适应水平定向钻进中倾角不稳定性的技术的制作方法

1.本发明涉及适应水平定向钻进中倾角不稳定性的技术。


背景技术：

2.出于安全和美观的原因，水、电、煤气、电话和有线电视的公用设施线路通常在地下铺设。在许多情况下，地下设施可以埋在沟渠中，然后回填。虽然在新建筑领域很有用，但将公用设施埋在沟渠中具有某些缺点。在支撑现有建筑的区域，沟渠会对建筑物或道路造成严重干扰。此外，挖掘沟渠很可能会损坏先前掩埋的公用设施，并且因挖掘沟渠而受到干扰的建筑结构或道路很少能够恢复到其原始状态。此外，明沟可能会对工人和路人造成伤害。
3.为了克服上述缺点以及在采用传统挖沟技术时未解决的其他缺点，最近开发了钻探水平地下孔的通用技术。根据这样一种通用的水平钻进技术，也称为水平定向钻进(hdd)或非开挖地下钻进技术，钻进系统位于地表上并以相对于地表倾斜在地下钻孔。钻进液通常流过钻杆，流过钻孔工具，并回流钻孔，以去除切屑和污垢。在钻孔工具达到所需深度之后，将工具沿着基本水平的路径引导以形成水平钻孔。在获得所需的钻孔长度后，将工具向上引导以突破到地面。然后将扩孔器连接到钻杆上，钻杆被拉回钻孔，从而将钻孔扩大到更大的直径。通常将公用设施管线或其他导管连接到扩孔工具，以便将其与扩孔器一起拖过钻孔。
4.与水平定向钻进相关的另一种技术，通常称为推扩孔，在钻孔工具已经在钻孔出口侧退出之后，在钻孔入口侧将扩孔器附接到钻杆。然后将扩孔器推过钻孔，同时从钻孔出口侧推进的钻杆在钻孔的出口位置单独断开。有时会使用这种推扩孔技术，因为它有利地提供了钻进液的再循环。直接操作的操作员与钻杆的交互水平，例如在钻孔出口位置断开钻杆所需的水平，远大于与传统水平定向钻进技术相关的水平。
5.水平定向钻进技术在过去的二十年中取得了长足的发展。这些发展涉及钻机以及位置检测和方向控制部件。已经有几种类型的位置检测和方向控制系统被使用，目前的步行引导系统成为最被接受的技术。由于制导/定位器技术与用于开发钻机的机械技术完全不同，因此在大多数情况下，同一家公司要么开发了钻机要么开发了引导系统，但通常不会同时开发两者。因此，现在有多家步行引导系统供应商，每家供应商的产品都具有独特的功能，可与各种钻机一起使用。
6.在水平定向钻进技术发展的早期，人们认识到有可能将远程电子部件产生位置信息并通过无线电信号或硬线传输而整合到钻机的控制中。这方面的例子包括美国专利us4,646,277、us4,881,083和英国专利gb 2175096，上述专利各自的全部内容通过引用并入本文。这些系统主要配置为钻孔到目标系统，其中远程电子部件放置在目标点附近的位置。然后，该远程电子部件与钻机协作，特别是与安装在钻头中的电子部件协作，每个单独的部件都集成到控制系统中。
7.这些系统在将切削工具导向目标点方面提供了不同程度的成功，但没有提供有关
切削工具的准确连续的位置信息。当切削工具在钻孔的各点靠近各种地下物体时，密切监测切削工具的位置通常被认为对整个过程至关重要。因此，以将切削工具引导至目标的方式操作的系统被证明不如其中切削工具位置被连续监测的系统有用。这些系统，目前称为步行引导系统，已被开发用于提供连续或准连续监测能力。已经发布了几项专利，公开了步行引导系统的定位系统的各个方面，包括美国专利us6,232,780、us6,008,651、us5,767,678、us5,880,680、us5,703,484、us5,425,179、us5,850,624、us5,711,381、us5,469,155、us5,363,926和us5,165,490，上述专利各自的全部内容通过引用并入本文。
8.其他技术能够提供有关钻头行程的信息，包括应用在各种类型的航位推算技术或其他技术中的陀螺仪、加速度计、磁力计等，上述技术包括建立由钻头的电子设备感应的电磁场。来自此类传感器的数据通常通过所谓的电线传输，其中实体的电线导体在钻杆内从钻头延伸回钻机，或通过无线连接(例如，蓝牙无线技术实现短接波长uhf无线电波)。


技术实现要素：

9.在水平定向钻进的定位专业中，倾角数据是操作员操纵钻头的关键数据。可以根据加速度计的读数在发射器中计算倾角。该计算假设变送器没有外力作用。然而，在钻进过程中，不能假设没有外力(例如，由撞击岩石或其他硬物引起的外力)。当移动和撞击硬物时，撞击产生的加速度可能与位置变化的加速度无法区分。这种加速度的突然变化会导致度数不稳定。如果不处理倾角数据以解决此类异常，则倾角数据可能无法使用，因为它可能会到处跳跃。使用低通滤波器，可以忽略读数中出现的短尖峰。然而，这一标准过程并不总是适用于所有情况，由此导致显示的倾角数据不稳定。这种不稳定性会导致精度和/或生产率下降，在某些情况下，可能会影响钻进过程的安全性。
10.本系统可以基于正在执行的作业类型和/或所使用的钻机类型，为操作员提供关于倾角数据计算的选项。例如，大型机器上的大型作业可能需要高稳定性和精度，因为较大的外壳和杆不允许快速改变倾角数据。相反，较小的作业/机器可能需要对倾角数据变化做出更快的反应，并且可以容忍更多的不稳定性。在一个实施例中，用于倾角数据的原始倾角信号处理可以由发射器(例如，与探测器相关)生成，并且从发射器传送(例如，通过蓝牙传输或另一种无线连接)到地面接收器。
11.由于钻进完全在地下进行，因此倾角数据变化的速度存在物理限制。因此，从加速度和倾角数据中看到的极快变化本质上是“噪音”。如果这样的读数真的准确，那么结果很可能是钻杆断裂。因此，本系统可以设置允许的倾角数据变化速度的上限和下限，以便从先前的测量中读出(例如，显示或打印输出)。高于或低于限制的任何内容都可以带入设定的限制范围内。用户可以在开始工作之前选择这些限制，例如通过发射器和接收器之间的蓝牙连接。
12.本系统允许用户选择用于水平定向钻进操作的倾角数据变化速度工作范围，并且可能基于旋转/推进条件选择倾角数据变化速度限制。
附图说明
13.下面参考附图来进行详细描述。
14.图1为根据本发明实施例的结合有部件接口架构的水平钻进系统的等轴示意图；
15.图2为与图1所示的水平钻进系统相关的步行定位器系统的示意图；
16.图3为与水平钻进系统相关的标准倾角处理系统的示意图；
17.图4为根据本发明实施例的结合有倾角速度限制器的水平钻进系统的倾角处理数据流系统的示意图；
18.图5为根据本发明实施例的具有基于旋转的速度限制值选择的水平钻进系统的倾角处理数据流系统的示意图；
19.图6为一个示例的倾角数据图，包括加速度计数据、标准滤波倾角数据、速度受限加速度计数据和滤波速度受限倾角数据；
20.图7为一个示例的倾角数据图，包括加速度计数据、标准滤波倾角数据、速度受限加速度计数据和滤波速度受限倾角数据；
21.图8为一个示例的倾角数据图，其数据源自图7中所示，包括加速度计数据、标准滤波倾角数据、速度限制加速度计数据、滤波速度限制倾角数据，指示倾角数据的上下限。
具体实施方式
22.下文将参考附图更全面地描述本发明的各方面，附图构成本发明的一部分，并且通过图解的方式示出示例特征。然而，这些特征可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为限于本文所述的组合；相反，提供这些组合是为了使本发明彻底和完整，并充分传达范围。
23.图1示出了根据本发明实施例的整个水平定向钻进(hdd)系统10。主要部件可以包括钻机80、泥浆系统30和步行引导系统800。钻机80可以包括动力系统85、管道处理系统20、放样系统(stake down system)70和罢工警报系统90。步行引导系统800可以包括安装在钻机80上的rf(即射频)单元800a、定位器800b(例如，地上步行定位器单元)和探测器800c(例如，由钻机80的钻头(未标记)携带)。如下文所述，rf单元800a和/或探测器800c可以被认为是给定的步行系统制造商提供的步行引导系统800的一部分，或不包括在其中。潜在的操作员包括钻机操作员40和定位器操作员50。
24.图2示出了用于图1所示类型的钻机80的步行引导系统800的步行控制和显示系统900(例如，定位系统900)的框图。如上所述，步行控制和显示系统900可以包括rf单元800a(例如，具有安装在钻机80上的显示器的远程单元)、定位器800b(例如，步行定位器)和探测器800c。rf单元800c可以包括处理器920a、存储器930a、通信或数据链路或接口940a(例如，在图2中缩写为“通信链路”)，以及至少一个输入/输出单元950a(例如，显示器和键盘，如图所示)。在一个实施例中，rf单元800c可以是启用rf的控制器。在一个实施例中，通信链路940c可以用于rf通信。
25.定位器800b可以包括处理器920b、存储器930b、通信或数据链路或接口940b(例如，在图2中缩写为“通信链路”)、至少一个输入/输出单元950b(例如，显示器和键盘，如图所示)、信号放大和滤波单元960b和天线970b。探测器800c可以包括一个或多个运动传感器，例如一个或多个加速度计810，用于测量探测器800c的倾角、偏航或滚动中的一个或多个数据，其中步行控制和显示系统900的倾角测量和显示将在后面更详细地讨论。探测器800c还可以包括处理器920c、存储器930c和天线970c(例如，用于处理、保存和/或传输由一个或多个运动传感器生成的信号的组件的组合)。天线970c可以向步行定位器800b发送信
号，并且天线970b可以从地下发射器接收信号(例如，通过地下天线970c)。在一个实施例中，天线970b、970c之间的信号可以通过蓝牙或另一种短程无线通信机制进行通信。
26.步行控制和显示系统900的部件以及水平定向钻进系统10的任何其他能够进行电气或电子连接的元件，可以至少部分地通信连接(例如，通过有线或无线通信)，以自动促进上述操作。步行控制和显示系统900还可以与一个或多个系统输入(例如，触摸屏、小键盘、键盘、操纵杆等)和/或一个或多个系统输出(例如，视觉显示器或音频或视觉信号)通信。此类系统输入和/或输出可以与钻机80、泥浆系统30或步行引导系统800中的任何一个相关联。
27.在一个实施例中，给定的处理器920a、920b、920c为相应的单元800a、800b、800c提供处理功能，并且可以包括任意数量的处理器、微控制器、电路、现场可编程门阵列(fpga)或其他处理系统，以及用于存储数据、可执行代码和由给定的单元800a、800b、800c访问或生成的其他信息的驻留或外部存储器。处理器920a、920b、920c可以执行体现在本文所述技术的非暂时性计算机可读介质中的一个或多个软件程序。处理器920a、920b、920c不受形成它的材料或其中采用的处理机制的限制，因此，可以通过半导体和/或晶体管(例如，使用电子集成电路(ic)组件)等实现。
28.存储器930a、930b、930c的一个示例可以是有形的计算机可读存储介质，其提供存储功能以存储与给定单元800a、800b、800c的操作相关联的各种数据和/或程序代码，例如软件程序和/或代码段，或用于指示处理器920a、920b、920c的其他数据，以及可能的以执行本文所述功能的步行控制和显示系统900和/或整个水平定向钻进系统10的其他部件。因此，存储器930a、930b、930c可以存储数据，例如用于操作系统900(包括其部件)、水平定向钻进系统10等的指令程序。应当注意的是，虽然描述了单个存储器，但可以使用各种类型和组合的存储器(例如，有形的、非暂时性的存储器)。存储器930a、930b、930c可以与相应的处理器920a、920b、920c集成，可以包括独立的存储器，或者可以是两者的组合。
29.存储器的一些示例可以包括可移动和不可移动存储器部件，例如随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、闪存(例如，安全数字(sd)存储卡、小型sd存储卡和/或迷你sd存储卡)、磁存储器、光存储器、通用串行总线(usb)存储设备、硬盘存储器、外部存储器、移除(例如，服务器和/或云)存储器，等等。在具体实施例中，存储器930a、930b、930c可以包括可移除集成电路卡(icc)存储器，例如由用户识别模块(sim)卡、通用用户识别模块(usim)卡、通用集成电路卡提供的存储器(uicc)等提供的存储器。
30.通信链路或接口940a、940b可操作地配置为与整个定向钻进系统10和/或步行控制和显示系统900的部件通信。例如，通信接口可以被配置为发送和/或接收数据供系统10、900等存储。通信链路或接口940a、940b还可以与对应的处理器920a、920b通信连接，以促进系统10、900的组件与给定处理器920a、920b之间的数据传输。应当注意的是，虽然通信链路或接口被描述为控制器部件，但通信链路或接口的一个或多个部件可以实施为通过有线和/或无线连接通信连接到系统10、900或其部件的外部部件。系统100、300或其部件还可以包括和/或连接到一个或多个输入/输出(i/o)设备(例如，通过通信接口)，例如显示器和键盘950、独立显示器、独立键盘、鼠标、触摸板、操纵杆、触摸屏、键盘、麦克风(例如，用于语音命令)等。
31.通信链路或接口940a、940b和/或处理器920a、920b、920c可以被配置为与各种不
同的网络进行通信，例如广域蜂窝电话网络，例如蜂窝网络、3g蜂窝网络、4g蜂窝网络、5g蜂窝网络或全球移动通信系统(gsm)网络，无线计算机通信网络，例如wifi网络(例如，使用ieee 802.11网络标准操作的无线局域网(wlan))，无线自组网络，互联网，广域网(wan)，局域网(lan)，个域网(pan)(例如，使用ieee 802.15网络标准操作的无线个域网(wpan))，公共电话网络，外联网，内联网，等等。然而，上述列表仅作为示例提供，并不意味着限制本发明。此外，通信链路或接口940a、940b可以被配置为与单个网络或跨不同接入点的多个网络通信。在特定实施例中，通信链路或接口可以将信息从控制器传输到外部设备(例如，手机、连接到wifi网络的计算机、云存储等)。在另一个具体实施例中，通信链路或接口可以从外部设备(例如手机、连接到wifi网络的计算机、云存储等)接收信息。
32.整个水平定向钻进系统10和/或步行控制和显示系统900的部件之间的通信可以利用任意数量的数据链接技术。此类技术的例子包括在美国专利us6,202,012中公开的那些技术，在此通过引用将其全部内容并入本文。在一个实施例中，部件之间的数据链路被实施为符合称为can的工业标准。can基于用于串行数据通信的iso标准(iso 11898)。
33.图3图示了与水平钻进系统(例如，水平定向钻进系统10)一起使用的标准倾角处理系统1000。标准倾角处理系统1000可以包括加速度计1010(例如，位于探测器800c处)、偏移和范围校准单元1020(例如，校准硬件和/或软件)和低通滤波器1040。加速度计1010生成的信号可以传递到偏移和范围校准单元1020，然后通过低通滤波器1040，产生适合输出到显示器(例如，显示为随时间变化的倾角变化百分比)和/或在操作中使用的精细倾角数据决策(例如，由用户或系统控制器)。在一个实施例中，偏移和范围校准单元1020和低通滤波器1040可以结合到信号放大和滤波单元960b或探测器800c中。在一个实施例中，低通滤波器1040使频率低于选定截止频率的信号通过，并使得频率高于截止频率的信号衰减。
34.图4示出了根据本发明的示例实施例的与水平钻进系统(例如，水平定向钻进系统10)一起使用的倾角处理系统1100。倾角处理系统1100可以包括加速度计1110(例如，位于探测器800c处)、偏移和范围校准单元1120(例如，可编程校准硬件和/或软件)、倾角速度限制器1130和低通滤波器1140，以电子通信(例如，有线或无线)或以其他方式相互通信连接。在一个实施例中，由加速度计1110产生的信号可以传递到偏移和范围校准单元1120，然后通过倾角速度限制器1130和低通滤波器1140，从而产生倾角的调整输出(例如，显示为随时间变化的倾角变化百分比)。在一个实施例中，偏移和范围校准单元1120可以接收和处理原始倾角信号(例如，来自加速度计/探测器)并输出校准的倾角信号。在一个实施例中，低通滤波器1140可以接收速度变化受限的倾角信号，并且将接收的速度变化受限的倾角信号衰减到低通滤波器1140的选定截止频率以上。
35.在一个实施例中，偏移和范围校准单元1120、倾角速度限制器1130和低通滤波器1140位于地面上方(例如，在定位器800b中，通过蓝牙或其他无线通信的方式在地面上发送“原始”加速度计信号)。在一个实施例中，偏移和范围校准单元1120(例如，校准硬件和/或软件)、倾角速度限制器1130和低通滤波器1140可以作为步行定位器800b的一部分，结合到信号放大和滤波单元960b中。在另一个实施例中，偏移和范围校准单元1120、倾角速度限制器1130和低通滤波器1140可以位于探测器800c中，产生的倾角输出发送到例如地面显示器(例如，950a，950b)。
36.倾角速度限制器1130可以是软件和/或处理单元(例如，硬件)的形式。倾角速度限
制器1130可以设置倾角变化速度上限和倾角变化速度下限，从而创建允许的倾角变化速度的窗口或范围。倾角速度限制器1130形式的信号发射器可以指示显示给用户的下一个倾角读数在先前倾角测量的窗口(即，设定范围)内。如果测量值在窗口外，可以调整到窗口内。由倾角速度限制器1130进行的这种倾角调整可以在作业过程中产生更稳定的倾角读数。例如，调整后的倾角数据可以输出到显示器950(例如，显示给系统用户)和/或由处理器920使用(例如，用于控制hdd系统的操作)。
37.在一个实施例中，倾角变化速度限制可以基于正在执行的作业类型(例如，由hdd系统传送的部件的直径)和/或使用的钻头的类型。在一个实施例中，倾角变化速度限制(例如，倾角变化速度范围)可以根据倾角变化速度上限和倾角变化速度下限之间的最大倾角变化速度来定义。例如，大型机器上的大型作业需要高稳定性和精度，因为较大的外壳和杆通常不允许快速改变倾角，通常要求更严格的倾角变化速度范围(例如，对于较大的钻机，倾角变化速度范围为2-5％/秒(sec)，或对于最大的钻机和/或更严格的要求(例如，下水道管道)，倾角变化速度范围为1％/sec))。相反，较小的作业/机器通常需要对倾角变化做出更快的反应，并且可以容忍更多的不稳定性，从而允许更宽的倾角变化速度范围(例如，5-10％/sec的倾角变化速度范围)。在一个实施例中，用户可以选择要实施的倾角速度范围。在一个实施例中，用户可以使用定位器800b、rf单元800a或另一个地面无线设备来选择倾角变化速度范围，以将期望的倾角变化参数传递到探测器800c。
38.图5示出了根据本发明的示例实施例的用于与水平钻进系统(例如，水平定向钻进系统10)一起使用的倾角处理系统1200。倾角处理系统1200在功能和部件上与倾角处理系统1100相似，除了如下所述的内容。因此，类似编号的部件(例如，加速度计1110和1210)可以预期以类似的方式构造和运行。倾角处理系统1200可以包括加速度计1210(例如，位于探测器800c处)、偏移和范围校准单元1220(例如，可编程校准硬件和/或软件)、“慢”倾角速度限制器1230a、“快”倾角速度限制器1230b和低通滤波器1240；以及滚动传感器1250(即，集成在探测器800c中)和旋转检测单元1260(例如，以软件和/或可编程检测单元的形式)，彼此进行电子通信(例如，有线或无线)。在一个实施例中，偏移和范围校准单元1220(例如，校准硬件和/或软件)、“慢”倾角速度限制器1230a、“快”倾角速度限制器1230b和低通滤波器1240可以被结合到信号放大和滤波单元960b中。
39.倾角处理系统1200可以允许基于旋转的速度极限值检测。根据偏移和范围校准1220，可以决定是在钻机80正在旋转与其相关的钻头(未标记)的情况下使用“慢”倾角速度限制器1230a还是使用“快”倾角速度限制器1230b用于钻孔机80正在推进与其相关联的钻头(未标记)的情况。是否正在发生旋转或推进由滚动传感器1250和旋转检测单元1260确定。旋转检测单元1260可以向限制器开关1270提供信号，以激活“慢”倾角速度限制器1230a或“快”倾角速度限制器1230b中的适当一个(例如，将其中选择的一个与低通滤波器1240连接)。在一个实施例中，“慢”倾角速度限制器1230a可以更稳定，但其对倾角变化的响应相对较慢。因此，“慢”倾角速度限制器1230a可以在钻头旋转并且预计不会突然发生倾角变化时使用。在一个实施例中，“快”倾角速度限制器1230b被配置为对倾角的任何变化提供更快的响应，并且倾角的更快变化最有可能在推进模式期间发生。在一个实施例中，当“慢”倾角速度限制器1230a 和“快”倾角速度限制器1230b处于可用时，两者都可以串联操作，仅发送两个结果信号中的一个(例如，旋转时的“慢”相关信号或推动时的“快”相关信号)。在该实施
例中在给定数据传输带宽的限制的情况下，一次仅发送/传输一个信号。
40.图6提供了原始加速度计数据、标准倾角数据(用低通滤波器滤波)、速度限制加速度计数据以及速度限制和滤波后的倾角数据的比较图(随时间变化的倾角变化百分比，以秒为单位)，后者显示给用户。如图6所示，一个特写视图(例如，以大体稳态间距拍摄的五秒窗口)，可用于显示加速度的波动和采用速度限制和/或低通滤波的显著效果。可以看出，标准倾角数据、速度限制加速度计数据以及速度限制和滤波的倾角数据可以依次提供逐渐细化的数据水平。速度限制和滤波后的倾角数据，作为限制来自加速度计数据的“噪声”而言是最佳数据集，速度限制和滤波后的倾角数据可以被选择用于输出以供用户查看(例如，通过显示器950)和/或实现过程控制(例如，由处理器920)。
41.图7提供了原始加速度计数据、标准倾角数据(用低通滤波器滤波)、速度限制的加速度计数据以及速度限制和滤波后的倾角数据的比较图(随时间变化的倾角变化百分比，以秒为单位)。变化限制为2％/秒。图7显示了从起始位置前进到大致稳定状态的倾角水平(例如，移动到所需深度，然后大致保持该深度)的结果的视图，形成坡度图，直到达到接近稳定状态(例如，大约8秒后)。如图7所示，实施速度限制不会影响实际(“原始”)的倾角变化(例如，加速度计)测量。也就是说，可以预期倾角处理系统1100、1200首先使用加速度计1110、1210测量感测到的(例如，“原始”)倾角变化，然后可以对其进行处理(例如，使用速度限制和低通滤波器)，以产生精细的倾角变化输出以供使用。
42.图8提供了从图7的图表得出的4-6秒的窗口的比较图(随时间变化的倾角变化百分比，以秒为单位)。图8还显示了原始加速度计数据、标准倾角数据(用低通滤波器滤波)、速度限制加速度计数据、速度限制和滤波后的倾角数据，倾角变化限制为2％/秒。与图7不同，图8还进一步示出了速度上限和下限。与图7一样，实施速度限制不会影响实际(“原始”)倾角变化(例如，加速度计)测量。
43.当发射器不在地下时，限制倾角变化率的系统1100、1200可能会造成障碍。当在地面演示系统1100、1200时(例如，在展会上)，发射器可能会遇到不可能的地下读数。例如，倾角可以从0％突然变化到40％。在正常情况下(即，地下)，系统1100、1200可以限制随时间的变化，因此它可以缓慢爬升(例如，根据选择的限制)而不是立即进入40。虽然在没有机械故障的情况下，此类场景不可能在地下发生，但这种地面上的缓慢变化会在客户和潜在客户中造成系统1100、1200及其相关发射器“缓慢”的感觉。为了解决这个问题，一旦系统1100、1200检测到倾角的大跳跃超过x％(例如，10％)并在特定时间段(1-2秒)内保持在相同方向上的这个阈值限制，它就确定跳跃是倾角的实际变化，而不是由产生尖峰的对象(例如，地下障碍物)造成的，它可以更改倾角变化速度窗口大小以允许更快的变化率。一旦倾角变化速度低于阈值限制x％(例如，10％)，它可以将窗口大小变小，并缓慢收敛到最终倾角位置。
44.尽管已经以特定的结构特征和/或方法动作的语言描述了主题，但是应当理解，在所附权利要求中定义的主题不一定限于上述特定特征或动作。相反地，上述具体特征和动作被公开为实施权利要求的示例形式。