur prédéterminée dans la boucle 1 dans un sens déterminé par la position du commutateur dans une première phase de mesure, et les mesures du champ magnétique sont effectuées suivant trois axes fixes de l'outil perpendiculaire entre eux, au moyen des At each measurement location, the tool is stopped so that measurements can be made using three-axis flowmeters and three-axis accelerometers in three measurement phases, as follows: 1 The switch is actuated to make circulate a direct current of predetermined value in loop 1 in a direction determined by the position of the switch in a first measurement phase, and the measurements of the magnetic field are carried out along three fixed axes of the tool perpendicular to each other, by means of the

fluxmètres.flow meters.

2 Le commutateur est ensuite mis dans une position telle qu'aucun courant ne circule dans la boucle 1 dans une seconde phase de mesure, et les mesures du champ magnétique et du champ de gravité sont effectuées suivant les trois axes fixes de l'outil perpendiculaires entre 2 The switch is then placed in a position such that no current flows in loop 1 in a second measurement phase, and the measurements of the magnetic field and the gravity field are carried out along the three fixed axes of the tool perpendicular Between

eux, au moyen des fluxmètres et des accéléromètres. them, by means of fluxmeters and accelerometers.

3 Le commutateur est-ensuite mis dans une position telle qu'un courant continu de la même valeur prédéterminée passe dans la boucle 1 dans le sens opposé, dans une troisième phase de mesure, et les mesures du champ magnétique sont effectuées suivant les trois axes fixes de l'outil perpendiculaires entre eux, au moyen des fluxmètres. Chacune des trois phases de mesure n' a lieu qu'une seule fois tandis que l'outil est maintenu fixe à un emplacement de mesure, et chaque phase de mesure est déclenchée par une position adéquate du commutateur si bien qu'il y a trois niveaux de courant distincts dans la boucle 1 dans les trois phases En outre, on notera que le champ magnétique de fond, c'est-à-dire le champ magnétique terrestre, peut être éliminé en soustrayant les mesures de champ magnétique effectuées lors de la troisième phase de mesure des mesures du champ magnétique effectuées lors de la première phase de mesure, de manière à déterminer les composantes du champ magnétique à proximité de l'outil qui sont dûes exclusivement au courant dans la boucle Cela présente l'avantage supplémentaire de lisser une partie du bruit dans les mesures du fluxmètre et de mettre en lumière toute erreur évidente dans les mesures S'il existe une différence importante dans la valeur des mesures du champ magnétique effectuées dans la première phase de mesure et dans la troisième phase de mesure, il peut alors être nécessaire de procéder à des mesures 3 The switch is then placed in a position such that a direct current of the same predetermined value passes through loop 1 in the opposite direction, in a third measurement phase, and the measurements of the magnetic field are carried out along the three axes. fixed to the tool perpendicular to each other, using flux meters. Each of the three measurement phases takes place only once while the tool is held stationary at a measurement location, and each measurement phase is triggered by a suitable position of the switch so that there are three separate current levels in loop 1 in the three phases In addition, it should be noted that the background magnetic field, that is to say the earth's magnetic field, can be eliminated by subtracting the magnetic field measurements made during the third measurement phase of the magnetic field measurements made during the first measurement phase, so as to determine the components of the magnetic field near the tool which are due exclusively to the current in the loop This has the additional advantage of smoothing some of the noise in the fluxmeter measurements and to highlight any obvious error in the measurements If there is a significant difference in the value of the magnetic field measurements tick performed in the first measurement stage and the third measurement phase, it may be necessary to perform measurements

supplémentaires par le fluxmètre.additional by the flowmeter.

La position de l'outil à l'endroit de la mesure peut être déterminée par une technique qui établit un rapport entre les mesures magnétiques effectuées par les fluxmètres, et en particulier les valeurs dûes au courant dans la boucle (desquelles l'effet du champ magnétique terrestre a été éliminé), et les valeurs calculées du champ magnétique à l'endroit de la mesure, résultant du courant dans la boucle et déterminé à partir des dimensions de la boucle, de l'intensité du courant et de la position de l'endroit de la mesure par rapport à la boucle Cela est obtenu en convertissant les mesures de champ magnétique relatives aux axes fixes de l'outil en valeurs rapportées aux axes fixes de la boucle, par résolution à partir de l'angle de site Ab, l'angle d'inclinaison 6 et l'angle azimutal A, qui sont les angles par lesquels les axes fixes de l'outil se transforment en axes fixes de la boucle, comme décrit par exemple dans la The position of the tool at the location of the measurement can be determined by a technique which establishes a relationship between the magnetic measurements made by the fluxmeters, and in particular the values due to the current in the loop (of which the effect of the field magnetic field has been eliminated), and the calculated values of the magnetic field at the measurement location, resulting from the current in the loop and determined from the dimensions of the loop, the intensity of the current and the position of l measurement location relative to the loop This is obtained by converting the magnetic field measurements relative to the fixed axes of the tool into values related to the fixed axes of the loop, by resolution from the angle of elevation Ab, the angle of inclination 6 and the azimuth angle A, which are the angles by which the fixed axes of the tool are transformed into fixed axes of the loop, as described for example in the

description de brevet britannique GB -A 1578053 Les British patent description GB -A 1578053 Les

angles de site, d'inclinaison et d'azimut sont déterminés à partir des mesures de champ magnétique et de champ de gravité, effectuées dans la seconde phase de mesure d'une manière connue, par exemple telle que décrite dans la elevation, tilt and azimuth angles are determined from the magnetic field and gravity field measurements made in the second measurement phase in a known manner, for example as described in

description de brevet des Etats-Unis US-A-3791043 Toute US Patent Description US-A-3791043 Any

erreur dans ces angles aura pour résultat une erreur correspondante dans la position finale calculée de l'outil. La position finale de l'outil à l'endroit de la mesure est calculée à partir des mesures magnétiques ramenées aux axes fixes de grille par un procédé itératif qui nécessite une estimation initiale de la position de l'outil, ainsi qu'on le décrira plus en détail ci-dessous error in these angles will result in a corresponding error in the calculated final position of the tool. The final position of the tool at the measurement location is calculated from the magnetic measurements brought back to the fixed grid axes by an iterative process which requires an initial estimate of the position of the tool, as will be described. in more detail below

en se référant à la base mathématique du procédé. with reference to the mathematical basis of the process.

Conversion des mesures magnétiques par rapport aux axes fixes de grille Les mesures magnétiques dues au courant dans la boucle par rapport aux axes fixes de l'outil (xt, yt, zt) peuvent être ramenées aux axes fixes de grille (xg, yg, zg), dans lesquels zg est perpendiculaire au plan xg, yg de la grille de la figure 1, à l'aide des équations suivantes: Conversion of magnetic measurements with respect to the fixed grid axes Magnetic measurements due to the current in the loop with respect to the fixed axes of the tool (xt, yt, zt) can be reduced to the fixed grid axes (xg, yg, zg ), in which zg is perpendicular to the plane xg, yg of the grid in Figure 1, using the following equations:

bxg = bx t (sin O cose cos$ + cos" sin 4) - bxg = bx t (sin O cose cos $ + cos "sin 4) -

bt (sine cose sine cos O cose) + bzt sin O sine ( 1) bt (sine cose sine cos O cose) + bzt sin O sine (1)

brg = bxt (cos O cose cos%' sin O sine) - brg = bxt (cos O cose cos% 'sin O sine) -

byt (cos O cose sin 4 + sin O cose) + bzt cos O sin 8 ( 2) bzg = b tsine cos* + by t sine sin 4 + bz t cos 8 ( 3) o O = -t g o bx t, by t, bz t sont les mesures magnétiques dues à l'effet du courant dans la boucle par rapport aux axes fixes de l'outil b=g, byg, bzg sont les mêmes mesures magnétiques ramenées aux axes fixes de la boucle t est l'azimut de l'outil byt (cos O cose sin 4 + sin O cose) + bzt cos O sin 8 (2) bzg = b tsine cos * + by t sine sin 4 + bz t cos 8 (3) o O = -tgo bx t, by t, bz t are the magnetic measurements due to the effect of the current in the loop with respect to the fixed axes of the tool b = g, byg, bzg are the same magnetic measurements brought back to the fixed axes of the loop t is the tool azimuth

g est l'azimut de la boucle.g is the azimuth of the loop.

Ces équations supposent que la boucle est dans le plan horizontal Les axes de boucle pour une boucle située dans un plan incliné sont déterminés par des résolutions d'équations supplémentaires pour tenir compte de These equations assume that the loop is in the horizontal plane The loop axes for a loop located in an inclined plane are determined by additional equation resolutions to account for

l'inclinaison de la boucle.the inclination of the loop.

Calcul de la position de l'outil.Tool position calculation.

En outre, la direction et l'amplitude du champ magnétique dû au courant dans la boucle est fonction de la position de l'outil (x, y, z) par rapport aux axes fixes In addition, the direction and amplitude of the magnetic field due to the current in the loop is a function of the position of the tool (x, y, z) relative to the fixed axes.

de la boucle par rapport au centre de la boucle. of the loop from the center of the loop.

En se référant à la figure 3 et en utilisant la loi de Biot et Savart p d I x i Qp Referring to Figure 3 and using the law of Biot and Savart p d I x i Qp

d B = -d B = -

4 r 2 Qp ( 3 a) o pest la perméabilité relative de la Terre d I est un élément de courant r Qp est la distance entre d I et la localisation de la mesure i Qp est le vecteur unité dans la direction QP Si 2 W est la largeur de la grille 21 est la longueur de la grille I est l'intensité du courant et les paramètres a, b, c, d, ml, f 2, m 3, mr 4, m 5, m 6, m 7, m 8, p sont définis par les égalités suivantes: a = w+ x b = W x c = 1 + y d = 1 y ml = (a 2 + z 2) (a 2 + z 2 + d 2) ' c m 2 = (a 2 + z 2) (a 2 + z 2 + c 2) I d m 3 = (b 2 + z 2) (b 2 + z 2 + d 2) c m 4 = (b 2 + z 2) (b 2 + z 2 + c 2) s b m 5 = (c 2 + z 2) (C 2 + z 2 + b 2) % d a m 6 = (C 2 + Z 2) (C 2 + Z 2 + a 2) b 4 r 2 Qp (3 a) o pest the relative permeability of the Earth d I is an element of current r Qp is the distance between d I and the location of the measurement i Qp is the unit vector in the direction QP Si 2 W is the width of the grid 21 is the length of the grid I is the intensity of the current and the parameters a, b, c, d, ml, f 2, m 3, mr 4, m 5, m 6, m 7 , m 8, p are defined by the following equalities: a = w + xb = W xc = 1 + yd = 1 y ml = (a 2 + z 2) (a 2 + z 2 + d 2) 'cm 2 = ( a 2 + z 2) (a 2 + z 2 + c 2) I dm 3 = (b 2 + z 2) (b 2 + z 2 + d 2) cm 4 = (b 2 + z 2) (b 2 + z 2 + c 2) sbm 5 = (c 2 + z 2) (C 2 + z 2 + b 2)% dam 6 = (C 2 + Z 2) (C 2 + Z 2 + a 2) b

7 =7 =

(d 2 + z 2) (d 2 + Z 2 + b 2) a m 8 = (d 2 + z 2) (d 2 + z 2 + a 2) p = 4 N * 10 7 o toutes les distances sont exprimées en mètres, Le champ magnétique (Bx, By, Bz,) à l'endroit de la mesure (x, y, z) dans les axes de boucle est défini par les équations: p I B= z (-m 1-m 2 +m 3 +m 4) * 106(en unités de p T)( 4) p I B = z (m 5 +m 6-m 7-m 8) * 106(en unités de p T) ( 5) +I+ B = {a(ml+m 2)+b(m 3 +m 4)+c(m 5 +m 6)+d(m 7 +m 4)} * 106 4 (en unités de p T) ( 6) Pour déterminer la position de l'outil, les équations ci-dessus doivent être résolues par rapport à x, y et z. Etant donné que ces équations sont non linéaires, on doit utiliser un procédé itératif Un tel procédé est basé sur la série de Taylor étendue à 3 variables, c'est-à-dire: f(x,y,z) = f(xo,yo,zo)+(x-xo)df+(y-yo)df+(z-zo) df+ dx dy dz Par ce procédé bxg = Bx + 8 x d Bx + ôy d Bx +z d B ( 7) dx dy dz byg = Bz + x d B + ôy d B + z d B ( 8) dx dy dz bzg = Bz + ôx d Bz + ôy d Bz + 8 z d Bz ( 9) dx dy dz o Bx, B 7, B sont obtenus en substituant (x,y,z) dans les (d 2 + z 2) (d 2 + Z 2 + b 2) am 8 = (d 2 + z 2) (d 2 + z 2 + a 2) p = 4 N * 10 7 o all distances are expressed in meters, The magnetic field (Bx, By, Bz,) at the location of the measurement (x, y, z) in the loop axes is defined by the equations: p IB = z (-m 1-m 2 + m 3 + m 4) * 106 (in units of p T) (4) p IB = z (m 5 + m 6-m 7-m 8) * 106 (in units of p T) (5) + I + B = {a (ml + m 2) + b (m 3 + m 4) + c (m 5 + m 6) + d (m 7 + m 4)} * 106 4 (in units of p T) (6 ) To determine the position of the tool, the above equations must be solved with respect to x, y and z. Since these equations are nonlinear, we must use an iterative process. Such a process is based on the Taylor series extended to 3 variables, that is to say: f (x, y, z) = f (xo , yo, zo) + (x-xo) df + (y-yo) df + (z-zo) df + dx dy dz By this process bxg = Bx + 8 xd Bx + ôy d Bx + zd B (7) dx dy dz byg = Bz + xd B + ôy d B + zd B (8) dx dy dz bzg = Bz + ôx d Bz + ôy d Bz + 8 zd Bz (9) dx dy dz o Bx, B 7, B are obtained by substituting (x, y, z) in the

équations ( 4), ( 5), et ( 6).equations (4), (5), and (6).

Elles sont résolues de manière itérative pour ( 6 x, By, ôz) jusqu'à ce que les valeurs de (x,y,z) convergent (c'est-à-dire ôx, By, Sz > O) au moyen de n'importe quelle méthode standard pour la solution d'équations linéaires. A l'aide de cette méthode itérative, la solution converge généralement rapidement, c'est-à-dire qu'elle They are resolved iteratively for (6 x, By, ôz) until the values of (x, y, z) converge (i.e. ôx, By, Sz> O) using any standard method for the solution of linear equations. Using this iterative method, the solution generally converges quickly, that is, it

nécessite entre 4 et 8 itérations. requires between 4 and 8 iterations.

La matrice différentielle totale est obtenue en différentiant les équations ( 4), ( 5) et ( 6) par rapport à x, y, et z Cela peut être fait soit de façon numérique soit de façon analytique La différentiation numérique peut être sujette à des inexactitudes étant donné qu'elle implique généralement une division par un petit nombre La différentiation analytique des équations n'est pas aussi complexe qu'elle pourrait le paraitre de prime abord, étant donné que les équations sont toutes fondamentalement de forme similaire, c'est-à-dire X * Y (X 2 +y 2) (X 2 + y 2 + Z 2 t Toutefois une étude initiale des deux méthodes de différentiation n'a pas révélé de différences The total differential matrix is obtained by differentiating equations (4), (5) and (6) with respect to x, y, and z This can be done either numerically or analytically Numerical differentiation may be subject to inaccuracies since it usually involves a division by a small number The analytical differentiation of the equations is not as complex as it might seem at first glance, since the equations are all basically similar in form, it is i.e. X * Y (X 2 + y 2) (X 2 + y 2 + Z 2 t However, an initial study of the two differentiation methods did not reveal any differences

significatives entre les deux techniques. significant between the two techniques.

Les valeurs calculées pour x, y, z sont basées sur le centre de la boucle Les distances à partir du point d'entrée 3 peuvent aussi être déterminées, à condition que la position de la boucle par rapport au point d'entrée 3 Calculated values for x, y, z are based on the center of the loop Distances from entry point 3 can also be determined, provided that the position of the loop relative to entry point 3

soit connue.is known.

La figure 2 montre une mise en oeuvre pratique de la technique pour le percement d'un passage souterrain 6 sous une rivière 7, depuis un point d'entrée 8 jusqu'à un point de sortie 9 Dans cette technique, une première boucle semi-circulaire horizontale 10 est placée du côté entrée de la rivière 7 entre le point d'entrée 8 et la rivière 7, son axe longitudinal 11 étant dirigé vers la cible En outre, une seconde boucle semi-circulaire horizontale 12 et placée du côté sortie de la rivière 7 entre la rivière 7 et le point de sortie 9, son axe longitudinal 13 étant dirigé vers le point de sortie 9 Si on le désire, deux boucles ou davantage peuvent être prévues de chaque côté de la rivière, à des intervalles le long du trajet prévu pour le passage souterrain En outre, chaque boucle 10 ou 12 est munie d'une alimentation respective 14 ou 15 en FIG. 2 shows a practical implementation of the technique for piercing an underground passage 6 under a river 7, from an entry point 8 to an exit point 9 In this technique, a first semi-loop horizontal circular 10 is placed on the inlet side of the river 7 between the entry point 8 and the river 7, its longitudinal axis 11 being directed towards the target In addition, a second horizontal semi-circular loop 12 and placed on the outlet side of the river 7 between the river 7 and the exit point 9, its longitudinal axis 13 being directed towards the exit point 9 If desired, two or more loops may be provided on each side of the river, at intervals along of the route planned for the underground passage In addition, each loop 10 or 12 is provided with a respective supply 14 or 15 in

courant continu et d'un commutateur respectif 16 ou 17. direct current and a respective switch 16 or 17.

Dans cette technique, l'outil à orientation magnétique est guidé le long du trajet prévu pour le passage souterrain depuis le point d'entrée 8 en direction d'une cible à proximité du point de sortie prévu 9, en s'arrêtant tous les 10 m et en effectuant les mesures décrites ci-dessus à chaque emplacement de mesure Pour chaque série de trois phases de mesure en une emplacement de mesure donnée, le courant adéquat circule dans la boucle appropriée 10 ou 12 Ainsi, lorsque le passage est percé côté entrée de la rivière 7, le courant passe dans la boucle 10, tandis que, lorsque le passage est percé côté sortie de la rivière 7, le courant passe dans la In this technique, the magnetic orientation tool is guided along the path planned for the underground passage from the entry point 8 towards a target near the intended exit point 9, stopping every 10 m and by carrying out the measurements described above at each measurement location For each series of three measurement phases at a given measurement location, the appropriate current flows in the appropriate loop 10 or 12 Thus, when the passage is drilled on the inlet side from river 7, the current flows through loop 10, while, when the passage is pierced on the outlet side of river 7, the current flows through

boucle 12.loop 12.

Chaque série de mesures peut être utilisée d'une façon générale de la manière déjà décrite pour déterminer une position réactualisée pour l'outil et cela peut être utilisé par le responsable de l'orientation du forage pour commander la position de l'outil en fonction de l'orientation du forage déterminée par la position Each series of measurements can be used generally in the manner already described to determine an updated position for the tool and this can be used by the person in charge of the orientation of the drilling to control the position of the tool in function. drilling orientation determined by position

présente de l'outil par rapport à la cible prévue. presents the tool in relation to the planned target.

Toutefois, dans chaque cas, les équations applicables pour la détermination de la position de l'outil (x,y,z) seront différentes afin de prendre en compte la forme semi-circulaire de la boucle en question, However, in each case, the equations applicable for determining the position of the tool (x, y, z) will be different in order to take into account the semi-circular shape of the loop in question,

par rapport à la forme rectangulaire précédemment décrite. compared to the rectangular shape previously described.

En utilisant l'équation ( 3 a), le champ magnétique au point P (x,y,z) peut être calculé à partir de: p I ayz Bx = 4 (x 2 + y 2) {tla (x 2 + y 2) lZ + z 2} 3/2 It z(a-y) z(a+y) Using equation (3 a), the magnetic field at point P (x, y, z) can be calculated from: p I ayz Bx = 4 (x 2 + y 2) {tla (x 2 + y 2) lZ + z 2} 3/2 It z (ay) z (a + y)

+ ++ +

4 Tc (x 2 +z 2) (x 2 +(a-y)2 + z 2)" (x 2 +z 2) (x 2 +(a+y)2 +z 2) j I axz By = 4 (x 2 + y 2) {la_(x 2 +y 2)l 2 +Z 2} 3/2 Pl z Bz = 4 {la-(x 2 + y 2) l 2 +z 2} 3/2 III x(a-y) x(a+y) I 4 T (x 2 +z 2) (x 2 +(a-y)2 + Z 2) (x 2 +z 2) (x 2 +(a+y)2 + z 2) Dans un autre mode de réalisation, la ou chaque boucle a la forme d'une ellipse, auquel cas le champ magnétique à la position P peut être calculé à partir de Pl d I x i Qp B = 4 E r 2 Qp o E désigne l'ellipse de demi-axes a et b, et o d I = -a sin O de i, + b cose d S i r Qp 2 = A 2 + R 2 2 AR cos 8 A 2 = a 2 cos 2 8 + b 2 sin 2 R 2 = x 2 + y 2 + z 2 Les techniques ci-dessus décrites assurent une détermination précise de la position de l'outil avec la commande précise qui s'ensuit de l'orientation et du guidage de l'outil, lorsque l'on utilise des outils à guidage magnétique classiques dans lesquels les circuits de détection sont logés dans une courte masse-tige non magnétique du trépan En outre, une telle détermination de la position de l'outil peut être effectuée même si l'outil se trouve en dehors de la projection de la surface de la 4 Tc (x 2 + z 2) (x 2 + (ay) 2 + z 2) "(x 2 + z 2) (x 2 + (a + y) 2 + z 2) j I axz By = 4 ( x 2 + y 2) {la_ (x 2 + y 2) l 2 + Z 2} 3/2 Pl z Bz = 4 {la- (x 2 + y 2) l 2 + z 2} 3/2 III x (ay) x (a + y) I 4 T (x 2 + z 2) (x 2 + (ay) 2 + Z 2) (x 2 + z 2) (x 2 + (a + y) 2 + z 2) In another embodiment, the or each loop has the shape of an ellipse, in which case the magnetic field at the position P can be calculated from Pl d I xi Qp B = 4 E r 2 Qp o E denotes the ellipse of half-axes a and b, and od I = -a sin O of i, + b cose d S ir Qp 2 = A 2 + R 2 2 AR cos 8 A 2 = a 2 cos 2 8 + b 2 sin 2 R 2 = x 2 + y 2 + z 2 The techniques described above ensure precise determination of the position of the tool with the precise control which follows from the orientation and guiding of the tool, when using conventional magnetic guide tools in which the detection circuits are housed in a short non-magnetic drill bit of the drill bit In addition, such a determination of the tool position can be performed even if the tool is outside the projection of the surface of the

boucle sur le plan de l'outil.loop on the plane of the tool.

Il peut être également avantageux dans certaines conditions de modifier les techniques décrites ci-dessus en se référant aux dessins Ainsi, au lieu d'alimenter la boucle d'émission avec un courant continu sensiblement constant, on peut délivrer un courant qui varie en fonction du temps d'une manière prédéterminée, soit cycliquement soit d'une manière à croissance ou à décroissance régulières Si la boucle est alimentée en courant alternatif, il n'est pas nécessaire que le courant circule dans des sens opposés dans deux phases de mesure It may also be advantageous under certain conditions to modify the techniques described above with reference to the drawings. Thus, instead of supplying the emission loop with a substantially constant direct current, it is possible to deliver a current which varies according to the time in a predetermined manner, either cyclically or in a regularly increasing or decreasing manner If the loop is supplied with alternating current, it is not necessary that the current flows in opposite directions in two measurement phases

séparées, par le biais de la manoeuvre d'un commutateur. separated, by the operation of a switch.

Le procédé de l'invention autorise l'utilisation de boucles d'émission d'une grande variété de formes, y compris les courbes, à condition que, par l'application d'une série de mesures linéaires simples, il soit possible de calculer une équation définissant la courbe Cela peut aisément être mis en oeuvre sur le terrain dans un système utilisant des techniques de calcul, et cela est plus rentable que les procédés traditionnels de relevés La technique permet un calcul rapide des coordonnées x,y et z tout en permettent une contre-vérification au moyen de la profondeur du trépan mesurée par des techniques classiques. Dans la technique de l'invention, la boucle d'émission n'a pas besoin d'être située dans un plan horizontal, étant donné qu'une étape d'ajustement initial est utilisée, l'outil étant placé à la surface à l'intérieur ou au dessus de la boucle afin de déterminer le roulis et le tanguage de la boucle, ainsi que le lacet par rapport au nord magnétique L'outil étant initialement placé au centre de la boucle à une distance connue du plan de la boucle, les mesures magnétiques dues au courant dans la boucle sont effectuées de la manière déjà décrite, et le facteur scalaire, établissant un rapport entre le champ magnétique mesuré dû au courant de boucle et le champ magnétique attendu, est déterminé à partir de la position connue de l'outil L'outil est ensuite placé en deux autres positions connues ou davantage, à l'intérieur ou au-dessus de la boucle et d'autres mesures magnétiques sont effectuées qui, au moyen des équations établissant un rapport entre la position de l'outil et les mesures faites, peuvent être utilisées pour déterminer le tangage et le roulis de la boucle dans un processus itératif Le lacet de la boucle peut être déterminé en alignant l'outil parallèlement au plan de la boucle et le long de l'axe central de la boucle et en établissant de nouveau un rapport entre les mesures magnétiques et la position connue de l'outil pour quatre positions de roulis de l'outil espacées équiangulairement Aucune mesure directe The method of the invention allows the use of emission loops of a wide variety of shapes, including curves, provided that, by the application of a series of simple linear measurements, it is possible to calculate an equation defining the curve This can easily be implemented in the field in a system using calculation techniques, and this is more cost-effective than traditional survey methods The technique allows rapid calculation of the x, y and z coordinates while allow a cross-check by means of the drill bit depth measured by conventional techniques. In the technique of the invention, the emission loop need not be located in a horizontal plane, since an initial adjustment step is used, the tool being placed on the surface at inside or above the loop in order to determine the roll and the pitch of the loop, as well as the yaw relative to the magnetic north The tool being initially placed in the center of the loop at a known distance from the plane of the loop, the magnetic measurements due to the current in the loop are carried out in the manner already described, and the scalar factor, establishing a relationship between the measured magnetic field due to the loop current and the expected magnetic field, is determined from the known position of the tool The tool is then placed in two or more other known positions, inside or above the loop and other magnetic measurements are made which, using equations relating the tool position and measurements made, can be used to determine the pitch and roll of the loop in an iterative process The loop yaw can be determined by aligning the tool parallel to the plane of the loop and along the central axis of the loop and again establishing a relationship between the magnetic measurements and the known position of the tool for four tool roll positions spaced equiangularly No direct measurement

du courant dans la boucle n'est nécessaire. current in the loop is not required.

Claims

1 Method for guiding a tool along an underground path close to the surface, in which the tool comprises a magnetic detector and in which an emission loop (10,12) is placed on the surface as a reference for the tool, characterized in that the method comprises, in a measurement phase, the passage of a direct current in one direction in the loop (10,12) and the detection of the magnetic field near the tool during this measurement phase by means of the magnetic detector, and, in another measurement phase, the passage of a direct current in the opposite direction in the loop (10,12) and the detection of the magnetic field near the tool during this other measurement phase at magnetic detector, and guiding the tool according to the

results of these measurements.

2 Method according to claim 1, characterized in that the transmission loop (10,12) comprises at least

part in the shape of a curve.

3 Method according to claim 2, characterized in that the emission loop (10,12) comprises a part substantially in the form of a semi-circle, and a part

rectilinear located along a diameter of said semicircle.

4 Method according to claim 2, characterized in that the transmission loop (10,12) comprises a part

substantially elliptical in shape.

Method according to one of the claims

above, characterized in that, in an additional measurement phase, no current flows in the loop (10,12) and that the magnetic field near the tool in said additional measurement phase is

detected by the magnetic detector.

6 Method according to claim 5, characterized in that said additional measurement phase is located between said measurement phase and said other measurement phase. 7 Method according to claim 5 or 6, characterized in that the tool comprises a gravimetric detector which detects the gravity field of the Earth near the tool, and in that the data on the orientation of the tool are determined from the measurements made by the magnetic detector and the gravitation detector in said additional measurement phase.

8 Method according to claim 7, characterized in that an indication of the position of the tool relative to the loop (10,12) is obtained by a calculation based on the establishment of a ratio between the magnetic measurements carried out in said measurement phases and the magnetic field due to the current in the loop, and which is expected for the position of the tool, due to the current in the loop, by means of transformation equations using data on the orientation of the tool, such as

the angle of elevation.

9 Method according to one of claims

previous, characterized in that the position information relating to the present position of the tool and the target position of the tool is used to produce a

orientation signal to steer the tool.

Device for guiding a tool along an underground path close to the surface, in which the tool comprises a magnetic detector, the device comprising an emission loop (10,12) to be placed on the surface as a reference for the tool, characterized in that the device further comprises a current supply means for circulating in the loop a direct current in one direction (10,12) in a measurement phase and for circulating in the loop (10, 12) direct current in the other direction in another measurement phase, and control means for detecting the magnetic field near the tool by means of the magnetic detector during each of said measurement phases and for guiding the tool in based on the results of

these measures.