磁信標制導系統的制作方法

專利名稱：磁信標制導系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及制導系統。更具體地，本發明涉及用于將探測器引導到目標的方法和系統。本發明具體地但不必然排他地具有的應用領域是在煤床甲烷氣體提取領域內鉆出達到豎直孔的橫向孔的領域。

背景技術：
在多個應用內，必須引導探測器穿過固體介質而到達目標。這樣的應用的一個示例是在煤床甲烷氣體(CBM)提取領域內。雖然已經對于這種應用特別開發了本發明，但是利用很少的修改(如果有修改的話)，本發明可以用于其他應用。因此，本發明不限于這樣的應用，本領域普通技術人員容易理解本發明可以應用于其他使用領域。
在一種CBM提取方法中，從表面向下鉆出豎直井并使其穿過目標煤床。泵在井底煤層之下的坑腔內保持低壓力。水平地鉆出橫向孔并使其穿過煤層，其目的在于與所述井相交。泵進而用于從煤層中提取甲烷。橫向孔從表面位置進入地面，其為上傾的并距離通風井的水平距離為300-1500米。一旦處于煤層內，則鉆桿柱被轉動到更水平的高度，但是沿著煤層的斜層。主要由于由測量系統引入的累積系統誤差，因此產生了不確定性的橢圓。實際上，在鉆桿柱的第一次通過時，橫向孔與鉆孔相交的機會很小。
結果，使得橫向孔與鉆孔相交是非常難得的事，并且迄今為止，需要鉆桿柱的重復通過來實現這個目的。可以明白，操作鉆機成本很大，并且因此鉆桿柱的每次通過成本很大，雖然說不上它是耗時的。每次要求鉆桿柱的另一次通過時，需要縮回鉆桿柱并且繪制和鉆出新的軌跡。


發明內容
按照本發明的第一方面，提供了一種用于將探測器引導到目標的方法，所述方法包括 在所述目標處放置磁場產生器； 將所述探測器引導到所述目標的區域，所述探測器承載測量傳感器封裝件； 使用所述測量傳感器封裝件來獲得多個測量讀數(surveyreading)； 使用所述測量傳感器封裝件，以便于利用由所述磁場產生器產生的磁場獲得多個磁信標讀數； 將選定數量的測量讀數與所述磁信標讀數相比較，并且確定在所述測量讀數和所述磁信標讀數之間的差異；并且 其后補償所述差異，以將所述探測器引導到所述目標。
測量讀數和磁信標讀數之間的差異可以包括角度差和/或位移差。
所述方法可以包括選擇將具有預定尺寸的所述磁場產生器。具體地，所述方法可以包括根據探測器可能遠離所述目標的估計距離來選擇所述磁場產生器的尺寸。因此，所述方法可以包括以多個分段來實現磁場產生器，以便可以使用期望長度的磁場產生器。
所述方法可以包括初始限定探測器的開始位置(commencementposition)和結束位置。在煤床甲烷氣體提取領域內，所述探測器的開始位置可以是要鉆出的橫向孔的進入環，結束位置可以是在假定沒有誤差的情況下探測器應當與目標相交的位置。
所述方法可以包括處理和記錄由探測器沿其初始軌跡產生的數據。由于所述軌跡的一些部分可能導致死巷的原因，因此所述方法可以包括排除與初始軌跡的未完成且不可使用的部分相關的數據。
所述方法可以包括當所述探測器在所述磁場產生器的范圍內時，獲取預定數量的磁信標讀數。所述方法可進一步包括從至少兩對預定磁信標讀數中推導出方位(fix)。因此，所述方法可以包括通過將磁信標讀數與對應的測量讀數相比較而選擇每個磁信標讀數，用于推導出所述方位；并且，如果磁信標讀數與測量讀數相差超過預定值的量，則忽略那個磁信標讀數。所述方法可進而包括從所述方位形成磁信標讀數的一個分段。而且，所述方法可以包括將所述磁信標讀數的分段與對應的測量讀數的分段相比較。
優選的是，所述方法包括針對每個磁信標讀數獲得兩個測量值，其中一個用于磁場產生器在第一方向上的磁極，另一個用于磁場產生器在相反方向上的磁極，以便最小化地球磁場的影響。
所述方法可以包括獲得用于表示在每個磁信標讀數由所述磁場產生器產生的磁場的徑向分量的向量。所述方法可以包括將原始向量從每個磁信標讀數變換以獲得所述徑向向量。
所述方法可以包括計算每個磁信標讀數和其相關聯的測量讀數之間的角度差，并且計算所述磁信標讀數和其相關聯的測量讀數之間的位移差。
而且，所述方法可以包括計算新的軌跡，并且向操作者顯示所述新的軌跡。具體地，所述新的軌跡可以以圖形和數字形式顯示給操作者。
按照本發明的第二方面，提供了一種用于將探測器引導至目標的系統，所述系統包括 磁場產生器，其將位于所述目標； 測量探測器，其將被引導到所述目標，所述測量探測器承載測量傳感器封裝件，所述傳感器封裝件的傳感器是可操作的，以便于通過使用由所述磁場產生器產生的磁場來獲得多個測量讀數和多個磁信標讀數；以及 處理設備，用于處理與選定數量的被測量的測量讀數和磁信標讀數相關的數據，以確定所述測量讀數和所述磁信標讀數之間的差異，并且用于其后補償所述差異以將探測器引導到所述目標。
所述磁場產生器可以具有可變的尺寸，根據所述探測器可能距離所述目標的估計距離來選擇所述磁場產生器的尺寸。優選的是，所述磁場產生器包括多個可互連的分段，以便可以使用期望長度的磁場產生器。所述磁場產生器可以是具有可切換磁極的螺線管。
所述測量傳感器封裝件可以包括多對磁力計/加速計，所述對被布置成獲得沿笛卡兒坐標的讀數。
所述處理設備是可操作的以便于處理和記錄由探測器沿其初始軌跡產生的數據。
所述測量封裝件是可操作的，以便于當所述探測器在所述磁場產生器的范圍內時獲得預定數量的磁信標讀數。然后，所述處理設備可操作地用于從至少兩對預定的磁信標讀數推導出方位。
所述處理設備可操作地用于選擇每個磁信標讀數，用于通過將所述磁信標讀數與對應的測量讀數相比較而推導出方位，并且如果所述磁信標讀數與所述測量讀數相差超過預定值的量，則忽略那個磁信標讀數。
而且，所述處理設備可操作地用于從所述方位形成磁信標讀數的分段，并且將所述磁信標讀數的分段與對應的測量讀數的分段相比較。
所述系統可以包括切換裝置，用于切換所述磁場產生器的磁極的相對方向，以最小化地球磁場的影響。
所述處理設備可操作地用于獲得表示在每個磁信標讀數由所述磁場產生器產生的磁場的徑向分量的向量。因此，所述處理設備可以將原始向量從每個磁信標讀數變換，以獲得所述徑向分量。
而且，所述處理設備可操作地用于計算每個磁信標讀數和其相關聯的測量讀數之間的角度差，并且計算所述磁信標讀數和其相關聯的測量讀數之間的位移差。由此，所述處理設備可以計算探測器的新的軌跡。
所述系統可以包括顯示裝置，用于向操作者顯示所述探測器的所述新的軌跡。



現在通過參見示意性附圖以舉例方式說明了本發明的實施例，附圖中 圖1示出了按照本發明實施例的系統的示意圖示，所述系統用于將探測器引導到目標； 圖2示出了在圖1的系統的探測器的原始軌跡和被調整的軌跡之間的比較的示意圖； 圖3示出了探測器的到達目標的路徑的示意側視圖； 圖4示出了探測器相對于目標的路徑的最后部分的示意平面圖，其表示拉回和相交操作； 圖5示出了探測器相對于目標的路徑的最后部分的示意平面圖，其指示了根據本發明實施例的方法的一部分，所述方法用于將探測器引導到目標； 圖6示出了目標的示意剖面側視圖，其中所述目標處具有磁場產生器； 圖7示出了其上疊加了在所述方法中使用的向量的路徑的一部分的示意平面圖； 圖8示出了其上疊加了在所述方法中使用的其他信息的、與圖7的視圖類似的視圖； 圖9示出了所述方法中所使用的向量變換之后的示意平面圖； 圖10示出了在軌跡校正之后的圖8的路徑的一部分的示意平面圖； 圖11示出了圖1的系統的顯示器的屏幕快照；以及 圖12示出了圖1的系統的顯示的另一個屏幕快照。

具體實施例方式 首先參見附圖的圖1，示出了用于將探測器引導到目標的系統的實施例，并且其由附圖標號10總體指示。系統10可以用于多種應用。但是僅僅為了容易說明，將參考系統10在從煤層提取煤床甲烷氣體(CBM)的領域內的應用來說明系統10。
在這樣的系統內，朝向形式為豎直延伸的鉆孔14的目標鉆出橫向孔12(圖3)，以與鉆孔14相交。鉆出橫向孔12并使其穿過附圖的圖6內的16所示意性指示的煤層。
系統10包含豎直鉆孔14內所容納的磁場產生器或信標18，其剛好懸掛在煤層16內，如附圖的圖6所示。
系統10還包括測量探測器20，其被布置在鉆桿柱22內。更具體地，測量探測器20被布置在承載鉆頭26的底部孔組件24中。所述測量探測器20可以被安裝到鉆頭26后方6-12米。所述測量探測器承載測量傳感器封裝件28。雖然在附圖的圖1內將測量傳感器封裝件28示出為獨立的部件，但這純粹是為了說明。實際上，測量封裝件28被布置在測量探測器20內。測量封裝件28承載多個傳感器，所述傳感器可操作地用于獲得多個測量讀數。更具體地，所述傳感器包括三個磁力計和三個加速計，它們沿笛卡兒坐標30而布置成成對的磁力計/加速計。
測量探測器20、更具體地是其傳感器封裝件28與處理器32形式的遠程布置的處理設備通信。所述處理器32在顯示器34上顯示所產生的數據。
磁信標18可以由任何適當的磁場產生器構成。在一個優選實現方式內，磁信標18具有可以切換其磁極的電磁鐵或螺線管36的形式。但是，可以明白，磁信標18可以是永久磁鐵，雖然這將需要從鉆孔14取出信標18并倒轉它以便倒轉其極性。
螺線管36產生磁場38。磁場38的大小和形狀被螺線管36的長度控制。因此，螺線管36可以被分段布置，所述分段可以以端對端的關系被固定在一起，以按照需要改變磁場38的大小和形狀。
從進入位置或進入環40(圖2)沿預定軌跡42朝向鉆孔14挖出橫向孔12。相對于基線44而繪制了軌跡42。
由于在傳感器封裝件28的傳感器和諸如鉆桿柱延伸的其他因素內的誤差，當鉆桿柱22沿軌跡42進行時，誤差累積了。因此，雖然原始軌跡42被示出為從進入環延伸以與鉆孔14相交，但是實際上，所鉆出的軌跡更經常的是錯過鉆孔14，這并不是不可能發生的，如在附圖的圖2內的軌跡46所示。可以明白，在方位平面內的傳感器的分辨率僅僅是大約0.5°。進入環40可以與目標14相距1500米，并且目標14僅僅具有大致15厘米的直徑，因此，軌跡42與目標14相交的可能性低。
在附圖的圖2內，點48表示原始軌跡的最后測量點，并且點50表示被調整的軌跡的最后測量點。這示出了方位角誤差52以及基線位移誤差54。
另外，如附圖的圖3內所示，從表面挖出的橫向孔14必須從豎直向水平轉動幾度，如附圖的圖3內的56所示。橫向孔12的這種轉動也向軌跡42引入了顯著誤差。
這些誤差在軌跡42的長度上累積，必須補償護著些誤差以便橫向孔12可以與目標14相交。
在開始鉆井之前，進入環40和目標14必須被精確地限定在網格坐標內，因為它們是用于操作的重要數據點。通常，測量計算解析了相對于進入環40的位置，因此知道了進入環40在局部網格坐標內的位置會影響沿軌跡42的所有點的絕對測量精度。
同樣地，一旦信標方位已經解析了相對于目標14的軌跡位置，則在假定已經良好地限定了進入環40的位置和目標14的位置兩者的情況下，可以高精度確定在軌跡42的兩端的探測器20的絕對網格位置。
作為開始步驟，處理和記錄從探測器20產生的所有數據，以便可以將鉆桿柱22的路徑限定在傳感器封裝件28的傳感器的容許極限內。但是，所述路徑通常不僅僅是從進入環40向目標14繪制的單個連續孔。在典型的操作內，向目標14鉆孔的過程通常需要鉆出一系列分支孔，其被稱為側鉆，當被排成一列時形成最后的路徑。諸如在煤層16內的故障和滾動的因素的組合使得很難在煤層底板58(圖6)和煤層頂部60內在計劃的軌跡42的距離內導航。如上所述，使導航更困難的是下述事實測量探測器20位于鉆頭26后方大約6米到12米。其與很受限的轉動半徑相結合意味著鉆桿柱22可能在任何給定的操作期間無意地被驅動出煤層16多次。每次退出煤層16，鉆桿柱22必須在可開始一個分支孔的位置撤回到煤層16。
系統10的處理器32的軟件功能是確定從進入環40延伸到目標14的連續路徑。分支孔的可用部分被包括在最后的軌跡42內，并且被插到它們的分支點，同時排除了不可用的死巷部分。
處理器32必須從探測器20的傳感器封裝件28獲得所有的傳感器數據，并且從操作者或者從附接到鉆桿柱22的傳感器獲得被測量的深度間隔長度。這些數據用于使用來自探測器20的傳感器封裝件28的原數據來解析位置。假定軌跡42在任何兩個被測量的點之間插入圓形路徑，其具有由兩點分段限定的方向和半徑。使用2x方位角+2x傾斜角值Pt1(az1，inc1)-Pt2(az2，inc2)加上所測量的沿那個分段的距離(Δmd)來計算每個分段。
(Δmd＝md2-md1) 方程1 因為 (任何兩個向量的點積) 其中，θ是在被測量的兩個向量之間的總的角度差。
則 其中

是被變換到網格坐標系的探測器到目標的單元向量。
f＝(2/θ)*tan(θ/2) 方程2 P.x＝(f*Δmd/2)*(sin(Inc(i-1))*sin(Az(i-1))+(sin(Inc(i))*sin(Az(i))) 方程3 P.y＝(f*Δmd/2)*(sin(Inc(i-1))*cos(Az(i-1))+sin(Inc(i)*cos(Az(i))) 方程4 P.z＝(f*Δmd/2)*cos(Inc(i-1))+cos(Inc(i)) 方程5 其中 P是分段的端點。
Δmd＝md2-md1 Inc＝傾斜角 Az＝方位角 i＝拍攝次序指數 所測量的深度(md)是相對于md＝0的進入環40沿著孔12測量的總距離。軌跡42是從自方程3至5產生的每個連續點的累積和中找到的。
方程6 其中，n是需要解析的拍攝數量，從1開始的指數i是在集內的任何點的序號。從方程6，很清楚看到從點的累積和形成軌跡42，所述累積和是從沿著孔12所取的每個連續測量對計算的。
利用方程3至5替代方程6中的pti，得到 方程7 方程8 方程9 鉆機22的操作者使用方程7至9的結果來沿著煤層16驅動以最終與目標14相交。在軌跡42內的每個點被繪制在圖上，所述圖示出了在平面圖和豎直剖面圖內投影的軌跡路徑42、進入環40處的進入點、目標14和基線44。
為了使用信標18來排列目標14，螺線管36首先被降低到豎直目標孔14，因此下磁極位置剛好高于煤層16的頂部60。操作者通過執行一串信標拍攝來定位螺線管36，在所述一串信標拍攝中必然有至少三個好的拍攝品62、64和66(圖4、5和10)。如下更詳細所述，每個信標拍攝品62、64和66應當產生指向螺線管的大的徑向向量。所述徑向向量是磁場38的與螺線管36垂直的分量。在這一點上，可以注意到，磁場38的形狀基本上是環狀的(toroidal)，并且，場的具有大徑向分量的那部分位于螺線管36的上方和下方，如箭頭68所示。相反，磁場38的沿著螺線管36側面的那部分具有與螺線管的縱軸平行的通量線，因此具有大的軸向分量和小的徑向分量，如箭頭70所示。
被提取的徑向磁場向量作為指向螺線管36的指針。通過變換來自探測器20的傳感器封裝件28的原始向量來獲得徑向磁場向量，就好像探測器的坐標系(PCS)被定向到螺線管36和所述網格。
與探測器20的實際方向無關，處理器32數學地反旋每個傳感器輸出，因此它測量場38，就好像探測器20繞其軸線滾轉且傾斜，因此探測器20的X傳感器與螺線管36的縱軸平行。如果螺線管36是絕對豎直的，則X傳感器將向上直指，用于表示1G，Y傳感器將是水平的且垂直于地平線，因此示出0G，并且Z軸在網格坐標系(GCS)上被旋轉到北部。
通過執行這個操縱，探測器20的傳感器封裝件28的所述Y、Z磁力計(被虛擬旋轉作為所述變換的結果)將僅僅“看到”螺線管36的磁場38的徑向分量68，而虛擬X傳感器將僅僅看到螺線管36的磁場38的軸向分量70。因此，為了找到磁場36的徑向分量68，執行這些旋轉的變換被應用，并且獲得Y、Z向量。考慮到水平向量將被旋轉到所述網格，即，虛擬Z軸將指向北，則所述徑向分量將被定位在水平平面內的GCS內。
在任何組的信標讀數或者拍攝品62、64和66內，有比所獲得的拍攝品數量少一個的方位，因此例如，所述三個信標拍攝品62、64和66(從6個磁極拍攝品獲得)將獲得兩個雙拍攝品方位72、74(其是一個多拍攝方位)，如圖5內所示。
每個方位72、74處理成對的拍攝品--因此方位1包含拍攝品1和2，方位2包含拍攝品2和3，方位3包含拍攝品3和4等。例外的是在第一方位內的第一拍攝品和在最后方位內的最后拍攝品。這表示實際上總共有2*(n-1)個拍攝品，在圖5內的76和78示出了可能不精確地彼此對準的公共點。兩個公共點76和78被平均，以便具有與所獲得的拍攝品的數量相同數量的點。但是，在使用點之前，其必須通過如下所述的未對準測試，或者其被拒絕。所述未對準測試操作如下 ●每個分段80(圖4)被獨立地推導得到，并且如果所有的測量數據完全正確，則每個分段將無縫地配合于下一個分段而沒有像差。但是，通常不是這種情況，因為信標的磁場測量會是由噪聲的--特別是如果場的徑向分量的被測量磁通密度在大約100nt之下的話。因此，查看每個向量以確認從每一個拍攝品到下一個拍攝品的連續的空間對準，即，所述系統以其未對準的量的順序來在兩個雙點方位之間將公共點排序。
●在對應的測量拍攝品(例如以82、84和86示出)和大于4度的信標拍攝品之間的任何角度偏差被當作不可接受的。如果這個條件存在，則處理器32拒絕引起所述問題的信標點。如果拒絕一個點，則使用下一個對，例如，如果從系列s1、s2、s3和s4拒絕點3，則方位f1(s1，s2)、f2(s2，s4)將保持，然后，在平均了公共點s2(s2(fix1)+s2(fix2))/2后，獲得最后的方位(s1，s2，s4)。
●然后查看包含從3到8個拍攝品的每個置換，以確認相對于對應測量分段88的最佳適配的連續空間對準。
●如果發現在可接受的極限內，則對于美好置換來平均測量至信標拍攝的未對準距離，并且其有助于加權系數，所述加權系數用于確定分級順序中的簇位置。所述加權系數被存儲為單個加權數量，然后被列舉在列表內。所述列表以最小未對準到最大未對準的順序排序(最好的在第一位-最差的在最后一位)。處理器32將所述列表提供到用戶，作為一組可選擇的方案，如附圖的圖12所示。但是，系統10將默認為最佳方案，即，具有最小的測量至信標的未對準。
圖5示出了使用三個信標拍攝品62、64和66的簡單示例。如上所述，存在兩個方位72和74，并且方位1和2產生略為不同的位移76和78。為了解析這一點，平均所述兩個發生位移的拍攝品，并且結果被示出為拍攝品64。這得出了三個點，將所述簇減少回與實際上獲得的信標拍攝品相同的數量。雖然發生位移了(由于系統誤差)，但是應當注意到，信標拍攝品的分段80在形狀和方向上與被計算以插入相同點的測量拍攝品的分段88非常一致。
如上所述，虛線的軌跡線42表示信標范圍搜索運行(beaconranging run)。點82、84和86表示沿傳統被測量軌跡42的內插的測量點，它們以精確相同的測量距離處于孔12內，因為當鉆桿柱22分別在沿著孔12的md＝1210m、1216m和1222m時排列每個信標點，例如點p1、p2和p3。理論上，測量拍攝品82、84和86應當精確地覆蓋在信標拍攝品62、64和66上。不是這樣的情況表示有誤差。可以假定所述測量數據內具有誤差。當通過了準確性檢查時，信標拍攝簇內似乎沒有誤差。
通過使用插值過程或者最小曲率算法計算兩個已知點之間的點的坐標，處理器32找到重合的測量點。另一種獲得測量點的方法是通過下述方式通過隔離來將地球場過濾的處理反轉，并且使用地球磁場來取代螺線管36的磁場38。
處理器32確定相對于信標18的、探測器20的處于水平面內的位置。這是通過下述方式實現的即，在每個磁極狀態下激勵螺線管36的同時進行磁場向量測量，如下更詳細所述。將從所述測量得出的累積的位置測量值與從信標得出的位置相比較。假定任何偏離分量是誤差，并且將其量化。
使用下面的公式來計算所述測量點 方程10 方程11 G(roll)＝tan-1(-G.z/G.x)方程12 M(Azimuth)＝tan-1((M.y*G.x-M.x*G.y)/(M.z*G(total)2-M.x*G.x*G.z-M.y*G.y*G.z-M.z*G.z2)) 方程13 M(dip)＝tan-1(I/K) 方程14 并且 I＝M.x*G.x+M.y*G.y+M.z*G.z 方程15 J＝α(total)*G(total) 方程 16 方程17 其中 G(total)＝地球重力 Inc＝測量工具的相對于豎直方向的傾斜角 G(roll)＝探測器的徑向方位(圍繞在縱軸的旋轉度數)。通過記錄總是指向地球中心的G向量的方向來確定所述數據，即探測器的高側。
M(total)＝以nano-teslas計的總的磁通密度 M(Azimuth)從磁北起順時針0-360度 M(dip)＝地球磁場的相對于水平線的傾角。
存在兩種需要校正的誤差 方位角誤差 方位角誤差或者水平角誤差52是在傳統的測量分段88和信標分段80之間的方位角上的差。一旦這個誤差52已經被確定，則可以通過向在軌跡42內的每個點加上所述方位角誤差或者通過使用幾何變換旋轉所有的點來調整被測量的軌跡42。方位角誤差在水平面內，并且表現為以沿著圍繞進入環的弧線樞轉的方式累積水平位置誤差。可以從諸如全球和本地的地球磁場擾動、傳感器未對準、運行的齒輪和抽油桿柱干擾等的未知因素引起所述誤差。因為目標是長的豎直形成，因此不必校正豎直誤差。而且，傳感器封裝件28加速計的分辨率與磁力計相比較大得多，通常在+-.1度的數量級。這在大于1000米的水平位移的情況下僅僅轉換為大約一米等。
基線位移誤差 基線誤差在例如在附圖的圖2內的54示出的反向或者正向上沿著基線44累積。基線誤差具有許多來源，包括抽油桿伸長(或者抽油桿誤計數)，但是在其中鉆孔12從幾乎豎直向幾乎水平上仰的操作期間，由于在井的豎直到傾斜高度部分累積的傾斜角誤差，導致非常大的分量。這是在附圖的圖3內的軌跡42的開始處的懸鏈線部分56。
為了量化方位角誤差52和基線位移誤差54，處理器32首先將信標點簇與傳統測量點簇相比較。為了使得能夠如此進行，需要在軌跡42中的已知測量深度處(通常在探測器20向處理器32告知其正處于螺線管36的場38內的點處)獲得信標拍攝品62、64和66。一旦通過未對準測試的信標拍攝品62、64和66的簇已經被獲得并且標準化了公共點，則相對于由它們的測量深度值限定的其重合測量點來測試每個得到的信標點。應當注意，在附圖的圖6內僅示出了兩個信標拍攝品62和64。這純粹是為了清楚的目的，并且處理器在使用中需要至少三個可接受允許指標(即滿足未對準標準)以解析所述誤差。


是兩個磁信標的徑向單位向量，其中每個與它們各自的在方位時的測量點相關聯。

是量級為1的單位向量，因此僅僅傳送方向信息。因此，

可以被看作在方位的第一位置指向信標18的箭頭，并且

被看作從該第二位置同樣指向信標18的箭頭。
每個信標拍攝品由兩個測量值或者磁極拍攝品構成。在使用在頂部的正(北)極和在底部的負(南)極來激勵螺線管36的同時，當探測器20的傳感器封裝件28在螺線管36的磁場38內時，由探測器20的傳感器封裝件28進行第一測量。當探測器20的傳感器封裝件28在相對于螺線管36的相同位置時，利用探測器20的傳感器封裝件28來進行第二測量，但是用到反轉的螺線管36的磁場，即頂部的負(南)極和底部的正(北)極。
當在每個位置(在每個測量點獲得兩個磁極拍攝品以解析信標位置)執行所述測量過程時探測器20不移動時，從而重力向量將不大幅度波動，因此處理器32隨意使用來自所述兩個磁極拍攝品之一的重力向量。
如果探測器20不在拍攝品之間移動，則 方程18 BM和BG分別是從探測器20直接獲得的原始磁向量和原始重力向量。它們是來自探測器20的模數轉換器(ADC)的原始輸出。每個ADC服務于探測器內的6個方位傳感器之一--磁(x，y，z)和重力(x，y，z)。
為了從所述測量值去除地球磁場的影響，從第一磁極拍攝品內的地球磁向量減去第二磁極拍攝品內的地球磁向量。這消除了包括地球磁場的所有未改變的磁量(magnetic quantities)。相反，來自信標18的兩個轉換的磁場向量將是加成的，因此信標磁場向量的總密度將是單個測量值的兩倍，如下面的方程19所示。
方程19 與暴露所述地球磁場相反 方程20 如上所述，系統10僅僅使用信標18的磁場38的徑向分量68。為了提取徑向分量68，被測量的磁場被變換到螺線管36的坐標系中。為了使得能夠如此進行，必須知道螺線管36在鉆孔14內的姿態，以便能夠限定幾何變換矩陣。
也需要考慮探測器20的姿態和側傾角。為了如此進行，需要構造以螺線管36的姿態開始的3D變換S。可以使用螺線管36的方向向量或者通過將兩個獨立的旋轉矩陣(螺線管36的方位角和傾斜角)相乘來構造S。例如，可以開始于被定向為指向正北的+z軸。首先圍繞螺線管36的傾斜方向(如果有的話)旋轉所述+z軸。然后，圍繞Y軸再一次旋轉+z軸(INC-90)。
為了找到變換矩陣T，必須將矩陣S乘以三個其他的矩陣，即PR(探測器滾動)、PI(探測器傾斜)然后是PA(探測器方位角)，以得出 T＝PR*PI*PA*S 方程11 其中 S是螺線管36的復合旋轉矩陣，并且與T相同，僅僅滾動矩陣PR不與螺線管相關； PA是探測器20的方位角旋轉矩陣； PI是探測器20的傾斜旋轉矩陣；并且 PR是探測器20的滾動旋轉矩陣。
這旋轉了傳感器輸出，以使探測器的X傳感器軸線與螺線管36的縱軸(其可以是豎直的)虛擬對準。首先，探測器20必須圍繞其Z軸來旋轉(滾動)，因此，實際上，Y傳感器水平指向，而X傳感器直向下指向，因此僅僅在X、Z傳感器上感覺到重力，在Y軸傳感器上為0G。然后，應當將所述坐標系旋轉所述探測器傾斜的相同的量。最后，應當朝向網格北向而旋轉所述坐標系。最簡單的示例是，如果螺線管36是豎直的并且探測器20是水平的(90度傾斜角)，并且具有0滾動方位角(向高側定向)且向北移動，在這種情況下，T將是單位矩陣。
如果探測器20圍繞其Z軸線滾動至其高側，這將使得探測器20的Y軸線平行于水平線并進而圍繞其Y軸線轉動直至Z也與水平線平行，那么探測器20的方向向量將看起來像PG之下。在這種構造中，在Y和Z軸線上的傳感器封裝件28的加速計的讀數將是0G的力，因此Y軸線加速計將讀出總數1G。
PG[1 0 0] 必須使用下面的方程22和23通過旋轉來變換來自探測器坐標系(PCS)(也稱為傳感器坐標系(SCS))的向量。使用下面的方程22、23和24來旋轉點。因為已經知道了探測器20的所計算的指向，因此可以使用下面的通用旋轉函數 BRv2.y′(GCS)＝BRv2.x(SCS)*sin(Az)+BRv2.y(SCS)*cos(Az) 方程22 BRv2.x′(GCS)＝BRv2.x(SCS)*cos(Az)-BRv2.y(SCS)*sin(Az) 方程23 其中，Az＝探測器20磁方向+磁偏角 當使用上述變換來變換兩個或更多個點的分段時，第一點被變換到原點，所有其他點等同地被變換，因此在執行下面方程24內的旋轉之前，BP1(SCS)＝
。
BPn(SCS)＝BPn(SCS)-BP1(SCS) 方程24 有時，也可以在執行所述變換后要求 BPn(SCS)＝BPn(SCS)-BP1(SCS) 方程25 如在附圖的圖9內最清楚地所示，為了重建真實的信標方位幾何形狀，必須找到標量s和tv。如此進行的方便方式是首先使用從

構造的變換來執行暫時旋轉，因此

變為臨時坐標系的X軸。通過下述方式來如此進行獲得由頂點BP1’、BP2’和信標B限定的三角形，并且將其旋轉到X軸，并且將P1變換到原點，以得到 方程22和23 p1″＝
方程26 p2″＝A*(BP2′(GCS)-BP1′(GCS)) 方程27 其中， 方程28 在上面的A內，v1’是指向信標但是被旋轉到GCS內的單元向量，即BRv1′(GCS)。也應當注意，在A內的行之間存在y和x的置換。
為了找到s，我們已經從上面知道p2”，并且 方程29 因此 方程30 方程31 但是，因為已經將所述分段變換為暫時的原點，即p1″＝
，并且，將

旋轉到x軸線，即可以將tv簡化如下 方程32 因為已經計算了

和p2″x，因此可以確定tv。
使用上面的方程1至5來建立由最小曲率算法限定的分段，以將測量數據與信標方位相比較，從而建立系統誤差。
在附圖的圖7內，水平徑向向量BRv1′(GCS)和BRv2′(GCS)是被旋轉或被變換一定量以便與網格坐標系對準的BRv1(SCS)和BRv2(SCS)，所述一定量等于探測器20在GCS內的方向(heading)但是是相對于由信標18產生的場的。為了下面在測量測量值和信標測量值之間區別，所涉及的點或向量被分別加上前綴S和B。因此，例如，BP2′(GCS)在GCS坐標內并且相對于信標，而SP2′(GCS)在GCS坐標內，但是相對于測量。也必須記住所述測量相對于進入環40而累積誤差。在圖7內未示出向量BRv1(SCS)和BRv2(SCS)，它們從原始測量傳感器數據指向信標，但是不被固定于所述網格。Bv3′(GCS)是在相對于信標18的P1和P2之間測量的直路徑。
徑向向量BRv1(SCS)和BRv2(SCS)相對于探測器20的縱軸而指向信標18。在圖7內，從BRv1(SCS)和BRv2(SCS)變換向量BRv1′(GCS)和BRv2′(GCS)。向量BRv1(SCS)和BRv2(SCS)每個在水平面內被獨立地旋轉由探測器20的方位角方向控制的量。這將所述向量旋轉，因此它們指向相對于網格的方向，而不是相對于探測器20，所述探測器20本身可以指向任何位置。因此這一點，必須在固定網格上觀看系統10的幾何形狀，即它必須獨立于探測器20的方向。如果例如在p1獲得信標測量并且探測器的方向是275度GCS且在P2的方向為265度GCS，則除了由于變換(從一個點向下一個點的位移)導致的角度改變之外，這將清楚地向BRv2(SCS)增加10度的旋轉差異。因此， SRv3′(GCS)＝BP2′(GCS)-BP1′(GCS)方程33 假定 SRv3′(GCS)＝BRv3′(GCS) 方程34 要作出的合理假定是，因為由測量引入的誤差已經在大距離上累積，但是它們將在方位v3′(SCS)＝Bv3′(SCS)上測量的小距離上是不重要的。
已知BRv1′(GCS)、BRv2′(GCS)和v3(GCS)在GCS內所指向的方向。處理器32現在需要利用所計算的標量tv和s來將分別調整(scale)BRv1′(GCS)、BRv2′(GCS)。一旦已經應用了標量并且因為在絕對GCS上高度肯定地已知目標14的位置，因此也可能將被調整的向量-BRv1(GCS)和-BRv2(GCS)錨定到目標14。因為被縮放的向量精確地指向相反的方向，因此-BRv1(GCS)將向回指向Bp1′(GCS)，并且-BRv2(GCS)將向回指向Bp2′(GCS)。為了找到p1′(GCS)，必須將被調整的向量轉換到已知的信標點，并且將被調整的向量反轉，以提供 p1′(GCS)＝Bp(GCS)-tv*BRv1(GCS)方程35 p2′(GCS)＝Bp(GCS)-s*BRv2(GCS) 方程36 其中， p1′(GCS)、p2′(GCS)是最后重新計算的位置；并且 Bp(GCS)是在GCS內的目標信標坐標。
為了確定測量點和被排列的點之間的在角度和位置上的差別，處理器32首先計算信標拍攝簇的中心以及等同的測量點簇的中心。可以通過應用下面的方程37來發現角度誤差。在已經向所述軌跡應用角度誤差校正后，通過使用適當的變換或者通過向方位角參數簡單地增加所述誤差，信標拍攝品和測量拍攝品兩者應當在角度上是一致的，但是在基線位移上不必一致。通過如下面方程38內所示的相減來計算位移。
方程37 其中，B表示信標拍攝品的簇，并且S表示在同一位置的等同測量得出的拍攝品的簇。
ΔDisplacement＝CSpt2′-CBpt1′ 方程38 其中， CS是測量得出的拍攝品的中心點；并且 CB是信標拍攝品的簇的中心點。
一旦已經計算了角度誤差和基線位移誤差，則處理器32重新計算鉆桿柱22現在要遵循的軌跡46。因此，一旦已經計算了新的軌跡46，則沿著橫向孔12朝向進入環40退出鉆桿柱22。處理器32指示出鉆桿柱22必須退出的位置。這例如通過使用照明裝置以可辨別的方式來通知操作者。紅燈表示鉆桿柱22需要退出，并且所述燈保持紅色，直到已經達到了新的拉回位置。在此位置，燈變綠，用于表示可以開始沿著新的軌跡46進行鉆孔。
因此，本發明的優點是鉆桿柱22僅僅需要進行目標鉆孔14的一次通過。一旦已經計算了誤差，則第二軌跡將導致鉆孔14的相交。這相當大地減少了與鉆孔14相交所需要的時間和努力的量。因為在過去，需要進行多次才能接近鉆孔以便最終與目標相交。因此，相當大地減少了使用系統10與目標相交的成本。這對于鉆桿柱22的操作者具有較大的成本益處和時間益處。
另外，系統10操作簡單，因為不需要磁信標的移動來產生被調整的軌跡。系統10基本上以軟件實現，因此不需要對于現有的鉆桿柱22進行硬件修改。再一次，這帶來成本益處。
本領域內的技術人員可以明白，在不脫離廣義描述的本發明的精神和范圍的情況下，可以對于以特定實施例所示的本發明進行多種改變和/或修改。因此，本實施例在各個方面被認為是說明性和非限定性的。
權利要求
1.一種用于將探測器引導到目標的方法，所述方法包括
在所述目標處放置磁場產生器；
將所述探測器引導到所述目標的區域，所述探測器承載測量傳感器封裝件；
使用所述測量傳感器封裝件來獲得多個測量讀數；
使用所述測量傳感器封裝件，以便利用由所述磁場產生器產生的磁場來獲得多個磁信標讀數；
將選定數量的測量讀數與所述磁信標讀數相比較，并且確定在所述測量讀數和所述磁信標讀數之間的差異；并且
其后補償那個差異以將所述探測器引導到所述目標。
2.根據權利要求1的方法，其包括選擇具有預定尺寸的所述磁場產生器。
3.根據權利要求2的方法，其包括根據所述探測器可能距離所述目標的評估距離來選擇所述磁場產生器的尺寸。
4.根據前述權利要求的任何一個的方法，其包括以多個分段來實現所述磁場產生器，以便可以使用期望長度的磁場產生器。
5.根據前述權利要求的任何一個的方法，其包括初始限定所述探測器的開始位置和結束位置。
6.根據前述權利要求的任何一個的方法，其包括處理和記錄由所述探測器沿其初始軌跡產生的數據。
7.根據權利要求5的方法，其包括排除與所述初始軌跡的未完成的、未使用的部分相關的數據。
8.根據前述權利要求的任何一個的方法，其包括當所述探測器在所述磁場產生器的范圍內時，獲取預定數量的磁信標讀數。
9.根據權利要求8的方法，其包括從至少兩對預定磁信標讀數得出方位。
10.根據權利要求9的方法，其包括通過將所述磁信標讀數與對應的測量讀數相比較而選擇用于得出所述方位的每個磁信標讀數；并且，如果所述磁信標讀數與所述測量讀數相差超過預定值的量，則忽略那個磁信標讀數。
11.根據權利要求9或者權利要求10的方法，其包括從所述方位形成磁信標讀數的一個分段。
12.根據權利要求11的方法，其包括將所述磁信標讀數的分段與對應的測量讀數的分段相比較。
13.根據權利要求8-12的任何一個的方法，其包括對于每個磁信標讀數獲得兩個測量值，其中一個用于所述磁場產生器在第一方向上的磁極，另一個用于所述磁場產生器在相反方向上的磁極，以便最小化地球磁場的影響。
14.根據權利要求8-13的任何一個的方法，其包括獲得用于表示在每個磁信標讀數由所述磁場產生器產生的磁場的徑向分量的向量。
15.根據權利要求14的方法，其包括將原始向量從每個磁信標讀數變換以獲得所述徑向向量。
16.根據前述的權利要求的任何一個的方法，其包括計算在每個磁信標讀數和其相關聯的測量讀數之間的角度差，并且計算在所述磁信標讀數和其相關聯的測量讀數之間的位移差。
17.根據前述權利要求的任何一個的方法，其包括計算新的軌跡，并且向操作者顯示所述新的軌跡。
18.一種用于將探測器引導到目標的系統，所述系統包括
磁場產生器，位于所述目標處；
測量探測器，其待被引導到所述目標，所述測量探測器承載測量傳感器封裝件，所述傳感器封裝件的傳感器可操作地用于使用由所述磁場產生器產生的磁場來獲得多個測量讀數和多個磁信標讀數；以及
處理設備，用于處理與選定數量的被測量的測量讀數和磁信標讀數相關的數據，以確定所述測量讀數和所述磁信標讀數之間的差異，并且用于其后補償那個差異以將所述探測器引導到所述目標。
19.根據權利要求18的系統，其中，所述磁場產生器具有可變的尺寸，根據所述探測器可能離所述目標的評估距離來選擇所述磁場產生器的尺寸。
20.根據權利要求19的系統，其中，所述磁場產生器包括多個可互連的分段，以便可以使用期望長度的磁場產生器。
21.根據權利要求19或者權利要求20的系統，其中，所述磁場產生器是具有可切換的磁極的螺線管。
22.根據權利要求18-21的任何一個的系統，其中，所述測量傳感器封裝件包括多個磁力計/加速計對，所述對被布置成獲得沿笛卡兒坐標的讀數。
23.根據權利要求18-22的任何一個的系統，其中，所述處理設備可操作地用于處理和記錄由所述探測器沿其初始軌跡而產生的數據。
24.根據權利要求18-23的任何一個的系統，其中，所述測量封裝件可操作地用于當所述探測器在所述磁場產生器的范圍內時獲得預定數量的磁信標讀數。
25.根據權利要求24的系統，其中，所述處理設備可操作地用于從至少兩對預定的磁信標讀數得出方位。
26.根據權利要求25的系統，其中，所述處理設備可操作地用于選擇每個磁信標讀數以用于通過將所述磁信標讀數與對應的測量讀數相比較而得出所述方位，并且如果所述磁信標讀數與所述測量讀數相差超過預定值的量，則忽略那個磁信標讀數，
27.根據權利要求26的系統，其中，所述處理設備可操作地用于從所述方位形成磁信標讀數的分段，并且將所述磁信標讀數的分段與對應的測量讀數的分段相比較。
28.根據權利要求18-27的任何一個的系統，其包括切換裝置，用于切換所述磁場產生器的磁極的相對方向，以最小化地球磁場的影響。
29.根據權利要求18-28的任何一個的系統，其中，所述處理設備可操作地用于獲得表示在每個磁信標讀數由所述磁場產生器產生的磁場的徑向分量的向量。
30.根據權利要求29的系統，其中，所述處理設備可操作地用于將原始向量從每個磁信標讀數變換，以獲得所述徑向分量。
31.根據權利要求18-30的任何一個的系統，其中，所述處理設備可操作地用于計算每個磁信標讀數和其相關聯的測量讀數之間的角度差，并且計算所述磁信標讀數和其相關聯的測量讀數之間的位移差。
32.根據權利要求18-31的任何一個的系統，其中，所述處理設備可操作地用于計算所述探測器的新的軌跡。
33.根據權利要求32的系統，其包括顯示裝置，用于向操作者顯示所述探測器的所述新的軌跡。
全文摘要
一種用于將探測器(20)引導到目標的方法包括在所述目標放置磁場產生器，并且將所述探測器(20)引導到所述目標的區域。所述探測器承載測量傳感器封裝件(28)，并且所述方法包括使用所述測量傳感器封裝件(28)來首先獲得多個測量讀數，其次利用由所述磁場產生器產生的磁場來獲得多個磁信標讀數。將選定數量的測量讀數與所述磁信標讀數相比較，并且確定所述測量讀數和所述磁信標讀數之間的差異。所述方法包括其后補償那個差異以將所述探測器(20)引導到所述目標。
文檔編號G01V3/18GK101351617SQ200580052475
公開日2009年1月21日 申請日期2005年12月29日 優先權日2005年12月29日
發明者尼爾·斯佩克 申請人:尼爾·斯佩克