用於控制地下鑽孔機的實時控制系統和方法

2023-09-18 21:16:15

專利名稱：用於控制地下鑽孔機的實時控制系統和方法
背景技術：
本發明總的涉及地下鑽孔領域，更具體地講，涉及一種用於實時控制地下鑽孔機的操作的閉環控制系統和方法。
用於水、電、煤、電話和有線電視的公共事業管線出於安全和美觀的原因而常常鋪設在地下。在眾多情形中，地下公共事業管線可被埋設在溝渠中，該溝渠隨後被重新鋪平。雖然在新構建的地區中較為實用，但將公共事業管線埋設在溝渠中具有某些缺點。在支承現有建築的地區中，溝渠可會嚴重幹擾建築物或路面。而且，挖掘一條溝渠還極可能危害先前埋設的公共事業管線，並且因挖掘溝渠而受幹擾的建築物或路面極可能幾乎無法恢復到它們原有的狀態。另外，敞開著的溝渠還可能傷及工作人員和過往行人。
為了克服採用傳統掘溝技術所帶來的上述及其它未道明的缺點，目前已開發了鑽設水平地下孔的綜合技術。根據該綜合水平鑽孔技術(也稱之為微型隧道技術、水平方向鑽探(HDD)技術或無溝渠地下鑽孔技術)，鑽孔系統位於地面上，並相對於地面以一斜角向地面中鑽設一孔。鑽探流體通常流過鑽柱，從鑽孔工具上流過並向上回流通過鑽孔，以便去除切屑和碎片。在鑽孔工具到達所需深度之後，該工具則對準大致水平的路徑，以便形成一水平鑽孔。在已獲得所需長度的鑽孔之後，該工具則向上對準，以便衝破地表。然後，將擴孔器安裝到鑽柱上，該擴孔器被回拉通過鑽孔，由此將該鑽孔擴大至較大的直徑。通常將公共事業管線或其它管道連接在擴孔工具上，以便將其與擴孔器一起拖過鑽孔。
為了提供鑽孔工具的地下位置，傳統的途徑涉及在鑽孔工具中安裝一主動探針，該探針通常採用能產生磁場的磁場發生設備。通常在地面上設置一接收器，以便檢測從鑽孔工具發射的磁場的存在。該接收器通常安裝在手持式掃描設備中，它和金屬檢測器無甚兩樣，而常常被稱之為定位器。鑽孔工具通常在前進通過一段鑽杆的長度之後就暫時停止鑽孔活動。接著，操作者用定位器掃描鑽孔工具上的區域，試圖檢測由設置在鑽孔工具中的主動探針所形成的磁場。在獲取並估算鑽孔工具數據期間裡鑽孔操作持續停止一段時間。攜帶定位器的操作者通常向鑽孔機的操作者提供口頭指令，以使鑽孔工具保持在所需走向上。
要意識到的是，目前用於檢測並控制鑽孔工具沿著所需地下路徑移動的方法較為繁瑣、常常出錯、且需要不斷地停止鑽孔操作。此外，由定位器操作者與鑽孔機操作者之間走向變化指令的口頭通信所引起的固有的延遲可能會危及隧道鑽設精度和已鑽設的隧道的安全。例如，在隧道鑽設操作之前或期間常常難以檢測所埋設的物體和公共事業管線的存在。總的來講，傳統的鑽孔系統無法迅速地響應必需的鑽孔工具的方向變化和生產力的調節，而這些在檢測到所埋設的障礙物或者遇到變化的土壤狀況時通常是必要的。
在傳統的水平和垂直鑽探系統的操作期間，熟練的操作者依賴於解讀由各種井下信號傳感器所採集的數據，鑑於所採集的井下數據來改變適當的控制，並通常利用口頭通信協同其它操作者來安全且高效地完成所給的鑽探任務。鑑於此，此類傳統的鑽探系統採用一種「開環」控制方案，其中涉及鑽頭狀態的信息的通信和將此類鑽頭狀態信息轉換成鑽孔機控制信號以便對鑽頭活動進行所需的變化需要操作者在控制環路中的幾個點上存在和介入。這種在鑽頭系統的控制環路中對人類介入的依賴性通常會降低總的挖掘生產力，增加響應所採集的鑽孔機和鑽頭傳感器信息而使鑽探系統的活動作必要變化的延遲時間，而且還增加了對操作者造成傷害的危險和操作者出錯的可能性。
因此，在挖掘工業中需要一種用於比當前可得到的所給的技術狀態更迅速地響應且更精確地控制地下鑽孔工具和鑽孔機的設備和方法。還需要一種可實用在垂直和水平鑽探應用中的設備和方法。本發明即可滿足這些及其它需要。
發明概述本發明涉及用於控制地下鑽孔工具的系統和方法。一種地下鑽孔機控制系統接收來自設置在鑽孔機、鑽孔工具和任意地設置在與鑽孔機位置相分離的地上地點上的諸傳感器的數據。各種傳感器監視鑽孔機的動作、鑽孔工具的位置、取向和環境狀況、挖掘地點處的土壤/巖石的地球物理和/或地質狀況以及其它的鑽孔控制系統的活動。由這些傳感器所採集的數據由鑽孔機控制器處理，以便對鑽孔操作進行閉環實時控制。
一般而言，鑽孔系統包括用於沿地下路徑的所需方向驅動鑽孔工具的設備。該驅動設備可例如包括旋轉單元，該單元包含有用於感應旋轉單元的性能參數的旋轉單元傳感器。該旋轉單元還包含有用於緩和旋轉單元性能的旋轉單元控制器。驅動設備還可包括移動單元，該單元包含有用於感應移動單元的性能參數的移動單元傳感器。該移動單元還包含有用於緩和移動單元性能的移動單元控制器。鑽孔工具連接在鑽杆(也稱之為鑽柱)上。該鑽杆連接在用於使鑽孔工具旋轉的旋轉單元和用於使鑽孔工具沿著地下路徑移動的移動單元上。
根據本發明原理的、用於控制地下鑽孔工具的一種示範系統和方法涉及使鑽孔工具旋轉和感應鑽孔工具的旋轉參數。鑽孔工具還相對於鑽孔機前向或反向移動，並且鑽孔工具的移動參數被感應。控制器響應所測得的鑽孔工具的位置和所感應到的鑽孔工具的旋轉和移動參數基本實時地產生控制信號。該控制信號被施加至鑽孔工具的旋轉和移動泵或電動機的其中之一或兩者，以便控制鑽孔工具沿著地下路徑的移動速率和移動方向的其中之一或兩者。檢測鑽孔工具的位置和計算控制信號最好在大約1秒鐘或更短的時間內進行。
本發明一種實施例的閉環控制系統包括與鑽孔工具驅動設備的旋轉單元傳感器和控制器以及移動單元傳感器和控制器通信耦合的控制器。該控制器還與鑽孔工具的諸傳感器和電子元件通信耦合。該控制器基本實時接收來自井下傳感器單元的諸傳感器的遙測數據，並基本實時地向各旋轉和移動單元控制器發送控制信號，用以響應所接收的遙測數據、控制鑽孔工具沿著地下路徑的移動速率和移動方向的其中之一或兩者。與採集鑽孔工具的位置數據和控制器接收該鑽孔工具的位置數據相關的響應時間為大約1秒鐘或更短時間。另外，控制器接收該數據、以及控制器向各旋轉和移動單元控制器發送控制信為大約1秒鐘或更短時間。
在一種實施例中，井下傳感器單元包含有加速計和/或磁強計的其中之一或兩者。遙測數據是電磁、光或者經由泥漿脈衝技術在井下傳感器單元與控制器之間進行傳輸的。遙測數據可經由通過鑽柱或地上跟蹤單元所建立的通信鏈路在井下傳感器單元與控制器之間進行傳輸的。經由鑽柱所建立的通信鏈路可包括穿過該鑽柱的電氣或光纖，或者與鑽柱的各個相連段成一體的導電體。跟蹤單元可為一種傳統設計，並且其功能等效於傳統的定位器。或者，跟蹤單元可具有一種更先進的設計，並可提供改進的功能(這在下文中將予以描述)。在一種實施例中，跟蹤單元包括手持式或可攜式收發器。
控制器以已知的初始位置、諸如鑽孔工具最初穿透地表時所處的已知的進入點為基準確定鑽孔工具的位置。該進入位置較佳地按照x-、y-和z-平面坐標、或者按照緯度、經度和高度進行限定。該控制器利用從井下傳感器單元和/或跟蹤單元所接收的鑽孔工具遙測數據來確定鑽孔工具的位置。根據一種實施例，控制器利用連續接近途徑來確定鑽孔工具的位置，其中鑽孔工具的位置變化是以鑽柱的移動和從井下傳感器單元和/或跟蹤單元所接收的遙測數據為基礎的。鑽孔工具的位置可根據位置(例如，x-、y-和z-平面坐標)和/或取向(例如，縱搖(pitch)(上/下)和平搖(yaw)(左/右))來進行表達。
跟蹤單元可接收來自鑽孔工具的電磁或聲音信號。在一種實施例中，跟蹤單元包括地面穿透雷達(GPR)單元。根據該實施例，鑽孔工具包含有接收器和信號處理裝置。鑽孔工具接收接收由GPR單元所發送的探測信號，並且信號處理裝置響應該探測信號產生鑽孔工具信號。該實施例的鑽孔信號具有在定時、頻率內容、信息內容或極化的其中一個方面不同於探測信號的特性。
根據另一種實施例，跟蹤單元包含有沿著地下路徑設置的多個間隔設置的天線單元(cell)。其中至少一個天線單元接收鑽孔工具信號，並將所接收的鑽孔工具信號傳輸至其它天線單元以供控制器所接收。在另一種實施例中，跟蹤單元包括用於檢測鑽孔工具信號、並將所測得的信號發送至控制器的手持式或可攜式收發器。
鑽孔系統還可包含有使控制器與井下傳感器單元相耦合的界面。該界面可人工或自動構成，以便適應各自具有不同特性界面需求的多種不同的井下傳感器單元。
旋轉單元可包含有旋轉泵或旋轉電動機，移動單元可包含有移動泵或移動電動機。旋轉單元可由機械、流體靜壓、液壓或電氣旋轉單元的其中一種所構成，移動單元則可由機械、流體靜壓、液壓或電氣移動單元的其中一種所構成。旋轉單元和移動單元傳感器可各自包括壓力傳感器和/或速度傳感器。
鑽孔系統還可包含有旋轉單元振動傳感器和移動單元振動傳感器。也可在鑽孔系統的底盤或其它結構上安裝一個或多個振動傳感器，以便在鑽孔操作期間檢測鑽孔系統底盤的位移或旋轉、或者底盤高幅振動。控制器基本實時接收來自旋轉和移動單元振動傳感器和底盤振動傳感器的信號，並響應從振動傳感器所接收的信號進一步改變鑽孔工具沿著地下路徑的移動速率和移動方向的其中之一或兩者。
鑽孔工具還可包含有用於使鑽孔工具對準所需方向的操縱機構。控制器控制該操縱機構，以便改變鑽孔工具沿著地下路徑的移動速率和移動方向的其中之一或兩者。該操縱機構可包含有可調板狀件、可調切割頭、可調切割表面或者位於鑽孔工具內部的活動塊(mass)的其中一個或多個。該操縱機構還可包含有一個或多個可調流體噴射器。鑽孔工具還可包含有一個或多個切割頭，它們各自具有用於表示切割頭的磨損狀況的磨損傳感器。
在鑽孔工具內或者鑽孔工具外部可配置有用於感應沿著地下路徑的土壤/巖石的一個或多個地球物理特性的一個或多個地球物理傳感器。控制可響應從地球物理傳感器速接收的信號進一步改變鑽孔工具沿著地下路徑的移動速率或移動方向的其中之一或兩者。雷達單元和/或其它地球物理傳感器可設置在鑽孔工具內或貼近其設置，或者設置在地上系統中，用以檢測人造和地球物理結構，並表示挖掘地點處的地質特徵。鑽孔系統還可包含有用於用圖像來顯示鑽孔工具的位置、取向、地下路徑、地下結構或者鑽孔工具沿著地下路徑的移動的其中一個或多個的顯示器。例如，可用圖形在顯示器上繪製出地下危險和公共事業管線。該顯示器可設置在鑽孔機上、可攜式跟蹤單元上、或者兩者之上。
在挖掘期間可對諸如泥漿和水混合物之類的流體對鑽孔工具的輸送進行控制。可對諸如輸送鑽孔工具的流體體積和流體壓力和溫度之類的各種流體輸送參數進行控制。可在鑽孔活動期間選擇、監視並調節輸送至鑽孔工具的流體的粘度以及流體的成分。所作的調節可被構成為地球物理信息、巖石或土壤類型、轉矩、回拉或推進力等的函數。
操作者可利用一種可攜式遙控單元從遠離鑽孔機的一個地點來控制鑽孔機的活動。該遙控單元可直接向鑽孔機或者設置在鑽孔工具內的井下電子設備發出鑽孔和操縱指令。使鑽孔機的運行發生變化的控制信號可由遙控單元、井下電子設備、鑽孔機的控制器或者通過遙控單元、井下電子設備和鑽孔機控制器的其中兩者或多者之間的協作所形成的。
上述本發明的概述並未描述出本發明的各種實施例或者全部實施方式。通過結合附圖參閱下列詳細描述和權利要求將會對本發明的優點和造詣一目了然，並能更徹底地理解本發明。
附圖簡介

圖1是本發明一實施例的一種地下鑽孔設備的側視圖；圖2示出了根據本發明的原理的、包括在鑽孔機與鑽孔工具之間所限定的第一控制環路和可選用的第二控制環路的一種閉環控制系統；圖3A-3E示出了與本發明實時閉環控制系統的各種不同實施例相關的各種處理步驟；圖4是本發明一實施例的、用於實時控制鑽孔操作的一種鑽孔系統的各種構件的框圖；圖5是本發明一實施例的、用於實時控制鑽孔機和鑽孔工具的操作的一種系統的框圖；圖6是示出了本發明一實施例的、可由控制器訪問、用以創建鑽孔計劃、存儲並修改該鑽孔計劃以及在鑽孔操作期間訪問該鑽孔計劃的一種鑽孔計劃軟體和資料庫設備的框圖；圖7是本發明一實施例的、與中央處理器和多個泵/裝置相耦合、協同工作以便響應從中央處理器所接收的控制信號來改變鑽孔機的操作的一種機器控制器的框圖；圖8是本發明一實施例的、用於控制地下鑽孔工具的旋轉、位移和方向的一種控制系統的詳細框圖；圖9示出了包含有可採用鴨嘴或可調板或者其它可自鑽孔工具的本體延伸的部件的形式的可調操縱板的一種鑽孔工具的實施例；圖10示出了包含有兩個流體噴射器的一種鑽孔工具的實施例，每個流體噴射器可根據噴嘴噴射方向、噴口尺寸、流體輸送壓力和流體流率/體積方向進行控制；圖11示出了本發明一實施例的、包含有可根據相對於鑽孔工具殼體表面的移動高度和/或角度進行調節、以便提高鑽孔工具的生產力、操縱性或改進切割頭的耐磨特性的兩個可調切割頭的一種鑽孔工具；圖12示出了本發明一實施例的、包含有位於切割頭中不同高度上、用於感應切割頭的磨損狀況的一個或多個一體式磨損傳感器的一種鑽孔工具的切割頭；圖13是本發明一實施例的、用於在鑽探操作期間控制輸送到鑽孔工具的流體的輸送、成分和粘度的一種控制系統的詳細框圖；圖14是本發明一實施例的、用於控制鑽孔機操作的一種控制系統的更詳細的框圖；圖15A示出了本發明一實施例的、包含有用於從距離鑽孔機的一遠距離位置來控制鑽孔機活動的可攜式遙控單元的一種鑽孔系統結構；圖15B示出了包含有本發明另一種實施例的、包含有用於從距離鑽孔機的一遠距離位置來控制鑽孔機活動的可攜式遙控單元的一種鑽孔系統結構；圖16示出了本發明一實施例的、用於從距離鑽孔機的一遠距離位置來控制鑽孔機活動的一種可攜式遙控單元；圖17示出了本發明一實施例的、用於操縱鑽孔工具的兩種模式；圖18是本發明一實施例的兩個鑽杆部分的縱剖圖，這兩個部分機械耦合，以便在兩者之間建立通信鏈路；以及圖19示出了本發明一實施例的、採用通過使用雷達探測和檢測技術來確定鑽孔工具的位置和取向的設備的一種定位/跟蹤單元。
當然本發明可被修改成多種變化型式和可供選擇的形式，其細節已以舉例的方式示出在附圖中，並將在下文中予以描述。然而，要理解的是，本發明並不受所述具體實施例的限制。相反，本發明涵蓋落在由附加的權利要求所限定的本發明內的所有變化、等效物和可供選擇的形式。
實施例的詳述在圖示實施例的下列描述中參照了構成其一部分的附圖，圖中僅僅以示例的方式示出了實施例，本發明可由多種實施例進行實施。要理解的是，還可採用其它實施例，在不脫離本發明範圍的前提下，其結構和功能均可有所變化。
現在請參閱附圖，尤其請參閱圖1，圖中示出了裝有用於根據本發明原理來實時控制鑽孔機和地下鑽孔工具的閉環系統和方法的地下鑽孔系統的一種實施例。鑽探操作期間鑽孔機和鑽孔工具前進的實時控制提供了以往採用傳統的鑽孔控制系統途徑所無法實現的多項優點。鑽孔工具的位置被連續監視，並且鑽孔工具的位置信息被發送至鑽孔機內的計算機或處理器。
鑽孔工具配備有容納著多個傳感器、相關電路和較佳地一蓄電池單元的井下電子單元。該鑽孔工具設有產生利用地上跟蹤單元或接收器可檢測到的電磁信號的信標(beacon)或探針(sonde)。設置在井下電子單元以及鑽孔工具的其它地方中的各種傳感器產生可傳輸至跟蹤單元作為由探針所發出的調製鑽孔工具信號的輸出信號。或者，鑽孔工具的傳感器的數據可經由鑽探通信鏈路傳輸至鑽孔機，倘若需要的話，可經由有線或無線通信鏈路從鑽孔機傳輸至跟蹤單元。
在一種實施例中，鑽孔工具設有用於感應接近鑽孔工具的磁場中的變化的磁場傳感器。鑽孔工具還可裝有敏感於諸如由跟蹤單元或鑽孔路徑目標在地上產生的電磁信號的天線。磁場傳感器可裝入在磁強計、可為多軸(例如，三軸)磁強計中。接近鑽孔工具的本地磁場中的此類變化通常是因該土地存在附近的含鐵物質所引起的，也可因附近的通有電流的地下導體所引起。土地中的鐵基金屬例如可具有使挖掘區域中的土地的磁場變形的顯著的磁滲透性。取決於具體的操作模式，倘若未被檢測到的話，則此類含鐵物質可產生不理想的剩餘磁場，該磁場會消極地影響所給測量的精度。
鑽孔工具的磁強計感應電路可敏感於AC和DC場。例如，敏感於DC場的磁強計感應電路可用於檢測通常因土地中存在含鐵物質所引起的土地磁場中的變化。敏感於AC場的磁強計感應電路可用於檢測附近的公共事業管線。
鑽孔工具還可包含有多軸加速計、諸如三軸加速計。可在鑽孔工具內或其附近實施的各種傳感器和設備布局的例子在美國專利號5,767,678；5,764,062；5,698,981；5,633,598；5,469,1 55；5,337,002；和4,907,658中有所描述，在此整個地援引這些專利以供參考。
鑽孔工具還可配備有車載(on-board)雷達單元，諸如地面穿透雷達(GPR)單元。該鑽孔工具還可包含有一個或多個地球物理傳感器，包括例如電容傳感器、剩餘傳感器、超聲波傳感器、地震傳感器、電阻傳感器和電磁傳感器。一種可裝入到尺寸各異的鑽孔工具的殼體中的目前使用的GPR系統被實現在集成電路組件中。使用井下GPR系統可用於檢測埋設在附近的障礙物和公共事業管線，並用於表示本地地質的特徵。部分或所有的GPR數據可由設置在鑽孔工具中的信號處理器、或者由諸如設置在手持式或其它的可攜式跟蹤單元中的信號處理器或者設置在鑽孔機上的信號處理器之類的地上信號處理器/與其相結合來進行處理。GPR單元或者可設置在手持式/可攜式跟蹤單元內、或者同時設置在鑽孔工具和手持式/可攜式跟蹤單元內。
例如，地面穿透雷達集成電路(IC)或晶片可用作為井下電子設備的一部分。GP雷達IC可用於執行例如地下勘測、物體檢測和迴避、地質成像以及地質特徵。該GP雷達IC可實現若干不同的檢測方法，下文中將描述其中幾種。一種合適的GP雷達IC由Lawrence Livermore國家實驗室(NationalLaboratory)所製造，並被標識為微功率推動雷達(MIR)。該MIR裝置系一種使用傳統電子元件的晶片上的低成本雷達系統。雷達發送器和接收器容納在近似地測量兩平方英寸的組件中。微型雷達料想能進一步減小微型矽片的尺寸。其它合適的雷達IC和檢測方法在美國專利號5,805,110；5,774,091和5,757,320中有所描述，在此整個地援引這些專利以供參考。
微處理器可設置成井下電子設備的一部分。微處理器表現為能調整各種井下電子裝置和設備的活動、並可用於處理在鑽孔工具上所採集的信號和數據的電路或裝置。要理解的是，微處理器可構成或裝有微型控制器、數位訊號處理器(DSP)、模擬信號處理器或者其它類型的數據或信號處理裝置。此外，微處理器可被構成為用於根據所給系統結構或應用來執行基本的、中度複雜或高度複雜的任務。例如，較複雜的系統結構可涉及由加速計、磁強計、GP雷達IC以及/或者設置在鑽孔工具上的地球物理和環境傳感器中的一個或多個所採集的傳感器數據的本地信號處理。
另一種相對較複雜的鑽孔工具系統配置可涉及各種井下傳感器數據的採集、控制鑽孔操作的控制信號的產生、以及裝載到由井下微處理器所訪問的存儲器中的原定鑽孔計劃與由車載井下傳感器所指示的實際鑽孔路徑之間的比較。該微處理器還可裝有信號處理裝置或者以其它方式與該信號處理裝置相協作，以便處理由GP雷達IC所採集的GPR數據和由地球物理/環境傳感器所採集的其它數據。經處理的GPR和地球物理/環境數據可發送至地上顯示單元以供操作者評價之用。
在一種實施例中，可攜式跟蹤單元包括地面穿透雷達(GPR)單元。根據該實施例，鑽孔工具包含有接收器和信號處理裝置。鑽孔工具接收器接收由6PR單元所發送的探測信號，而信號處理裝置則響應該探測信號產生鑽孔工具信號。該實施例的鑽孔信號具有在定時、頻率內容、信息內容或極化的其中一個方面不同於探測信號的特性。設置在跟蹤單元上的探測信號發送器與設置鑽孔工具上的標記(signature)信號發生裝置之間的協作能使鑽孔工具的位置以及取向(如果需要的話)得以精確地檢測，儘管存在著較大的背景信號。GPR單元還能實現傳統地下成像技術，用以檢測鑽孔工具和所埋設的障礙物。用於確定鑽孔工具的位置和/或取向、並且用於利用地面傳統雷達途徑來表示地下地質的特徵的各種技術在共同轉讓的美國專利號5,720,345和5,904,210中有所描述，在此整個地援引這些專利以供參考。
一種用於檢測地下物體並確定該地下物體的範圍的示範途徑涉及使用與天線相耦合的、用於以多個中央頻率間隔或步幅來發送頻率調製探測信號的發送器。當以單基地(monostatic)模式操作時與天線相耦合、或者當以雙基地(bistatic)模式操作時與分離的天線相耦合的接收器接收因探測信號而從目標物體發送的返回信號。與該物體相對應的幅度和脈衝信號被以中央頻率步幅測量和存儲在存儲器中。利用存儲在存儲器中的幅度和脈衝信號來確定該物體的範圍。這種掠過步進(swept-step)雷達技術可用於高解析度探測和小範圍應用場合中的物體檢測，尤其適用於對地球物理表面和地下結構進行高解析度的探測。設置成為地上跟蹤單元或就地鑽孔工具的一部分的雷達單元可實現如美國專利號5,867,117中所述的掠過步進檢測方法，在此整個地援引該專利以供參考。
氣體檢測器也可安裝在鑽孔工具殼體和/或連接在鑽柱上、隨後挖掘鑽孔的倒擴孔器上或之中。該氣體檢測器可用於檢測包括甲烷和天然氣源在內的各種類型的潛在的有害氣源的存在。當檢測到此類氣體時，可停止鑽探，以便進一步評估潛在的危險。檢測到的氣體的位置可被標識並存儲，以便確保正確地繪製出該潛在的危險位置，隨後避開。
鑽孔工具的井下傳感器單元還可包含有用於感應鑽孔工具殼體內的周圍溫度和/或井下傳感器及相關電路的一個或多個溫度傳感器。使用若干溫度傳感器可用於計算平均周圍溫度和/或平均傳感器溫度。利用溫度傳感器所採集的溫度數據可用於與影響所給井下傳感器的精度偏離相關的溫度補償。檢測溫度中的明顯變化、諸如鑽孔工具溫度的明顯上升可導致從各種井下傳感器數據中所獲得的數據的採樣/採集率增加，以便更好地表示特徵並進行與影響所採集的數據相關的溫度補償。
由各種井下傳感器、GPR單元及其它地球物理傳感器(倘若可適用的話)所採集的數據被發送至位於鑽孔機處的控制器，該控制器在本文中也可被稱之為中央處理器。該中央處理器可被實施為位於鑽孔機處的單個處理器或者多個處理器。或者，中央處理器也可遠離鑽孔系統位於諸如遠距離設置的中央處理位置或多個遠距離處理位置上。在一種實施例中，人造衛星、微波或其它方式的高速通訊可用於在遠距離設置的中央處理器與實時鑽孔控制系統的鑽孔機/鑽孔工具的諸元件之間發送傳感器數據、控制信號及其它信息。
中央處理器處理在鑽探操作期間所接收的鑽孔工具遙測/GPR/地球物理傳感器數據和與鑽孔機活動相關的數據，諸如涉及泵壓、電動機轉速、泵/電動機振動、發動機輸出等的數據。在某些實施例中，本發明的實時控制方法可不再需要定位器操作者，而在另一種實施例中則可為鑽孔系統的下區操作者提供經由手持式或其它方式的移動遙控設備的狀態信號和全體或部分控制能力。
利用各種傳感器數據、較佳地利用代表原定鑽孔路徑的數據，中央處理器實時計算出任何所需的鑽孔工具走向變化和鑽孔機操作變化，以使鑽孔工具保持在原定鑽孔路徑上，並且保持在鑽孔工具的生產力大小的最佳水平處。中央處理器還可根據包括在鑽孔操作之前或期間在鑽探地點處所採集的地球物理數據、諸如最大曲率半徑和應力/應變數據在內的鑽柱/鑽頭/安裝產品數據、以及諸如通過利用精細或地上GPR單元或地球物理傳感器所獲得的、在鑽孔操作期間所測得的所埋設的障礙物(例如，公共事業管線)的位置和/或類型以及地質在內的各種其它類型的所採集的數據的基礎上對鑽孔操作進行粗調或精調。
在檢測到所埋設的障礙物或不理想的土壤/巖石狀況(例如，硬石或軟石)的情況下，中央處理器可通過重新計算有效的另一種可供選擇的鑽孔計劃來進行實際鑽孔工具挖掘走向中的「飛速(on-the-fly)」偏離。實際鑽孔工具航向中的飛速偏離也可由操作者直接進行。響應該偏離，中央處理器計算出可較佳地安全旁路掉此類障礙物/土壤狀況、同時又儘可能近地通過為原始原定鑽孔路徑所建立的目標的另一種可供選擇的鑽孔計劃。任何此類走向偏離可從視覺或聽覺上傳達給操作者，並被記錄成為「竣工(as-built)」鑽孔路徑數據組的一部分。倘若由於操作或安全限制的原因(例如，最大鑽柱曲率半徑將過大，或者距離所測得的被埋設的公共事業管線的間隙小於預先設立的最小間隙範圍)而無法計算可接受的可供選擇的鑽孔計劃，則使鑽探操作停止，並向操作者傳達適當的警告信號。
通過控制在挖掘期間向鑽孔工具輸送諸如泥漿和水混合物或者空氣和泡沫混合物之類的流體可進一步提高鑽孔生產力。中央處理器通常與機器控制器相協作來控制各種流體輸送參數，諸如輸送到鑽孔工具的流體體積和流體壓力及溫度。中央處理器還可監視和調節輸送到鑽孔工具的流體粘度及流體成分。例如，中央處理器可通過控制添加到流體中的固體或漿狀物的類型和數量來改變流體成分。輸送到鑽孔工具的流體的成分可在經受鑽孔的土壤/巖石成分的基礎上進行選擇，並響應所給鑽孔地點處遇到不同的土壤/巖石類型來適應性改變。另外，流體的成分還可根據鑽柱的轉矩或推進/回拉力來進行選擇。
中央處理器通過根據土壤/巖石類型和鑽孔工具操縱性/生產力需求來控制鑽孔工具的結構可進一步提高鑽孔生產力。可控制諸如可控板、鴨嘴板(duckbill)、切割頭、流體噴射器以及鑽孔工具的其它土地嚙合/穿透部分之類的鑽孔工具的一個或多個致動件可改進鑽孔工具的操縱和切割特性。在採用鉸接鑽頭的實施例中，中央處理器可諸如通過向控制鑽頭旋轉以及/或者切割頭的速度的步進電動機傳輸控制信號改變鑽頭位置，以便改進鉸接鑽頭的操縱和切割特性。輸送給流體錘型鑽孔工具(當鑽探通過巖石時尤其有用)的流體的壓力和體積可由中央處理器來改變。中央處理器確保為改變鑽孔工具的操縱和切割特性所作的改變不會導致危及鑽柱、鑽孔工具、安裝產品或鑽孔機的性能極限。
一種適應性操作操縱模式可主動監視鑽孔工具在經受鑽探的土壤/巖石中的可操縱性。可操縱性因素是鑽頭在具體的土壤/巖石成分中如何迅速地改變操縱的標誌，並可按照當鑽頭縱向移動時縱搖或平搖的變化率來表達。倘若土壤/巖石的可操縱因素表明實際鑽柱曲率將要比原定曲率平坦，則中央處理器可修改原定鑽孔路徑，以使更理想的鑽孔路徑緊隨其後，同時確保鑽頭鑽過關鍵的地下目標。可操縱性因素可在鑽孔操作期間動態確定並估算。
由此可在所給的鑽探操作期間採集過去的和當前的可操縱性因素數據，並用於判斷是否應當修改所給的鑽孔路徑。倘若需要或者必要的話，可利用過去的和當前的可操縱性因素數據來計算出新的鑽孔路徑。適應性操縱模式也可考慮諸如公共事業管線/障礙物的位置、公共事業管線和障礙物周圍的理想安全間隙、允許的鑽柱和產品的曲率半徑、以及當修改原定鑽孔路徑時的最小地面覆蓋範圍和最大允許深度之類的因素。
本發明的另一種實施例為操作者提供了利用遙控設備來控制鑽孔系統的所有或部分功能的能力。根據該實施例，操作者利用可攜式控制單元來啟動鑽孔機和鑽孔工具指令。鑽孔機/工具的狀態信息被採集和顯示在設置在可攜式控制單元上的圖形顯示器上。該可攜式控制單元也可具體表現為鑽頭定位接收器和/或向鑽孔機接收器/顯示器發送數據的無線電發射器。如將要詳細描述的那樣，可在可攜式控制單元、鑽孔工具電子組件和鑽孔機控制器中建立不同程度的功能，以便由這些元件分別提供不同程度的控制。
例如，一種系統實施例採用位於鑽孔工具中的傳統的探針型發送器和採用用於定位鑽孔工具的傳統方法的遙控單元。全球定位系統(GPS)單元或雷射單元也可裝入到遙控單元內，以便將實際與預定的鑽孔工具/操作者位置之間作比較。利用適用傳統定位技術所採集的位置信息，操作者可利用遙控單元來向鑽孔機發送控制和操縱信號，以便對鑽孔工具的生產力和操縱作所需的改變。再例如，鑽孔工具可配備有相對複雜的井下傳感器單元和本地控制和數據處理能力。根據這種系統結構，遙控單元向鑽孔工具而不是鑽孔機發送控制和/或操縱信號，以便控制鑽探生產力和方向。
位於鑽孔工具上的井下傳感器單元可響應從遙控單元所接受的數據和信號產生各種控制信號。這些控制信號被發送至鑽孔機，以使鑽孔機/鑽孔工具的操作進行必要的變化。要意識到的是，利用本文中所述的各種硬體、軟體、傳感器和機器元件可實現大量的鑽孔機系統結構。建立在各系統元件中的複雜和功能度可與各種各樣的挖掘和地質勘測的需要相適應。
現在請參閱圖1，圖1示出了進行鑽孔操作的地面10的一部分的剖視圖。總的示出為機器12的地下鑽孔系統位於地上11，它包括一平臺14，傾斜的縱向件16位於該平臺上。平臺14藉由銷釘18或其它限制件固定在地面上，以便防止平臺14在鑽孔操作期間移動。位於縱向件16上的是用於將鑽柱22沿總的由箭頭所示的前進縱向方向驅動的推進/回拉泵17。鑽柱22由端對端連接的多個鑽柱件23所組成。同樣位於傾斜的縱向件16上的、且被安裝成可沿著該縱向件16移動的是用於使鑽柱22旋轉的旋轉電動機或泵19(示出在介於上位19a與下位19b之間的中間位置上)。在操作中，旋轉電動機19使鑽柱22旋轉，在該鑽柱22的末端上連接有鑽孔工具24。
典型的鑽孔操作發生如下。旋轉電動機19被最初定位在上位19a上，並使鑽柱22旋轉。當鑽孔工具24旋轉時，旋轉電動機19和鑽柱22由推進/回拉泵17沿前進方向朝著下位推入到地面中，由此形成鑽孔26。當鑽柱22被推入到鑽孔26中一個鑽柱件23的長度時，旋轉電動機19到達下位19b。接著向鑽柱22人工或自動增加一個新的鑽柱件23，並且該旋轉電動機19被釋放並拉回到上位19a。旋轉電動機19用於將該新的鑽柱件23擰入到鑽柱22上，並重複上述旋轉/推壓過程，以便將重新加長的鑽柱22進一步壓入到地面中，從而延伸鑽孔26。一般，水或其它流體藉由泥漿或水泵被泵送通過鑽柱22。倘若使用氣錘，則空氣壓縮機用於將空氣/泡沫推壓通過鑽柱22。水/泥漿或者空氣/泡沫向上回流通過鑽孔26，以便去除切屑、碎石及其它碎片。通常提供一種方向控制能力以控制鑽孔工具24的方向，從而使由此行程的鑽孔26成為所需的方向。
根據一種實施例，鑽孔工具24的井下傳感器單元通過使用經由鑽柱22所建立的通信鏈路與鑽孔機12的中央處理器25通信耦合。該通信鏈路可為沿著鑽柱22的長度在該鑽柱中延伸的同軸電纜、光纖或某些其它合適的數據傳輸媒介。通信鏈路或者可利用用於紅外線或微波通信的自由空間鏈路、或者位於鑽柱22外部的聲音遙測手段來建立。介於鑽孔工具24與中央處理器25之間的信息通信也可利用已有技術中已知的泥漿脈衝技術來建立。
根據另一種實施例，經由鑽柱建立在鑽孔工具與中央處理器之間的通信鏈路包括與鑽柱的各相連的鑽杆成一體的導電體。圖18以388總的示出了在機械連接點359″處機械連接的鑽杆340和340』的部分的縱剖圖。鑽杆340和340』分別具有外表面408和410以及分別限定中空通道390和392的內表面。第一鑽杆340包含有被封裝在電絕緣材料中的一段導電體394。同樣，第二鑽杆340』也包含有被封裝在電絕緣材料中的一段導電體396。第一鑽杆340具有置於其一端的導電環398。鄰接該導電環398，第一鑽杆340還具有絕緣(不導電)環404。第二鑽杆340』也具有導電環400和鄰接該導電環400設置的絕緣環406。
當第二鑽杆340』與第一鑽杆340機械連接於機械連接點359″時，在兩個導電環398與400之間形成一電接觸點402。由於第二鑽杆340』與第一鑽杆340相連接，因而導電環398與置於中空通道390內的導電體段394形成電接觸。同樣，導電環400與導電體段396形成電接觸。因此，通過導電耦合點402和機械連接點359″在新增的第二鑽杆340』與由鑽杆340、起動器杆(未圖示)和鑽頭(未圖示)所形成的鑽柱328的部分之間形成連續的電連接。
電絕緣環404和406分別使導電環398和400相應地與鑽杆340和340』的外表面408和410電絕緣。封裝導電體394、396的電絕緣材料分別使導電體段394、396與外表面408和410電絕緣。關於利用一體的電鑽杆件來進行鑽孔工具與鑽孔機之間的數據通信的其它實施例在與本申請同時提交、且被標識為案卷(Attorney Docket)號10646.247-US-01的題為「用於在方向鑽探設備中提供功率和信號的電發送的設備和方法」的共同擁有的美國申請號09/XXX，XXX中有所揭示，在此整個地援引該申請以供參考。
根據本發明的另一種實施例，並再一次參閱圖1，跟蹤單元28可用於接收自鑽孔工具24發送的信息信號，接著將該信息信號或該信號的變化形式傳輸至位於鑽孔機12中的接收器。鑽孔機12還包含有用於將諸如指令信號之類的信息信號從鑽孔機12發送至跟蹤單元28的發送器或收發器。響應所接收的信息信號，跟蹤單元28可執行所需的功能，諸如將數據或指令發送至鑽孔工具24，以便上行傳輸來自鑽孔工具24的診斷或傳感器數據、或者調節鑽孔工具24的可控特徵(例如，流體噴射口的結構/噴射方向或者切削頭的結構/取向)。要理解的是，此類數據和指令的發送或者可通過利用經由鑽柱22建立在鑽孔工具24與中央處理器25之間的通信鏈路來建立。
根據另一種實施例，跟蹤單元28可另外採用用於發送目標信號的信號源的形式。該跟蹤單元28可定位在鑽孔工具打算要經過或到達的一所需的位置上。鑽孔工具可在跟蹤單元28的下方通過，或者穿透貼近跟蹤單元28的地面。跟蹤單元28可發出可由設置在鑽孔工具24中、或者貼近其設置在一適當的傳感器、諸如磁強計所感應到的電磁信號。中央處理器與鑽孔工具24的目標信號傳感器通力協作，以便將鑽孔工具24朝著跟蹤單元28引導。
在一種結構中，跟蹤單元28可裝入在可由操作者攜帶或者易於移動的一可攜式單元內。操作者可通過將該可攜式跟蹤單元28移動至所需的地上位置來建立目標位置。中央處理器響應自鑽孔工具24接收的感應信號來控制鑽孔機，以便將鑽孔工具24沿著目標信號源的方向引導。或者，可通過中央處理器或者遙控單元在鑽孔機處或者自鑽孔機遠距離地向操作者提供操縱方向信息，以使操作者作出操縱/控制的決定。
圖2示出了本發明的一個重要方面。具體地講，圖2描繪了構成在鑽孔機12與鑽孔工具24之間的閉環控制系統的多種實施例。根據一種實施例，鑽孔機12與鑽孔工具24之間的信息通信經由鑽柱來建立。控制環路LA示出了通過本發明第一實施例的閉環鑽孔控制系統的總的信息流。設置在鑽孔工具24內的井下傳感器單元27提供位置和取向數據。所採集的數據可在井下傳感器單元27內進行本地處理。在鑽孔工具24處採集的數據作為信息信號被沿著第一環路段LA-1發送，並由鑽孔機12所接收。所接收的信息信號由通常設置在鑽孔機12的控制單元32中的中央處理器25來處理。改變鑽孔工具24的方向和生產力的控制信號可由鑽孔機12或者井下傳感器單元27所產生。
響應被處理的信息信號，鑽孔機12進行所需的調節，以便改變或者維持鑽孔工具24的活動，諸如調節至沿著控制環路LA的第二環路段LA-2。要注意的是，第一環路段LA-1一般涉及電、電磁、光、聲音或泥漿脈衝信號的通信，而第二環路段LA-2則一般涉及機械/液壓力的通信。要注意的是，第二環路段LA-2也可涉及電、電磁或光信號的通信，以便建立從中央處理器25到鑽孔工具24的導航組件27的數據和/或指令的通信。
根據第二實施例，閉環控制系統形成在鑽孔機12、鑽孔工具24與跟蹤單元28之間。控制環路LB示出了通過本發明該實施例的閉環鑽孔控制系統的總的信息流。鑽孔工具24沿著第一環路段LB-1發送一信息信號，該信號由跟蹤單元28所接收。響應所接收的信息信號，跟蹤單元28沿著第二環路段LB-2發送一信息信號，該信號由中央處理器25所接收。所接收的信息信號由鑽孔機12的中央處理器25來處理。響應被處理的信息信號，鑽孔機12進行所需的調節，以便改變或者維持鑽孔工具24的活動，諸如調節至沿著控制環路LB的第三環路段LB-3。要注意的是，第一和第二環路段LB-1和LB-2一般涉及電、電磁、光或聲音信號的通信，而第三環路段LB-3則一般涉及機械/液壓力的通信。還要注意的是，第三環路段LB-3也可涉及電、電磁或光信號的通信，以便建立從中央處理器25到鑽孔工具24的導航組件27的數據和/或指令的通信。
根據另一種實施例，控制環路LB可用於可由鑽孔機12或鑽孔工具24的導航電子設備27所接收的、跟蹤單元28處的控制/操縱信號的初始化。要意識到的是，鑽孔控制系統的諸元件、各種控制、操縱及目標信號的發生和處理、以及通過諸元件的信息流均可被選擇和改變以針對各種各樣的系統和應用需求。同樣，要理解的是，圖2及其它附圖中所示的控制環路用於示出具體的閉環控制方法，但這並不能被看作為限制實施例。例如，圖15A和15B示出了通過各種系統元件的閉環控制系統路徑的其它結構，這在下文中將具體介紹。
根據本發明原理的控制系統和方法用於對鑽孔工具的位置、取向以及可包括地球物理數據在內的實際環境信息(例如，溫度、應力/壓力、運行狀況)進行實時採集和處理。由中央處理器25對這些信息進行實時採集和處理用於對鑽孔工具24和鑽孔機12進行實時控制。例如，中央處理器25在檢測到未知的障礙物時經由圖2中所示的閉環控制環路LA或LB或者其它控制環路來幾乎瞬時改變或停止鑽孔工具前進，而不會經歷與人為的觀察和決定的作出相關的延遲。
要確信的是，與構成在鑽孔機12與鑽孔工具24之間的控制環路的鑽孔工具信號信息的採集和處理相關的延遲時間是毫秒級的。在某些應用場合中，該延遲時間可超過一秒鐘，但一般少於兩到三秒鐘。通過採用更快的數據通信和處理硬體、協議和軟體可縮短此類被延長的延遲時間。在某些採用地上接收器/發送器單元的系統結構中，使用中繼器(repeater)可顯著地減小與採集和處理涉及鑽孔工具24的位置和活動的信息相關的延遲。還可沿著通過鑽柱建立的通信鏈路採用中繼器。
除了在定量(quantitative)情況中所表達的術語「實時」的上述特徵之外，術語「實時」的特徵還在於，當施加在閉環鑽孔控制系統上時，使具體的鑽孔機或鑽孔工具的操作的某些給定應用場合的動力學特性、諸如鑽孔工具的位移速率、旋轉速率以及航向(heading)安全地發生所需變化所必需的最大持續時間。例如，要操縱一個以較高的位移速率移動的鑽孔工具以避免地下不測與操縱一個以較低的位移速率移動的鑽孔工具以避免相同不測相比，需要更快的控制系統響應時間。例如，兩、三或四秒鐘的延遲時間在低位移速率情況中可被接受，但在高位移速率情況中也可能會不能接受。
在圖2中所示的控制環路結構的情況中，要確信的是，與沿著環路LA的環路段LA-1或者沿著環路LB的環路段LB-1和LB-2通信的鑽孔工具信號信息的採集和處理、以及隨後由鑽孔機12的中央處理器25產生適當的鑽孔機/工具控制信號相關的延遲是毫秒級的，並且取決於所給的系統配置可為微秒級。可意識到的是，鑽孔工具24對所產生的鑽孔機控制信號(即，環路段LA-2或LB-3)的響應很大程度上取決於所採用的鑽孔機和工具的類型、土壤/巖石條件、泥漿/水/泡沫/空氣流率和壓力、鑽柱的長度以及包含在鑽孔工具24的受控旋轉和位移中的各種泵和其它結構的操作特性，所有的這些均可被看作為累積機械延遲時間。雖然這些累積機械延遲時間通常會顯著變化，但對於一種典型的鑽探系統結構和鑽杆長度的機械延遲時間通常是若干秒鐘級的，諸如大約兩至四秒鐘。
請參閱圖3A-3E，圖中示出了本發明用於控制鑽孔操作的五種不同的控制系統的方法。關於圖3A中所示的實施例，諸如通過使用GPS或GRS技術相對於一基準來確定鑽孔工具進入地表的進入位置550。通過向鑽孔工具/鑽柱增加若干鑽杆將鑽孔工具推入到地面中。將鑽孔工具推離鑽孔機一段足以防止由鑽孔機所形成的磁場幹擾貼近鑽孔工具的地層磁場、或者幹擾設置在鑽孔工具內的磁場傳感器的距離。接著，諸如通過使用一種步行(walkover)裝置穩定並初始化鑽孔工具的航向552。
從鑽孔工具的井下傳感器採集傳感器數據。倘若要用的話，還可採集任何可適用的井上傳感器數據556。此類井上傳感器數據可包括例如鑽杆位移數據。還可採集表示鑽孔工具處的環境狀況(例如，壓力、溫度等)的傳感器數據和涉及挖掘地點處的地質情況的地球物理傳感器數據、諸如地下結構、障礙物以及地質變化等558。還要採集涉及鑽孔機的操作的數據560。然後，在鑽孔工具航向數據和鑽杆位移數據的基礎上計算出鑽孔工具的位置562。
關於圖3B中所示的實施例，確定進入位置570，且穩定並初始化鑽孔工具的航向572。根據該實施例，從井下傳感器採集諸如縱搖、平搖和橫搖(roll)之類的鑽孔工具取向數據574。採集任何可適用的井上傳感器數據576，同樣可採集任何要用的環境和地球物理傳感器數據578。還要採集涉及鑽孔機的操作的數據580。然後，在鑽孔工具航向數據和鑽杆位移數據的基礎上計算出鑽孔工具的位置562。
關於圖3C中所示的實施例，確定進入位置600，且穩定並初始化鑽孔工具的航向602。根據該實施例，採集表示鑽孔工具的取向或位置中的變化的數據604。例如，井下傳感器可感應鑽孔工具的取向在縱搖、平搖和橫搖中的變化。該取向變化數據可被發送以作地上處理。還可採集可適用的井上傳感器數據606、環境/地球物理傳感器數據608和鑽孔機操作數據610。然後，在鑽孔工具航向數據的變化和鑽杆位移數據的基礎上計算出鑽孔工具的位置612。
關於圖3D中所示的實施例，確定進入位置620，且穩定並初始化鑽孔工具的航向622。根據該實施例，採集表示鑽孔工具的位置的數據624，並計算出鑽孔工具的井下位置，該位置被發送以作地上處理。還可採集可適用的井上傳感器數據626、環境/地球物理傳感器數據628和鑽孔機操作數據630。通過在諸如鑽杆位移數據之類所有的相關採集數據的基礎上重新計算出鑽孔工具的位置也可在地上改進所計算出的鑽孔工具的井下位置。
圖3E示出了用於根據連續近似途徑來控制鑽孔機和鑽孔工具的活動的一種鑽孔控制系統方法的實施例。關於圖3E所示的實施例，請繼續參閱圖2，諸如通過使用GPS或地理基準系統(GRS)設備相對於一預定的基準來確定諸如鑽孔進入點之類的鑽孔的起始位置。通過採用已知技術、諸如通過監視在鑽孔操作期間向鑽柱增加的長度已知的鑽杆的數量、或者通過監視被推入到地面中的鑽杆的累積長度來實時計算並採集鑽孔工具24的位移41。在鑽孔操作期間從設置在鑽孔工具24上的井下傳感器單元27中的各種傳感器中實時採集鑽孔工具傳感器數據。此類傳感器通常包括一三元組或三軸加速計、一三軸磁強計和多個環境和地球物理傳感器。所採集的數據經由鑽柱通信鏈路、或者經由跟蹤單元28傳輸至中央處理器25。
利用井下傳感器單元27中的諸傳感器以及/或者通過協同使用跟蹤單元28來實時採集關於鑽孔工具24的取向的數據43。該取向數據通常包括鑽孔工具的縱搖、平搖和橫搖(即，p，y，r)，當然可不需要橫搖數據。根據所給應用場合，還可較理想地或者須要實時採集涉及鑽孔工具24的環境數據、諸如鑽孔工具的溫度和應力/壓力44。還可實時採集地球物理和/或地質數據46。還實時採集涉及鑽孔機12的操作的數據47，諸如泵/電動機/發動機的生產力或壓力、溫度、應力(例如，振動)、轉矩、速度等，涉及泥漿/空氣/泡沫的流動、成分和輸送的數據，以及與鑽孔系統12的操作相關的其它信息。
鑽孔工具的數據、鑽孔機的數據及所採集的其它數據被傳輸48至鑽孔機12的中央處理器25。該中央處理器25計算出鑽孔工具24的位置，較佳地其x-、y-和z-平面坐標。該位置計算最好是在鑽孔工具24的取向和鑽孔工具的位置相對於最初進入點或任何其它所選用的基準點的變化的基礎上進行。該鑽孔工具的位置是通常利用所採集的鑽孔工具取向數據和所採集的鑽孔工具/鑽柱位移數據進行計算的。採集鑽孔工具和鑽孔機的數據、將該數據發送至中央處理器25以及計算出當前鑽孔工具的位置較佳地以連續或定期的實時原則來進行，如虛線45所示。
計算鑽孔工具的當前位置、移動鑽孔工具、感應鑽孔工具位置中的變化以及以增量原則(例如，逐步近似導航途徑)重新計算鑽孔工具的當前位置的過程在鑽孔操作期間重複進行。本發明中的逐步近似導航途徑有利地避免了當執行當前鑽孔工具位置計算時須要臨時停止鑽孔工具移動，而這在傳統技術中是必要的。然而，步行跟蹤器或定位器可與鑽孔工具的磁強計協同工作，以便確保鑽孔工具的軌跡和/或鑽孔路徑的精確度。
通常將所算得的鑽孔工具24的位置與原定鑽孔路線相比較，以便判斷鑽孔工具24是否沿著所需的地下路徑前進50。倘若鑽孔工具24偏離所需的原定鑽孔路線，則中央處理器25計算出一適當的走向(course)修正量52，並產生控制信號以實時啟動走向修正54。在一具體實施例中，鑽孔工具24的導航電子設備計算出走向修正量，並產生發送至鑽孔機12的控制信號，以便啟動鑽孔工具的走向修正54。
倘若中央處理器25判定鑽孔機12非正常操作或者在指定的性能範圍之外56，則中央處理器25試圖確定操作異常源58、判斷該異常是否可修正59、並且進一步判斷該異常是否會損壞鑽孔機12、鑽孔工具24或者鑽孔系統的其它元件61。例如，中央處理器25可判定旋轉泵運行超出預先設定的壓力閾值。中央處理器25諸如通過產生一控制信號以降低推進/回拉泵的壓力、以便在不損失鑽孔工具的轉速的前提下降低泵壓來解決該異常運行狀態。
倘若中央處理器25判定操作異常無法修正、並且很可能會損壞鑽孔系統的元件59，則中央處理器25終止鑽探活動63，由此警告操作者65。倘若無法修正的異常狀態不會損壞鑽孔系統的元件，則鑽探活動繼續進行，並且中央處理器25警告操作者關於所存在的問題67。倘若中央處理器25判定操作異常可修正，則該中央處理器25確定修正作用60，並實時調節鑽孔機的操作62，以便修正操作異常。圖3E中所示的過程以連續或定期的原則重複進行，以便在鑽孔操作期間對鑽孔工具24和鑽孔系統12進行實時控制。
請參閱圖4，圖中示出了根據本發明一種實施例的、用於實時控制鑽孔工具的一種鑽孔系統的各種組成部分的框圖。根據圖4中所示的實施例，鑽孔機70包含有與多個其它控制器、傳感器和數據存儲/處理資源相互作用的中央處理器72。該中央處理器72處理經由鑽柱86或者跟蹤單元83自鑽孔工具18傳輸至鑽孔機70的收發器(未圖示)的鑽孔工具位置和取向數據。該中央處理器72還可接收來自外部地理基準單元76的地理和/或地形數據，該單元可包括GPS型系統(全球定位系統)、地理基準系統(GRS)、地面基礎範圍雷達系統、雷射基礎定位系統、超聲波定位系統或者用於建立鑽孔機70和鑽孔工具81的絕對地理位置的勘測系統。
機器控制器74調整各種泵、電動機以及與在鑽孔操作期間使鑽孔工具81旋轉和移動相關的其它機構的運行。該機器控制器74還調整泥漿/泡沫/空氣至鑽孔工具81的輸送並改變該泥漿/泡沫/空氣的成分，以便提高鑽孔工具的生產力。中央處理器72通常訪問當需要或想要時可被執行的多個自動鑽探模式程序71和軌跡程序69。鑽孔計劃資料庫78存儲涉及原定鑽孔路線的數據，包括想要的鑽孔路徑的距離和變化、鑽孔目標、已知障礙物、在鑽孔操作期間所測得的未知障礙物、已知/估計的土壤/巖石狀況參數和諸如允許的鑽柱或產品的曲率半徑之類的鑽孔機的信息以及其它數據。
中央處理器72和外部計算機可執行提供就地設計和改變鑽孔計劃的能力的鑽孔計劃軟體78。然後，該就地設計的鑽孔計劃可被上載至鑽孔計劃資料庫78以備後用。如下文中將更詳細地描述的那樣，中央處理器72可執行鑽孔計劃軟體，並在鑽孔操作期間與鑽孔計劃資料庫78相互作用，以便響應地下危險、不理想的地質情況以及由操作者啟動的與原定鑽孔程序的偏離的檢測來執行「飛速」實時鑽孔計劃調節計算。
地球物理數據界面82接收來自可配置在工作場所和鑽孔工具上的各種各樣的地球物理和/或地質傳感器和設備的數據。所採集的地球物理/地質數據由中央處理器72處理，以便表現各種土壤/巖石狀況，諸如硬度、多孔性、水量、土壤/巖石的類型、土壤/巖石的變化等的特徵。被處理的地球物理/地質數據可為中央處理器72所用，以便改變對鑽孔工具的活動和操縱的控制。例如，被處理的地球物理/地質數據可顯示諸如花崗巖之類極硬的土壤/巖石或者諸如砂石之類極軟的土壤的存在。機器控制器74可例如利用該信息來適當地改變推進/回拉和旋轉泵的運行方式，以使針對所給土壤/巖石類型的鑽孔工具的生產力最優化。
再例如，中央處理器72可監視鑽柱86在鑽孔操作期間的實際曲率半徑，並將該實際鑽柱曲率半徑與針對所使用的具體鑽柱86或者所安裝的產品的所指定的最大允許曲率半徑相比較。機器控制器74可改變鑽孔機的操作，除此之外抑或或者，中央處理器72可計算出一條可供選擇的鑽孔路徑，以便確保與所使用的鑽柱或者所安裝的產品的最大允許曲率半徑的要求相符。要注意的是，縱搖和平搖均是矢量，並且實際鑽柱曲率半徑是一段推進距離中縱搖和平搖中的變化的矢量和的函數。針對鑽柱/產品的過應力狀態所作的鑽孔機的改變量應在一段給定推進距離中縱搖和平搖的矢量和的大小和方向的基礎計算出該改變量。
中央處理器72可監視實際鑽柱/產品的曲率半徑，以便與原定路徑和操縱計劃作比較，並修改未來的控制信號以適應土壤/巖石層的可操縱性中的任何限制。另外，中央處理器72可監視實際曲率半徑、可操縱性因素、地球物理數據及其它數據，以便預知會在倒擴孔(backreaming)操作期間發生的直線鑽孔路徑的數量。所預知的直線鑽孔路徑、倒擴孔直徑、鑽孔路徑長度、所安裝的產品的類型/重量以及所需的公共事業管線/障礙物的安全清除將用於對原定的鑽孔路徑作改變。當飛速計劃鑽孔路徑時也可採用該信息，以便減小在倒擴孔時撞到公共事業管線/障礙物的風險。
中央處理器72還可接收並處理自一個或多個鑽孔工具傳感器發送的數據。例如，取向、壓力和溫度信息可由設置在鑽孔工具81中的適當的傳感器來感應，諸如用於感應壓力的應變計。此類信息可諸如通過調製帶有信息信號的鑽孔工具信號編碼在自鑽孔工具81發送的信號上，或者作為與鑽孔工具信號相分離的一信息信號進行發送。當由中央處理器72接收時，被編碼的鑽孔工具信號被解碼，以便從鑽孔工具信號的內容中提取信息信號的內容。倘若響應傳感器的信息想要或者須要的話，則中央處理器72可改變鑽孔系統的操作。
要理解的是，圖4及其它圖中所示的中央處理器72可被實施為單個處理器、計算機或者裝置(但不一定)。由中央處理器72所執行的功能可由多個或分布式處理器、以及/或者任何數量的電路或其它電子設備來執行。如先前所述的那樣，與中央處理器相關的所有或部分功能可由一遠距離設置的處理設備來執行，諸如經由人造衛星或其它高速通信鏈路來控制鑽孔機的操作的遙控設備。再例如，與機器控制器74、自動鑽探模式程序71、軌跡程序69、鑽孔計劃軟體/資料庫78、地球物理數據界面82、用戶界面84和顯示器85中的所有或部分相關的功能可作為中央處理器72的一部分來進行安裝。
請繼續參閱圖4，用戶界面84提供了操作者與鑽孔機70之間的交互作用。該用戶界面84包括各種可人工操作的控制器、量具、讀出器和顯示器，以便實現操作者與鑽孔機70之間信息和指令的通信。如圖4所示，用戶界面84可包含有諸如液晶顯示器(LCD)或活動矩陣顯示器、字母數字顯示器或陰極射線管型顯示器(例如，發射顯示器)之類的顯示器85。用戶界面84還可包括用於在鑽孔機與諸如中央控制場所或遠距離維護設備之類的網際網路用戶/場所之間進行數據、文件、電子郵件等通信的全球資訊網/網際網路界面。診斷和/或性能數據例如可由一遠距離場所分析或者經由全球資訊網/網際網路界面被下載至該遠距離場所。再例如，軟體更新可經由全球資訊網/網際網路界面從一遠距離場所傳送至鑽孔機或鑽孔工具的電子設備組件。要理解的是，也可採用安全(例如，非公共)通信鏈路來進行一遠距離場所與鑽孔機/鑽孔工具之間的通信。
圖4中所示的顯示器85的部分包括從視覺上傳達諸如當前使用的鑽孔計劃或者所開發的或在針對一具體場所的開發下的若干可供選擇的鑽孔計劃的其中之一之類的涉及原定鑽孔路線的信息的顯示器79。在鑽孔操作期間或之後，涉及實際鑽孔路線的信息以圖形形式顯現在顯示器77上。當在鑽孔操作期間使用時，操作者可同時觀察原定鑽孔路線顯示器79和實際鑽孔路線顯示器77，以便評定鑽孔操作的前進和精確度。因用戶啟動或者中央處理器啟動的實際鑽孔路線中的偏離可被加亮或者以其它方式在實際鑽孔路線顯示器77上被強調，以便從視覺上警告操作者此類偏離。也可產生一可聽見的警告信號。
要理解的是，實際鑽孔路徑的顯示可添加在原定鑽孔路徑之上，並在同一個顯示器而不是在單獨的顯示器上顯示。另外，顯示器77和79可構成單個物理顯示器的兩個顯示窗。還要理解的是，可按需形成任何類型的視圖，諸如俯視圖、側視圖或立體圖，諸如相對於鑽孔工具的鑽子或頂端的視圖，或者斜視圖、等積圖或正投影圖。
可意識到的是，顯示在原定和實際鑽孔路線顯示器79和77上的數據可用於構成一「竣工」鑽孔路徑數據組和反映原定與實際鑽孔路徑之間的偏離的一路徑偏離數據組。竣工數據通常包括涉及三維(例如，x-、y-和z-平面)實際鑽孔路徑、入口和出口凹坑(pit)位置、導孔(pilot borehole)和倒擴孔的直徑、包括那些先前或者在鑽孔操作期間所測得的所有的障礙物、水域的數據及其它相關數據。在鑽孔操作之前、期間或之後搜集的地球物理/地質數據也可被包含為竣工數據的一部分。
圖5是根據本發明的一種實施例的、用於實時控制鑽孔機和裝有井下傳感器單元的鑽孔工具的各種操作的系統100的框圖。關於控制環路LA，系統100包含有允許該系統100適應包括裝有磁強計、加速計速率傳感器、各種鑽孔工具地球物理/環境設備和傳感器以及遙測方法在內的不同類型的傳感器組件89的界面73。該界面73可同時包括硬體和軟體，這些元件可被自適性地或人工地改變，以便提供鑽孔系統100的鑽孔工具傳感器和通信元件與中央處理器元件之間的兼容。在一種實施例中，界面73可被適當地構成為可適應鑽孔工具電子設備的機械、電氣和數據通信規格。鑑於此，界面73消除了或者明顯減小了可能另外需要用於適應相應的鑽孔工具的結構多樣性的多種專用界面的技術依賴性。
關於控制環路LB，界面75允許系統100適應不同類型的定位器和跟蹤系統、步行單元、鑽孔工具地球物理/環境設備和傳感器以及遙測方法。如同與控制環路LA相關的界面73那樣，界面75可同時包括硬體和軟體，這些元件可被自適性地或人工地改變，以便提供鑽孔系統100的跟蹤單元/鑽孔工具元件與中央處理器元件之間的兼容。該界面75可被適當地構成為可適應跟蹤單元和/或鑽孔工具電子設備的機械、電氣和數據通信規格。
根據另一種實施例，中央處理器72如圖所示經由界面75與收發器110和若干其它傳感器和裝置相耦合，以便構成可選用的控制環路LB。根據該另一種實施例，收發器110接收來自跟蹤單元83的遙測信息，並將該信息傳輸至中央處理器72。該收發器110也可將來自中央處理器72或者系統100的其它過程的信息傳輸至跟蹤單元83，諸如鑽孔工具結構圖形指令、診斷輪詢指令、軟體下載指令等。根據一種不算複雜的實施例，收發器110可由能夠接收、但不能發送數據的接收器來取代。
利用從鑽孔工具81上的井下傳感器單元89所接收的遙測數據、以及鑽柱位移數據(倘若需要的話)，中央處理器72計算出鑽孔工具81相對於地面高度或其它預先設定的基準位置的範圍和位置。中央處理器72還可諸如通過使用已知的GPS技術計算出鑽孔工具81的絕對位置和高度(elevation)。利用從跟蹤單元83所接收的鑽孔工具的遙測數據，中央處理器72還計算出鑽孔工具81的縱搖、平搖和橫搖(p，y，r)的其中一個或多個。在從鑽孔工具所發送的電磁探針信號的強度的基礎上還可確定鑽孔工具的深度。要注意的是，縱搖、平搖和橫搖也可由井下傳感器單元89單獨或者協同中央處理器72一起算得。用於確定鑽孔工具81的位置和/或取向的合適的技術可包括接收從鑽孔工具81的井下傳感器單元89所發送的探針型遙測信號(例如，無線電頻率(RF)、磁或聲音信號)。
根據一種實施例，移動跟蹤設備可用於人工跟蹤和定位配備有產生探針信號的發送器的鑽孔工具81的前進。跟蹤器83協同中央處理器72一起設置鑽孔工具81的相對和/或絕對位置。此類已知的定位器技術的例子在美國專利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，在此整個地援引這些專利以供參考。這些系統和技術可有利地適用於包含與本發明的指導思想和原理相一致的實時鑽孔工具定位途徑。
一種利用手持式跟蹤器來確定鑽孔工具81的位置和/或取向的合適的技術包括使用安裝在鑽孔工具81的井下傳感器單元89中的加速計和磁強計。根據該實施例，鑽孔工具81的井下傳感器單元89配備有三軸磁強計、三軸加速計和用於發射電磁雙極場的磁性雙極天線，該方法在美國專利5,585,726中有所描述，在此整個地援引該專利以供參考。由三軸磁強計和三軸加速計所產生的信號自鑽孔工具81經由雙極天線發送，並由跟蹤單元83所接收，該跟蹤單元處理所接收的信號，或者將該信號轉發至鑽孔系統的收發器110。所接收的信號為中央處理器所用，以便計算出取向，並利用鑽孔工具位移數據計算出鑽孔工具81的位置，當然也可由跟蹤單元83直接計算出鑽孔工具81的取向。
在鑽孔操作期間通過在鑽孔工具81已行進的一段距離上執行信號積分可計算出鑽孔工具81的近似位置。通常被實施為可攜式或手持式單元的跟蹤單元83通過檢測由鑽孔工具81所發射的電磁雙極場來連續接收來自鑽孔工具發送器的遙測信號。通過利用定位器遙測數據來確定的鑽孔工具81的實際位置被用來修正可能已引入到積分計算中的任何積分誤差。在另一種實施例中，鑽孔工具的位置和取向是由跟蹤單元83進行檢測的。同樣，鑽孔工具81的實際位置可由跟蹤單元83而不是在鑽孔機的位置上進行計算的。位置/取向數據由中央處理器72所處理，以便在鑽孔操作期間提供鑽孔工具81的閉環控制。
另一種確定鑽孔工具81的位置和/或取向的技術涉及使用包括沿著原定鑽孔路徑的一側或兩側設置的若干間隔設置的天線單元。該實施例有利地消除了對定位器操作者的需要。設置在鑽孔工具81中的發送器發送一由天線單元網絡所接收的信號。該鑽孔工具信號被沿著天線單元鏈路轉發，並由與中央處理器72相耦合的收發器所接收，以便由中央處理器72進行處理。中央處理器72計算出鑽孔工具81的實際位置，並將該實際位置與根據存儲在鑽孔計劃資料庫78內的預定的地下路徑的原定位置相比較。機器控制器74實時啟動由介於實際與原定鑽孔工具位置之間的偏離所引起的任何所需的走向修正。一種較適用於根據該實施例的系統是由Washington的Renton的數字控制有限公司(Digital Controls，Inc.)所製造的TRANSITRAK iGPS系統。要意識到的是，還可採用除本文中所描述的那些用於確定鑽孔工具的位置和取向的技術之外的技術，用以向中央處理器72提供位置和取向信號，以便在閉環實時操作環境中控制鑽孔工具的活動。
根據本發明的另一種實施例，定位單元83採用一種通過利用雷達探測及檢測技術來確定鑽孔工具81的位置和取向的設備。用於利用地面穿透雷達途徑來確定鑽孔工具81的位置和/或取向的合適的技術在共同轉讓的美國專利5,720,345和5,904,210中有所描述，在此整個地援引這兩個專利以供參考。根據該實施例，鑽孔工具83設有一響應自跟蹤單元83發射的探測信號產生一特殊標記信號的裝置。設置在跟蹤單元83上的探測信號發送器與設置在鑽孔工具81上的標記信號產生裝置之間的協作能使鑽孔工具的位置以及取向(如果需要的話)得以精確地檢測，儘管存在著較大的背景信號。
精確地檢測鑽孔工具的位置和取向能使操作者在操作期間精確地定位鑽孔工具，而倘若具備方向能力的話，則可避免諸如公共事業管線之類的被埋設的障礙物及其它危險。由鑽孔工具81所產生的標記信號可被動或主動地發生，並可為微波或聲音信號。另外，該標記信號可以與用於以包括定時、頻率內容、信息內容或極化在內的一種或多種方法所產生的探測信號不同的方式來形成。
根據該實施例，並請參閱圖19，跟蹤單元83包括一檢測單元228，該檢測單元包含有接收器256、檢測器258和信號處理器260。接收器256接收來自地面210的返回信號，並將它們傳輸至檢測器258。檢測器258將該返回信號轉換成電信號，這些電信號隨後在信號處理單元260中進行分析。在其中由發生器252所產生的探測信號236構成微波信號的第一種實施例中，接收器256一般包含有一天線，並且檢測器258一般包含有一檢測二極體。在其中探測信號236構成聲波的第二種實施例中，接收器256通常為能與地面210進行良好的機械接觸的探測器，並且檢測器258包含有諸如擴音器(microphone)之類的聲音—電換能器。
信號處理器260可包含有諸如信號放大器、過濾電路和模擬—數字轉換器之類的、後面跟隨有用於形成裝有各種地下障礙物230和鑽孔工具81的地下體積的二維或三維圖像的較為複雜的電路的各種基本元件。檢測單元228還可包含有用於檢測並解讀從設置在鑽孔工具81內的活躍的信標或探針所接收的信號的信標接收器/分析器261。由活躍的信標所發送的信號可包含有涉及鑽孔工具81的取向和/或環境的信息，該信息由信標接收器/分析器26l進行解碼。
檢測單元228還包含有用於解碼可編碼在由鑽孔工具81所產生的標記信號上的信息信號的內容的解碼器263。取向、壓力、溫度和地球物理信息可由設置在鑽孔工具81內的適當的傳感器、諸如用於感應壓力的應變計、用於檢測取向的水銀開關、用於測量鑽孔工具的縱搖的縱搖傳感器、GPR子系統或者一個或多個地球物理傳感器來感應。此類信息可諸如通過調製帶有信息信號的標記信號而被編碼在標記信號上，或者作為標記信號的一部分、或者與其相分離地進行發送。當由接收器256接收時，被編碼的返回信號由解碼器261解碼，以便從標記信號內容中提取信息信號的內容。要注意的是，圖19中所示的檢測單元228的諸元件不一定要包含在同一個殼體或支承結構中。
檢測單元228將所採集的信息沿著數據發送鏈路發送至中央處理器72。該數據發送鏈路用於處理跟蹤單元83的檢測單元228與鑽孔系統的收發器之間的數據傳輸，並且可為同軸電纜、光纖、用於紅外線或微波通信的自由空間鏈路或者某些其它合適的數據傳輸媒介或技術。
本發明的鑽孔系統提供了以多種不同的模式來進行鑽孔操作的機會。例如，操作的步行路徑(walk-the-path)模式涉及最初沿著所需的鑽孔路徑步行並對所需的路徑作記錄。操作者可例如使用手持式GPS單元，以便從地理上限定該鑽孔路徑。或者，該操作者也可類似於與鑽孔工具一起使用來使用井下傳感器單元，以便繪製所需的鑽孔路徑。此外，操作者可使用與在鑽孔操作期間所使用的同一個井下傳感器來建立所需的鑽孔路徑。
在步行所需的鑽孔路徑之後，所存儲的鑽孔路徑數據可上載至執行鑽孔計劃軟體以形成機器適用的鑽孔計劃的中央處理器或PC機。手持式單元也可設有執行鑽孔計劃軟體以形成機器適用的鑽孔計劃所必需的數據處理和顯示資源。鑽孔計劃軟體可使操作者在先前所採集的鑽孔路徑數據的基礎上進一步精修鑽孔計劃。操作者與鑽孔計劃軟體相互作用(這在下文中將更詳細地描述)，以便限定鑽孔路徑的深度、入口位置、出口位置、目標及鑽孔計劃的其它特點。
另一種操作模式涉及所謂的步行追蹤(walk-the-dog)方法，操作者用可攜式跟蹤單元在鑽孔工具上步行。該跟蹤單元設有可使操作者啟動所需的鑽孔工具操縱變化的操縱控制器。根據該實施例，鑽孔工具設有能使其接收自跟蹤單元發送的操縱指令、響應該操縱指令原地計算適當的操縱控制信號、並將該操縱指令發送至鑽孔機以進行所需的操縱變化的電子設備。鑑於此，所有的鑽孔工具操縱變化均可由在鑽孔工具上步行的下方區域的操作者、而不是由鑽孔機的操作者來進行。
根據又一種鑽孔機的操作模式，工具操縱途徑涉及在沿著鑽孔路徑的一地上目標處發送信號，要理解的是，該信號也可由一地下目標來發送。鑽孔工具檢測該目標信號，並原地計算必要的操縱指令，以使鑽孔工具對準目標信號。任何必要的操縱變化、諸如為避免地下障礙物或不理想的地質所需的偏離可由井下電子設備所產生的操縱指令來進行。鑽孔工具的電子設備計算出使鑽孔工具順利地繞過障礙物而到達目標信號所需要的操縱變化。當因安全或生產力的原因而須要改變鑽孔計劃時，鑽孔工具的電子設備可執行鑽孔計劃軟體以重新計算鑽孔計劃。
根據另一種操作模式，智能(smart)工具途徑涉及將鑽孔計劃下載至鑽孔工具的電子設備中。鑽孔工具的電子設備計算出要使鑽孔工具保持沿著預定的鑽孔路徑所需的所有的操縱變化。然而，操作者可通過經由跟蹤單元來終止鑽孔機的鑽探操作來超越當前執行的鑽孔計劃。然後，將新的或者換用的鑽孔計劃下載至鑽孔工具以供執行。
現在請參閱圖6，鑽孔計劃資料庫/軟體設備78可由中央處理器72訪問、或者可裝入到中央處理器72中，以便建立鑽孔計劃、存儲鑽孔計劃、並在鑽孔操作期間訪問鑽孔計劃。一名用戶、諸如鑽孔計劃設計者或者鑽孔機操作者可經由用戶界面84訪問鑽孔計劃資料庫78。在其中中央處理器72與位於鑽孔機外部的計算機、諸如個人電腦協同工作的一種結構中，用戶界面84通常包括用戶輸入裝置(例如，鍵盤，滑鼠等)和顯示器。在其中中央處理器72用於執行鑽孔計劃算法、或者與鑽孔計劃資料庫78相互作用的一種結構中，用戶界面84包括設置在鑽孔機上、或者作為中央處理器殼體的一部分的用戶輸入裝置和顯示器。
利用由中央處理器72所執行的鑽孔計劃軟體可有效且精確地設計、評定和修改鑽孔計劃。或者，可利用計算機系統獨立於鑽孔機開發鑽孔計劃，隨後將其上載至鑽孔計劃資料庫78以供中央處理器72執行和/或修改。一旦建立，存儲在鑽孔計劃資料庫78內的鑽孔計劃就可由中央處理器72訪問，以供在鑽孔操作期間使用。一般而言，鑽孔計劃可被設計成使鑽柱儘可能地短。鑽孔應保持離開地下公共事業管線一段安全的距離以避免碰撞。鑽探路徑應逐步轉向，以使鑽柱和將要安裝在鑽孔中的產品上的應力減至最小。鑽孔計劃還應考慮到所給定的公共事業管線是否需要一個最小的地面覆蓋範圍。
鑽孔計劃設計者可輸入各種類型的信息，以便限定一具體的鑽孔計劃。設計者最初構建所給定的鑽孔地點的總的地形圖。在此方面，該地形圖是指按照距離和高度值所構成的地表的二維圖像。或者，設計者也可最初構建所給定的鑽孔地點的總的三維地形。在此方面，地形是指地表的三維圖像。
通過輸入一系列二維點或者三維點來構建關注區域的地形。鑽孔計劃軟體在距離的基礎上分揀這些點，並將它們用直線連起來。同樣，每個地形點具有與其相關的唯一的距離。鑽孔計劃軟體利用最接近的兩個點之間的線性插值確定針對兩個地形點之間的任何距離的表面的高度。地形圖用於設定圖形顯示的範圍(例如，上下距離界限)。建立地形圖用於形成鑽孔地點的圖形圖像。
在建立地形圖之後，鑽孔計劃設計者選擇基準點，該基準點與相對於基準值(例如零)的距離、高度和左/右值相對應。然後，該設計者可選擇穿過基準點的基準線。該基準線一般沿著鑽孔的總的方向、水平且筆直建立。設計者還可輸入本地基準點和基準線的方向(bearing)的經度、緯度和高度，以便用於絕對地理位置的確定。一旦基準系統建立，設計者就能唯一地限定多個三維位置，以便限定鑽孔路徑，包括沿著基準線的正方向離開基準點的距離、位於基準線和基準點上方的高度以及沿著正距離方向的基準線的左右位置。通過輸入方位值和縱搖值也可唯一地指定方向，該方位值是指當從面向正距離方向觀察基準點時至基準線的左側的水平角度，縱搖值則是指位於基準線上方的垂直角度。
以地表為基準可限定諸如現存的公共事業管線、障礙物、水域等之類的物體。利用相對於地表的物體的深度值和物體的高度可指定這些點。鑽柱杆的特性、諸如最大曲率半徑和在倒擴孔操作期間要被拉過鑽孔的產品的特性、諸如公共事業管道可由設計者輸入或者從圖5中所示的產品結構資料庫102中獲得。在鑽孔路徑計劃過程中可考慮所給產品的尺寸、最大曲率半徑、材料組成及其它特性。例如，在倒擴孔操作期間被拉過鑽孔的產品的直徑將大於導孔的直徑，並且該產品將常常具有不同於與鑽柱杆相關的彎曲特性。這些及其它因素可能影響所給鑽孔的尺寸、結構及曲率，並且同樣被作為輸入數據輸入到鑽孔路徑計劃中。設計者還可輸入土壤/巖石成分以及與所給鑽孔地點相關的地球物理特性數據。可輸入涉及土壤/巖石的硬度、成分等的數據，隨後由鑽孔計劃軟體斟酌。
在輸入與所需的鑽孔路徑相關的所有可適用的物體之後，設計者輸入鑽孔路徑將通過的多個目標。這些目標具有由操作者所輸入的距離、左/右及深度值所限定的相關的三維位置。設計者可任意地輸入鑽孔路徑應經過的縱搖和/或方位值。該設計者還可通過輸入針對目的地目標的最大曲率半徑和最小曲率半徑的值向孔段分配曲率半徑特性。
利用由鑽孔計劃設計者所輸入的數據及其它可適用於所給鑽孔路徑計劃的存儲數據，中央處理器72利用在相隔預先設定的間距的步驟、諸如間隔25釐米的步驟上所確定的走向估算連接各目標對。在每個步驟上，中央處理器72計算鑽孔路徑應當採用的方向，以便鑽孔路徑在侵害任何預先建立的狀態的前提下通過下一個目標。於是，中央處理器72在數學上以增量方式構建鑽孔路徑，直到到達出口凹坑位置為止。倘若侵害了預先建立的狀態、諸如鑽杆的曲率半徑，則將出錯狀態傳達給設計者。然後，設計者可修改鑽孔計劃以使具體的預先建立的狀態得到滿足。
在另一種實施例中，可在鑽孔操作期間檢測到未知的障礙物時、或者在鑽孔通過使鑽孔工具的操縱和/或挖掘能力顯著下降的土壤/巖石時對預先建立的鑽孔計劃進行動態修改。在檢測到這些狀態中的任何之一時，中央處理器72試圖「飛速」計算出儘可能近地通過隨後的目標的「最恰當」的可供選擇的鑽孔路徑。將檢測到未標識或未知的障礙物的信息、以及正在計算的可供選擇的鑽孔計劃的信息傳達給設計者。倘若該可供選擇的鑽孔計劃被確定為有效的話，則鑽孔工具沿著新算得的可供選擇的鑽孔路徑不中斷地前進。倘若無法計算出有效的可供選擇的鑽孔路徑，則中央處理器72停止鑽孔操作，並將適當的警告信息傳達給設計者。
在鑽孔操作期間，如先前所述的那樣，存儲在鑽孔計劃資料庫78內的鑽孔計劃數據可由中央處理器72訪問，以便確定實際鑽孔路徑是否精確地跟蹤原定的鑽孔路徑。在檢測到原定與實際鑽孔路徑之間的偏離時，機器控制器74可進行實時走向修正。實際鑽孔工具的位置可被諸如顯示在圖4所示的實際鑽孔路線顯示器77上，以便與諸如顯示在圖4所示原定鑽孔路線顯示器79上的原定鑽孔工具的位置相比較。涉及實際鑽孔路徑的竣工數據可從自跟蹤單元、諸如自跟蹤單元83直接下載的數據人工或自動輸入。或者，涉及實際鑽孔路徑的竣工數據可在從設置在鑽孔工具81上的導航電子設備所接收的軌跡信息的基礎上進行構建。尤其適合於與本發明的實時中央處理器一起採用的鑽孔計劃設計方法在於1999年1月13日提交的、題為「鑽孔計劃系統和方法」的共同擁有的美國申請號60/115,880中有所描述，在此整個地援引該申請以作參考。
請繼續參閱圖5，系統100可具有一個或多個地球物理傳感器112，包括GPR成像單元、電容傳感器、聲音傳感器、超聲波傳感器、地震傳感器、電阻傳感器和電磁傳感器。根據一種實施例，在鑽孔操作之前或期間用地球物理傳感器112勘測鑽孔地點可用來產生表示經歷勘測的地面媒介的各種特性的數據。在勘測期間由地球物理傳感器112所採集的地面特性數據可由中央處理器72處理，而修改鑽孔機的活動，以使所給定的鑽孔地點處的土壤/巖石的地球物理組成鑽孔工具的生產力最優化。
中央處理器72接收來自提供針對具體鑽孔地點的地質的物理特性的多個地球物理設備的數據。這些地球物理設備可設置在鑽孔機上、設置在與鑽孔機相分離的一個或多個設備組件中、或者設置在鑽孔工具81內、上或附近。例如，地震繪製設備表現為由多個地球物理壓力傳感器所組成的電子裝置。這些傳感器的網絡可相對於鑽孔機沿指定取向排列，其中每個傳感器處於可與地面直接接觸。該傳感器網絡測量由鑽孔工具81或某些其它的聲源所產生的地面壓力波。分析由傳感器網絡所接收的地面壓力波提供了用於確定鑽孔地點處的地下物理特性以及用於定位鑽孔工具81的基礎。這些數據由中央處理器72進行處理。
點負載測試器表現為可用於確定鑽孔地點處的地下物理特性的另一種類型的地球物理傳感器112。該點負載測試器使用用於負載點的多個錐形頭，這些錐形頭依次與地面相接觸，以便測試一具體地下可抵抗的負載的校準幅度。由點負載測試器所採集的數據提供了與所測試的土壤/巖石的地球物理力學(mechanics)相對應的信息。這些數據也可發送至中央處理器72。
另一種類型的地球物理傳感器112稱之為施密特(Schmidt)錘，該錘系一種可測量所採樣的地下地質的肖氏硬度特性的地球物理設備。其它的地球物理設備112還可用於測量巖石質量的相對能量吸收特性、研磨性、巖石體積、巖石品質及其它一同提供關於與鑽孔通過所給地質相關的相對困難的信息的物理特性。由施密特錘所採集的數據也可由中央處理器72接收和處理。
如圖5和7所示，機器控制器74與中央處理器72相耦合，並響應從中央處理器72所接收的控制信號來改變鑽孔機的操作。或者，機器控制器的部分或全部功能可與中央處理器72一體化並且/或者由中央處理器來執行。從圖7中可清楚地看到，機器控制器74控制在鑽孔操作期間使鑽柱旋轉的旋轉泵或電動機146(下文中稱之為旋轉泵)。該機器控制器74還在杆自動擰入到鑽柱的過程中控制旋轉泵146。管道裝載控制器141可用於在杆擰入和旋出操作期間控制自動杆裝載設備。機器控制器74還控制推進/回拉泵或電動機144(下文中稱之為推進/回拉泵)。該機器控制器74在鑽孔和倒擴孔操作期間控制推進/回拉泵144，以便緩和鑽孔工具的前向和反向位移。
圖8中所示的推進/回拉泵144驅動沿著前向或反向軸向方向向管段180施加軸向力的液壓缸154或者液壓馬達。推進/回拉泵144在將管段180推入到地面中以形成一鑽孔時和當在管段180上回拉以便在倒擴孔操作期間將該管段180從鑽孔中取出時提供不同大小的受控力。驅動旋轉電動機164的旋轉泵146向管段180提供不同幅度的受控旋轉，用以在使鑽孔機以鑽探操作模式運行時將管段180推入到鑽孔中，並且在使鑽孔機以倒擴孔模式運行時將管段180從鑽孔中取出時使管段180旋轉。傳感器152和162分別監視推進/回拉泵144和旋轉泵146的壓力。
當管段擰入到鑽柱180上時，機器控制器74還諸如通過使用在共同轉讓的美國專利5,556,253號中所描述的自動杆裝載設備來控制旋轉泵的運動，在此整個地援引該專利以作參考。一引擎或馬達(未圖示)一般採用壓力形式向推進/回拉泵144和旋轉泵146提供功率，當然也可用分離的引擎或馬達來給各個泵144和146提供功率。
根據用於利用閉環實時控制方法來控制鑽孔機的本發明的一種實施例，通過適當地控制旋轉泵146和推進/回拉泵144的相應的輸出級可使總的鑽孔效率最優化。在動態變化鑽孔狀態的情況下，閉環控制推進/回拉泵144和旋轉泵146較人工控制方法可顯著地提高鑽孔效率。在被供以流體靜壓功率的鑽孔機、或者由比例閥控制的齒輪泵或電動機供以功率的鑽孔機的範圍中，提高鑽孔效率可通過如下方法來實現使鑽孔工具181以所選用的速率旋轉，監視旋轉泵146的壓力，以及相對於地下路徑軸向改變鑽孔工具的移動速率又使鑽孔工具181以所選用的輸出級旋轉、以便補償旋轉泵146的壓力中的變化。傳感器152和162分別監視推進/拉回泵144和旋轉泵146的壓力。
根據一種操作模式，操作者將旋轉泵控制最初設定至所估計的鑽孔操作期間的最優旋轉設定，並修改推進/回拉泵控制的設定，以便改變當鑽探或倒擴孔時鑽孔工具181沿著地下路徑移動時的總速率。在鑽探或倒擴孔期間鑽孔工具181沿著地下路徑移動時的速率通常隨著土壤/巖石狀況、鑽探管180的長度、流過鑽柱180和鑽孔工具181的液流及其它因素的變化而變化。此類移動速率中的變化通常會引起旋轉泵和推進/回拉泵的壓力中的相應變化以及引擎/馬達的負載中的變化。雖然，旋轉泵和推進/回拉泵的控制允許操作者在整個尺度(scale)範圍內改變推進/回拉泵144和旋轉泵146的輸出，本技術領域中的那些熟練技術人員應意識到的是，即使是一名極其熟練的操作者也無法在土壤/巖石和負載狀況連續變化的情況下迅速且最優地改變鑽孔工具的生產力。
在將旋轉泵控制最初設定為用於當前鑽孔狀態的所估計的最優旋轉設定之後，操作者通過改變推進/回拉泵控制的設定來控制鑽孔工具181沿著地下路徑移動的總速率。在鑽探或回拉操作期間，旋轉泵傳感器161監視旋轉泵146的壓力，並將旋轉泵的壓力信息傳輸至機器控制器74。或者，旋轉泵傳感器162也可將旋轉電動機的轉速信息傳輸至其結構採用旋轉電動機而不是泵的機器控制器74。鑽探或倒擴眼期間鑽孔工具的負載過大通常會引起旋轉泵的壓力增大或旋轉電動機的轉速減小。
響應過大的旋轉泵壓力、或者轉速過度下降，機器控制器74將一控制信號傳輸至推進/回拉泵144，由此引起該推進/回拉泵的壓力下降，從而減小鑽孔工具沿著地下路徑的移動速率。鑽孔工具的移動力的減小降低了鑽孔工具181上的負載，同時允許旋轉泵146以最優的輸出級或者由操作者所選用的其它輸出級運行。
要理解的是，機器控制器74可在其它參數、諸如經由旋轉泵146施加給鑽柱的轉矩的基礎上使鑽孔工具的生產力最優化。例如，操作者可針對具體的鑽孔操作選用所需的旋轉和推進/回拉輸出。機器控制器74監視在齒輪箱處施加給鑽柱的轉矩，並改變旋轉泵146和推進/回拉泵144的其中之一或者兩者，以使鑽柱的轉矩不會超出預先設定的極限。
當機器控制器74控制鑽孔操作時，它還能檢測並解決鑽柱的彎曲現象。鑽柱彎曲通常發生在鬆軟的土壤中，它與齒輪箱的移動和同時存在的鑽孔工具的縱向移動相關聯。齒輪箱明顯的移動以及測得鑽孔工具未明顯縱向移動可表示發生了不理想的鑽柱彎曲。機器控制器74可監視齒輪箱的移動和鑽孔工具的縱向移動，以便對鑽柱彎曲進行檢測並修正。
機器控制器74還緩和倒擴孔操作中的回拉力，以避免正被回拉通過鑽孔的安裝產品遭受過度的應力。在倒擴孔器與安裝產品之間可設置應變或力測量裝置，以便測量安裝產品所經受的回拉力。應變/力傳感器也可位於產品自身上。機器控制器74可改變推進/回拉泵144的操作，以確保如由應變/力傳感器所表示的實際產品應力的大小不會超出預先設定的閾值。
機器控制器74還可控制旋轉泵146在前向和反向(例如，順時針和逆時針)方向中的壓力。當鑽探通過土壤或巖石時，機器控制器74控制旋轉泵的壓力，以便在切割和操縱操作期間使鑽柱/鑽孔工具沿第一方向可控制地旋轉。該機器控制器74還控制旋轉泵的壓力，以便使鑽柱沿第二方向可控制地旋轉，從而防止鑽柱鬆脫。當用巖石鑽頭進行切割而需要縱擺動作以提高生產力時，防止鑽柱鬆脫是尤為重要的。
另一種系統能力涉及檢測公共事業管線/障礙物的戳穿或穿透事件。與撞擊公共事業管線之前或之後所經受的泵壓相比較，當鑽孔工具穿過公共事業管線時，推進和/或旋轉泵的壓力會明顯下降。倘若檢測到推進和/或旋轉泵的壓力明顯下降，則機器控制器74可停止鑽探操作，並警告操作者可能的公共事業管線的接觸事件。機器控制器74可進一步監視推進和/或旋轉泵的壓力的、其後跟隨著推進和/或旋轉泵的壓降的壓力峰值(spike)，這也可表示發生了公共事業管線的接觸事件。
與中央處理器72協配的機器控制器74的高速響應能力可用於實時自動緩和鑽孔機在不同的負載狀態下的操作，它可提供最優的鑽孔效率，減小鑽孔工具181、鑽柱180和鑽孔機的諸泵和電動機上有害的磨損和破裂，並通過響應土壤/巖石和負載狀態中細微及顯著的變化來自動改變鑽孔機的操作而減少操作者的疲勞。一種可適用於與本發明的原理一致的閉環控制途徑的、用於控制鑽孔工具的移動和旋轉的示範方法在共同轉讓的美國專利5,746,278號中有所描述，在此整個地援引該專利以供參考。
請繼續參閱圖8，振動傳感器150、160可分別與推進/回拉泵144和旋轉泵146相耦合，用以監視通常發生在操作期間的泵的振幅。其它的振動傳感器(未圖示)可安裝在底盤或其它結構上，用以檢測鑽孔系統底盤的移動或旋轉、或者鑽孔操作期間底盤的高幅振動。熟練的鑽孔機操作者應意識到的是，泵/電動機/底盤振動是當人工控制鑽孔時常常考慮的有用的傳感器輸入。
如由操作者所感覺到的泵/底盤的振幅中的變化通常表示諸如當鑽孔工具穿過圓石時泵負載或壓力中的變化。迄今在傳統的控制方案中被忽略的泵/電動機/底盤振動利用泵振動傳感器150、160和一個或多個底盤振動傳感器進行監視，被轉換成相應的電信號，並被傳輸至相應的推進/回拉控制器124和旋轉控制器126。被轉換的泵/底盤振動數據可被發送至機器控制器74，並用於調節推進/回拉泵144和旋轉泵146的輸出。
例如，利用分別針對相應地安裝在所給鑽孔機底盤上的推進/回拉泵144和旋轉泵146的實驗裝置可建立振動閾值。由於鑽孔機底盤會影響操作期間推進/回拉泵144和旋轉泵146的振動特性，因而振動閾值通常是用安裝在鑽孔機上的相應的泵144、146建立的。振動閾值通常表示被認為對所給的泵有害的振幅。由此，可建立用於各推進/回拉泵144和旋轉泵146、以及另外鑽孔機引擎和底盤(倘若需要的話)的振動數據的基線設定。
倘若在鑽孔活動期間，由振動傳感器150、160或底盤振動傳感器所監視的振幅超出所給的振動閾值，則機器控制器74可調節推進/回拉泵144和旋轉泵146的輸出的其中之一或兩者，直到不再超過適用的振動閾值為止。由此，機器控制器74可進行閉環振動感應和推進/回拉及旋轉泵的輸出補償，以避免使推進/回拉泵144和旋轉泵146受力過大而受損。可執行類似的控制途徑來對泥漿泵和引擎過高的振幅進行補償。可採用各種已知類型的振動傳感器/換能器，包括例如單個或多個加速計。
根據另一種實施例，可建立用於各推進/回拉泵144和旋轉泵146的聲音輪廓(profile)。這方面的聲音輪廓體現了所給的泵或馬達在正常運作或者異常運作時的聲音特性。用於所給的鑽孔機元件的聲音輪廓通常是以經驗為主進行開發的。
在鑽孔機操作期間，所給的泵或馬達的聲音取樣是定期進行的。然後，所取樣的用於所給的泵或馬達的聲音數據可與其對應的聲音輪廓進行對照。用於具體泵或馬達的聲音取樣與輪廓之間的顯著差異可表示該泵/馬達的潛在的問題。在一種可供選擇的實施例中，聲音輪廓可體現有缺陷的泵或馬達的聲音特性。倘若所取樣的用於所給的泵/馬達的聲音數據看起來類似於有缺陷的聲音輪廓，則應識別並隨後評價有潛在缺陷的泵/馬達。當使用本發明的聲音輪廓/取樣方法時，可採用多種已知的模擬信號處理技術、數位訊號處理技術、以及/或者圖形識別技術來檢測可疑的泵、馬達或其它系統元件。
該聲音輪廓和取樣技術可用於評價各種鑽孔機/鑽孔工具元件的運行狀態。例如，所給的鑽孔工具在適當運行時可呈現特有的聲音輪廓。在挖掘期間採用鑽孔工具在形狀、尺寸、質量和慣性矩方面、以及影響鑽孔工具的聲音特性的其它物理方面改變鑽孔工具。由此，磨損或受損的鑽孔工具或者該工具的元件將呈現出不同於新的或未受損的鑽孔工具/元件的聲音輪廓。在鑽孔操作期間，可通常利用擴音或壓電裝置來取樣鑽孔工具的聲音。然後，所取樣的聲音數據可與為所給的鑽孔工具所開發的聲音輪廓數據相對照。該聲音輪廓數據可表示鑽孔工具處於正常狀態或者有缺陷的狀態。
以類似的方式，所給元件的頻率特性也可用作為用於判斷該所給元件的狀態的基礎。例如，可獲得並評價切割頭的頻譜。由於切割頭的頻率響應在磨損期間發生變化，因而通過將切割頭所取樣的頻譜與其正常或異常頻率輪廓相比較可確定切割頭的磨損量和總的狀態。
機器控制器74在鑽孔操作期間還響應從中央處理器所接收的控制信號來控制鑽孔工具181的方向。機器控制器74利用一種操縱技術或者多種技術的組合來控制鑽孔工具的方向。根據一種操縱途徑，鑽孔工具181的取向170是由機器控制器74來確定的。鑽孔工具181轉動到所選位置上，並且鑽孔工具181的內部或外部致動器被致動，以使鑽孔工具181沿所需方向推進。
例如，流體可通過鑽柱180輸送，並被輸送至鑽孔工具181的內部致動器，諸如相對於鑽柱180的縱軸橫過或基本不平行地安裝在鑽孔工具181中的可移動的部件。機器控制器74控制輸送到鑽孔工具181內的可動件上的流體衝擊，以便進行所需的橫向移動。在另一種實施例中，諸如板或活塞之類的一個或多個外部致動器可由機器控制器74致動，以便對著鑽孔的側面施加力，由此使鑽孔工具181沿著所需的方向移動。
根據圖10中所示的實施例，鑽孔工具181的被改進的方向操縱一部分是通過控制操縱板223的偏軸角θ來進行的。該操縱板223可採用在工業中通常被稱之為鴨嘴或可調板的結構或者其它可自鑽孔工具181的本體延伸的部件的形式。在通過動態控制操縱板223的移動而使鑽孔工具的方向發生變化之前或期間，操縱控制器116可調鑽孔工具的操縱變化的幅度，並由此調節鑽柱的曲率。
例如，將操縱板223相對於鑽孔工具181的縱軸221移向一角度取向θ2會引起偏軸的鑽孔工具的移動速率減小和鑽柱的曲率相應地減小。將操縱板223相對於縱軸221移向角度取向θ1會引起偏軸的鑽孔工具的移動速率增加和縱軸的曲率相應地增加。操縱板223可根據偏軸角θ進行調節，並可通過與偏軸角θ正交的角根據位移來進一步調節。例如，可動支承件232可在與對操縱板223的偏軸角θ的受控變化相分離或相結合的前提下繞與鑽孔工具181的縱軸221不平行的一軸線旋轉。
根據另一種實施例，鑽孔工具22的操縱可通過使用設置在鑽孔工具181上的一個或多個流體噴射器來進行或提高。圖9中所示的鑽孔工具的實施例包含有兩個流體噴射器224、225，這兩個流體噴射器可根據噴嘴的噴射方向、噴口的尺寸、流體的輸送壓力和流體的流率/體積來進行控制。例如，流體噴射器224可由操縱控制器116來控制，以便將加壓的射流沿所需的方向、諸如方向D1-1、D1-2或D1-3進行輸送。與流體噴射器224相分離或者相結合的流體噴射器254也可被控制，以便將加壓的射流沿所需的方向、諸如D2-1、D2-2或D2-3進行輸送。機器控制器74還可調噴口的尺寸，這樣有助於緩和通過噴嘴224、225進行輸送的流體的壓力和流率/調節。
機器控制器74也可動態調節鑽孔工具181的物理結構，以便改變鑽孔工具的操縱和/或生產力特性。圖11中所示的鑽孔工具殼體的部分240具有可處於鑽孔工具181上的所需位置上的兩個切削頭244、254，要理解的是，也可採用兩個以上或者兩個以下的切削頭。每個切削頭244、254可根據相對於鑽孔工具的殼體表面240的移動高度和/或角度來進行調節。這兩個切削頭244、254還可旋轉，以便將切削頭的特殊表面(例如，未磨損部分)暴露給要被挖掘的土壤/巖石。切削頭致動器248、258響應液壓、機械或電氣控制信號，以便在鑽孔操作期間動態調節切削頭244、254的位置和/或取向。機器控制器74可控制切削頭244、254的移動，以便提高鑽孔工具的生產力、操縱性或者改善切削頭244、254的耐磨特性。
機器控制器74還可通過利用設置在鑽孔工具181內的感應設備來獲得切削頭的磨損數據。在圖12所示的實施例中，切削頭262包括位於該切削頭262中不同高度上的多個一體式傳感器264。當切削頭262在使用期間磨損時，最上層的傳感器264被暴露出來。檢測器266檢測到傳感器264的暴露狀態而將一相應的切削頭狀態信號發送至機器控制器74。當切削頭262經受進一步磨損時，中間的磨損傳感器264」被暴露出來，從而使檢測器266將一相應的切削頭狀態信號傳輸至機器控制器74。當最底層的傳感器264』由於切削頭262的持續磨損而暴露出來時，檢測器266將一相應的切削頭狀態信號傳輸至機器控制器74，此時一表示檢測到切削頭262被過度磨損的警告信號由機器控制器74發送至中央處理器72，並最終傳達給操作者。磨損傳感器264可構成相應的絕緣體，其中當絕緣體被逐漸磨損時，橫過的電壓或者從中流過的電流發生變化。檢測器266檢測到此類電壓和/或電流中的變化。
設置在鑽孔工具181上的每個切削頭262可設有單個磨損傳感器或多個磨損傳感器264。與各個切削頭262相關聯的檢測器266可發送一標識具體的切削頭及其相關的磨損數據的唯一的切削頭狀態信號。在為獨個切削頭262設置多個磨損傳感器264的情況中，與各個切削頭262相關的檢測器266發送一標識受影響的切削頭和與磨損數據相關聯的磨損傳感器的唯一的切削頭狀態信號。這個數據可為機器控制器74所用，以便在所給的鑽孔操作中改變鑽孔工具181的結構、取向和/或生產力。
現在請參閱圖13，圖中示出了一種用於控制在鑽孔操作期間諸如水、泥漿、泡沫、空氣或其它流體組合物之類的流體輸送至鑽孔工具181(為清楚起見，此類流體在本文中被總稱為泥漿)的控制系統的框圖。根據該實施例，機器控制器74控制經鑽柱180供給至鑽孔工具181的泥漿的輸送、粘度和成分。泥漿槽201構成在由泥漿泵200所提供的壓力下供給至鑽柱180的蓄漿池。泥漿泵200接收來自機器控制器74的控制信號，該機器控制器響應該信號改變被輸送通過鑽柱180的泥漿的壓力和/或流率。
泥漿泵200的自動閉環控制是通過機器控制器74與上述感應鑽孔工具和鑽孔機的生產力的各種傳感器協同工作所提供的。泥漿被泵送通過鑽探管180和鑽孔工具181或倒擴孔器(未圖示)，以便在相應的鑽探和擴孔操作中流入到鑽孔中。流體從鑽孔工具181中流出，向上流過鑽孔後出現在地面上。流體的流動將切屑及其它碎片從鑽孔工具181或擴孔器中衝走，從而允許鑽孔工具181或擴孔器在不受此類碎片阻礙的情況下操作。流體由泥漿泵200泵送到鑽孔中的速率通常由包括鑽孔機的鑽探速率和鑽孔工具181或擴孔器的直徑在內的多個因素來決定。倘若鑽孔工具181或擴孔器以較高的速率轉移過地層，則例如機器控制器74通常響應從中央處理器72所接收的控制信號而向泥漿泵200發送一信號，以便增加由泥漿泵200所分配的流體的體積。
要理解的是，本文中所述的各種計算、功能和控制均可由機器控制器74、中央處理器72或者兩個控制器74和72的組合來執行。還要理解的是，本文中所述的由機器控制器74所執行的操作一概可由中央處理器72單獨或者與一個或多個其它的本地或遠距離處理器相協配地來執行。
機器控制器74和/或中央處理器72通過監視鑽孔工具或倒擴孔器的移動速率、並計算由這種移動所形成的物質去除率可使將泥漿分配到鑽孔中的過程最優化。例如，通過將鑽孔工具181的移動速率乘上由鑽孔工具181在前進通過地層時所形成的鑽孔的橫截面積可估算出在每單位時間內從鑽孔中去除物質的速率(以體積計算)。機器控制器74或中央處理器72計算物質從鑽孔中去除的估算速率和與計算出的物質去除率相適應的、通過泥漿泵200進行分配的流體的估算流率。中央處理器72還可將從上述計算值中所獲得的體積乘上由操作者針對當前土壤層中的土壤/巖石所選用的泥漿體積—鑽孔體積的比率。這也可在接收到來自GPR和/或其它傳感器的土壤/巖石數據時自動執行。例如，砂質土壤可能需要泥漿—鑽孔體積的比率為5，其中泵送到鑽孔中的泥漿數量是鑽孔體積的5倍。
流體分配傳感器(未圖示)檢測流體通過泥漿泵200時的實際流率，並將該實際流率信息發送至機器控制器74或中央處理器72。然後，機器控制器74或中央處理器72將計算出的流體流率與該實際流體流率相比較。響應兩者之間的差異，機器控制器74或中央處理器72修改發送至泥漿泵200的控制信號，以使實際和計算出的流率平衡在一可接受的公差範圍之中。
機器控制器74或中央處理器72還可使供倒擴孔操作用的、將流體分配到鑽孔中的過程最優化。通過將鑽孔工具181的移動速率乘上正由擴孔器去除的物質的橫截面積可估算出在每單位時間內倒擴孔操作中物質的去除率(以體積計算)。通過從在先前的鑽探操作中由鑽孔工具181所形成的鑽孔的橫截面積中減去由前進通過地面的擴孔器所形成的擴孔的橫截面積可估算被去除的物質的橫截面積。
在與所述的有關鑽探操作相類似的一種工藝中，機器控制器74和中央處理器72計算物質從擴孔中去除的估算速率和與計算出的物質去除率相適應的、通過流體分配泵58進行分配的流體的估算流率。流體分配傳感器檢測流體通過泥漿泵200時的實際流率，並將該實際流率信息發送至機器控制器74或中央處理器72，然後，機器控制器或中央處理器將計算出的流體流率與實際流體流率相比較。響應兩者之間的差異，機器控制器74或中央處理器72修改發送至泥漿泵200的控制信號，以使實際和計算出的流率平衡在一可接受的公差範圍之中。
根據另一種實施例，機器控制器74或中央處理器72可被編製程序，以便檢測由圖8中所示的傳感器152和162分別檢測的推進/回拉泵的高壓和旋轉泵的低壓的同步狀態。在這些狀態下，增加了鑽孔工具181容易被卡在鑽孔中的可能性。當由傳感器152檢測到的推進/回拉泵的壓力超出第一預定值時、以及當由傳感器162檢測到的旋轉泵146的壓力超出第二預定值時，可檢測到這種異常狀態。在同時檢測到這些壓力狀態時，機器控制器74或中央處理器72可通過向泥漿泵200發送一適當的信號來增加泥漿的流率，由此防止鑽孔工具181被卡住。或者，機器控制器74或中央處理器72可被編製程序，以便當如以上述方式確定推進/回拉泵的高壓和旋轉泵的低壓狀態同時存在時，減小鑽孔工具181的移動速率。
如圖13進一步所示，機器控制器74還可控制輸送到鑽孔工具181中的流體的粘度。該機器控制器74將控制信號傳輸至泥漿粘度控制器202以改變泥漿的粘度。泥漿粘度控制器202調節從流體源203所接收的、諸如水之類的稀薄流體的流動。流體源203可為諸如市政供水之類的水源，或者水槽或其它固定或移動的流體源。通過增加包含在泥漿槽201中的稀薄流體的相對體積可減小容納在泥漿槽201中的泥漿的粘度。在這種情況中，機器控制器74向泥漿粘度控制器202發送一控制信號，以便增加輸送至泥漿槽201的稀薄流體的體積，直到獲得所需的粘度為止。
通過增加包含在泥漿槽201中的固體的相對體積可增加容納在泥漿槽201中的泥漿的粘度。機器控制器74控制將固體或漿料添加物注入到泥漿槽201中的添加物泵/注射器206。在一種實施例中，泥漿槽201的內容物通過泥漿粘度控制器202和添加物泵/注射器206循環，以便在泥漿變化過程中稀薄流體和/或固體添加物可有選擇地混入到循環著的泥漿混合物中，從而實現所需的泥漿粘度和組成。
根據另一種實施例，並請繼續參閱圖13，通過有選擇地在泥漿槽的內容物中混入一種或多種添加物可改變容納在泥漿槽201中、且被輸送至鑽孔工具181的泥漿的組成。要理解的是，在多個挖掘地點之間以及在一個挖掘地點的多個位置之間的土壤/巖石特性會完全不同。可能較理想的是，使輸送至鑽孔工具181的泥漿的成分與具體鑽孔地點或者該鑽孔地點的具體位置處的土壤/巖石狀態相適應。諸如粉末之類的多種不同的泥漿添加物可有選擇地從相應數量的泥漿添加物單元208、210、212注入到泥漿槽201中。
在以上述方式(例如，利用GPR成像或其它地球物理感應技術)人工或自動確定土壤或巖石的特性時，機器控制器74控制添加物泵/注射器206，以便從泥漿添加物單元208、210、212的其中一個或多個中選擇並輸送適當的泥漿添加物。由於土壤/巖石的特性在鑽孔操作期間可能會有所變化，因而泥漿添加物控制器可向泥漿槽201或者位於泥漿槽201下遊的輸入口相適應地輸送適當的泥漿添加物，以便加強鑽孔操作。
流出鑽孔的泥漿存在與否也可用作為可由機器控制器74所評定的控制系統輸入。返回泥漿檢測器205可位於入口凹坑位置，並用於確定出自鑽孔的返回泥漿/切屑的體積和成分。一溢流閥可放置在入口凹坑附近，並較佳地位於一被掘開的部分中，以便流出鑽孔的泥漿的一部分可溢出到該溢流閥中。返回泥漿檢測器205可用於檢測鑽孔操作期間溢流閥中是否存在泥漿。土壤溢流閥中未檢測到泥漿，則機器控制器74增加引入到鑽孔中的泥漿的體積。
利用流量計和鑽孔的橫截面尺寸也可估計泥漿的體積。倘若返回泥漿的體積小於所需體積，則機器控制器74可增加引入到鑽孔中的泥漿的體積，直到獲得所需的返回泥漿的體積為止。還可對出自鑽孔的切屑進行分析，該分析結果可用作為鑽孔控制系統的輸入。例如，光傳感器可位於鑽孔的入口凹坑位置上，以便分析切屑的大小。出自鑽孔的切屑的大小可用作為用於判斷鑽孔工具是否正在所給的土壤/巖石類型中運行的一個因素。還可分析返回切屑的其它特性。
現在請參閱圖14，圖中示出了通過根據本發明的一種實施例的閉環實時鑽孔控制系統的感應方向和控制信號的框圖。根據該實施例，中央處理器72接收來自設置在鑽孔工具181的井下傳感器單元189內的各種傳感器和設置在鑽孔機泵、發動機和電動機上的各種傳感器的多個輸入。中央處理器72還接收來自鑽孔計劃軟體和資料庫設備78、地理基準單元76、地球物理傳感器112和用戶界面184的數據。利用這些數據和信號輸入，中央處理器72使鑽孔機/鑽孔工具在沿著原定鑽孔路徑進行挖掘時的生產力最優化，倘若必要的話，還計算出另一種可供選擇的飛速鑽孔計劃，以便將鑽柱/鑽孔工具/鑽孔機的應力減至最小，同時避免與被埋設的危險物、障礙物和不理想的地質相接觸。
例如，中央處理器72在檢測到鑽孔工具操縱行為中的明顯變化時可修改所給的原定鑽孔計劃。可操縱因素可被規定為所給的原定鑽孔路徑。可操縱因素是鑽孔工具在所給地質中如何迅速改變方向(即，操縱)的標誌，並可按照當鑽孔工具縱向移動時鑽孔工具的縱搖或平搖的變化率來表達。倘若土壤/巖石的可操縱因素表明實際鑽柱曲率將要比原定曲率平坦、這通常會引起較小的鑽柱應力，則中央處理器72可相應地修改原定鑽孔路徑，以便可鑽探通過關鍵的地下目標。
如圖14所示，中央處理器72接收來自可包括一個或多個地球物理傳感器198、加速計197、磁強計196和一個或多個環境傳感器195的鑽孔工具井下傳感器單元189的各種傳感器的輸入信號。這些傳感器輸入信號較佳地由中央處理器72實時採集。中央處理器72還接收來自推進/回拉泵壓力傳感器152和振動傳感器150、旋轉泵壓力傳感器162和振動傳感器160、泥漿泵壓力傳感器165和振動傳感器163以及可安裝在鑽孔機結構/底盤上的其它振動傳感器的輸入信號。中央處理器72還接收由發動機傳感器167所產生的輸入信號。中央處理器72還經由用戶界面184接收用戶輸入的指令。中央處理器72還接收來自一個或多個自動杆裝載傳感器168的輸入數據。
響應這些輸入信號、操作者的輸入信號，並根據所選用的鑽孔計劃，中央處理器72控制鑽孔機的操作，以便沿著原定鑽孔路徑儘可能高效地形成所需的鑽孔。例如在控制推進/回拉泵144的過程中，中央處理器72產生代表所請求的推進/回拉泵輸出級(即，壓力)的初級控制信號SA。響應由中央處理器72所接收的各種鑽孔工具和鑽孔機的傳感器輸入信號，該初級控制信號SA可由補償信號SB修改。
通過由信號加法器S1所執行的信號求和操作來描繪利用補償信號SB來修改初級控制信號SA的過程。在信號加法器S1的輸出處產生推進/回拉泵控制信號CS1。該推進/回拉泵控制信號CS1被施加至推進/回拉泵144，以使推進/回拉泵的輸出發生變化。要注意的是，取決於中央處理器72在所給瞬間所評估的傳感器輸入和鑽孔計劃數據，補償信號SB可顯著地影響或不影響初級控制信號SA。
中央處理器72還產生代表所請求的旋轉泵輸出級的初步控制信號SC，響應由中央處理器72所接收的各種鑽孔工具和鑽孔機的傳感器輸入信號，該信號可由補償信號SD修改。在信號加法器S2的輸出處產生旋轉泵控制信號CS2，並將該信號施加至旋轉泵146，以使旋轉泵的輸出發生變化。
類似地，中央處理器72產生代表所請求的泥漿泵輸出級的初步控制信號SE，響應由中央處理器72所接收的各種鑽孔工具和鑽孔機的傳感器輸入信號，該信號可由補償信號SF修改。在信號加法器S3的輸出處產生泥漿泵控制信號CS3，並將該信號施加至泥漿泵200，以使泥漿泵的輸出發生變化。
中央處理器72還產生代表所請求的鑽孔機發動機輸出級的初步控制信號SG，響應由中央處理器72所接收的各種鑽孔工具和鑽孔機的傳感器輸入信號，該信號可由補償信號SH修改。在信號加法器S4的輸出處產生發動機控制信號CS4，並將該信號施加至發動機169，以使發動機性能發生變化。
根據本發明的另一種實施例，並請參閱圖15-17，一遙控單元向操作者提供控制鑽孔系統的全部或部分功能和活動的能力。根據該實施例，操作者利用如圖16所示實施例的可攜式控制單元來啟動鑽孔機和鑽孔工具指令。請參閱圖15A，圖中示出了表示遙控單元304與水平方向鑽探(HDD)機302之間各種信號的流動的框圖。根據這種不算複雜的執行的系統結構，該鑽孔工具181系一種傳統設計，它包含有用於發送探針信號的發送器308。該發送器308或者也可被構成為除發送探針信號之外還用於接收來自遙控單元304的收發器。
在一種實施例中，遙控單元304具有相當於那些由傳統定位器所提供的標準特點和功能。該遙控單元304還包含有收發器306和與該收發器306協同工作、用以向HDD 302發送鑽孔和操縱指令312的各種控制器。該遙控單元304可包含有圖16中所示的全部或部分控制器和顯示器(這在下文中將更詳細地描述)。HDD 302包含有用於接收來自遙控單元304的鑽孔/操縱指令312、並用於將HDD狀態信息310發送至遙控單元304的收發器(未圖示)。HDD狀態信息通常被顯示在設置在遙控單元304上的顯示器上。HDD 302裝有中央處理器和相關界面，以便響應從遙控單元304所接收的控制信號使鑽孔和操縱發生變化。
圖15B示出了一種可向操作者提供與設置在鑽孔工具181中或貼近其設置的井下電子設備通信的能力的較複雜的系統結構。根據一種系統結構，遙控單元324具有相當於那些由傳統定位器所提供的標準特點和功能。除此之外，遙控單元324包含有發送和接收電磁(EM)信號的收發器326。遙控單元324的收發器326向井下電子設備發送鑽孔和操縱指令333，這些指令由鑽孔工具181的收發器328所接收。
井下電子設備處理鑽孔和操縱指令，並響應地將這些指令傳輸至HDD 322，以使鑽孔和操縱發生變化。在一種實施例中，鑽孔工具電子設備將從遙控單元324所接收的鑽孔/操縱指令基本沒有變化地轉發至HDD 322。在另一種實施例中，井下電子設備處理鑽孔/操縱指令，並響應地產生使鑽孔機/鑽孔工具操作發生必要變化的HDD控制信號。
鑽孔工具指令可從鑽孔工具181經由有線331或無線通信鏈路330、332傳輸至HDD 322。無線通信鏈路330、332可經由遙控單元324或其它收發裝置來建立。HDD 322將HDD狀態信息經由有線通信鏈路336、338或無線通信鏈路334傳輸至遙控單元324。要理解的是，經由鑽柱所建立的通信鏈路可裝有一實際線路、但也可利用諸如本文中所述的以及本技術領域中已知的其它發送裝置來進行。
圖15B所示實施例的一種變化形式提供了上述功能，除此之外，還提供動態修改從遙控單元324所接收的鑽孔工具操縱指令的能力。由鑽孔工具181的井下傳感器單元所採集和產生的數據可由井下電子設備處理，並用於修改從遙控單元324所接收的鑽孔/操縱指令。例如，除旋轉泵指令之外，井下電子設備可響應從遙控單元324所接收的鑽孔/操縱指令333和從各種導航和地球物理傳感器中所獲得的其它數據來產生或改變泥漿泵和推進/回拉泵指令。井下電子設備還可產生改變鑽孔工具的各種操縱機制、諸如流體噴射方向和噴口尺寸、操縱板/鴨嘴板的迎角(attack angle)、鑽頭的連接角度和/或方向、鑽頭的高度和角度等本地控制信號。
再例如，一種工具內(in-tool)或地上GPR單元可檢測位於鑽孔工具前方幾英尺的障礙物的存在。代表所測得的障礙物的GPR數據通常在遙控單元324的顯示器上顯示給操作者。操作者可向鑽孔工具181發出用於避開該障礙物的操縱指令。井下電子設備可響應該操縱指令在各種數據的基礎上進一步修改操作者發出的操縱指令，以確保避開該障礙物。例如，操作者可能發出可避開障礙物、但卻不在所需的安全範圍(例如，2英尺)內的操縱指令。在這種情況下，井下電子設備可修改操作者發出的操縱指令，從而可以一種滿足與具體障礙物相關的最小安全公差需要的方式來避開該障礙物。
現在請回到圖16，圖中示出了操作者可用於控制在鑽孔操作期間影響鑽孔工具的生產力和操縱的全部或部分鑽孔機功能的遙控單元350的一種實施例。根據該實施例，遙控單元350包含有操縱方向控制器352，操作者用該控制器來控制鑽孔工具的取向和鑽孔工具的轉速。操縱方向控制器352可包含有由操作者移動以使鑽孔工具對準所需航向的操縱杆356。操縱方向控制器352還包含有具有適當的小時標記的鐘面顯示器354。操作者通常通過將操縱方向操縱杆356繞其軸線轉動至所需位置來將操縱杆移至所需的時鐘位置，諸如300位置。
操縱杆也可在所給時鐘位置上前向或反向移動，以便按需改變鑽孔工具的轉速。鑽孔機響應所選用的操縱杆的位置和位移提供必要的旋轉和推進以改變當前的鑽孔工具的位置和取向，從而使鑽孔工具以所請求的斜率(steepness)移動至所請求的位置/航向。要理解的是，其它的操縱相關過程也可利用遙控單元350來進行調節，以便獲得所需的鑽孔工具的航向，諸如泥漿流動變化、流體噴射和操縱表面的變化等。
遙控單元350還包含有用於分別控制沿前向或反向施加給鑽柱的力的量的鑽探/回拉速率控制器358。或者，該鑽探/回拉速率控制器358分別控制沿前向或反向的鑽柱的推進速度。該鑽探/回拉速率控制器358包含有可沿正負方向移動、以便以可變的推進力/速度的大小來使前向和反向移動發生變化的拉杆控制器360。使該拉杆控制器360正向移動可使鑽孔工具以遞增的推進力/速度的大小前向移動。而使該拉杆控制器360負向移動則可使鑽孔工具以遞增的推進力/速度的大小反向移動(即，回拉)。
鑽探/回拉速率控制器358以及操縱方向控制器352可以諸如正常鑽探模式和爬行模式之類的幾種不同模式的其中之一來運行。模式選擇開關377可用於選擇所需的運行模式。爬行運行模式允許遠距離操作者使鑽孔工具以顯著減小的速率緩慢且安全地移動和旋轉。當使鑽孔工具繞過地下障礙物操縱時、或者當在鑽孔工具附近操作或者直接用鑽孔工具操作、諸如在出口位置時，可能需要這種減小的轉速和移動速率。要理解的是，可將參照遙控單元350所述的控制特點和功能裝入在鑽孔機中，用以本地控制鑽孔操作。
圖17示出了利用圖16所示遙控單元350可實現的兩種鑽孔工具操縱方案。使鑽孔工具沿著地下路徑移動至目標位置A，在該位置上，鑽孔工具以兩個完全不同的角度駛向表面。鑽孔路徑382相對於鑽孔路徑384為一條陡峭且較短的到達地面的路線，而鑽孔路徑384則為一條較平緩且較長的路線。從位置A開始，通過將操縱方向操縱杆356沿著圓形時鐘顯示器354的外圍方向移動可獲得陡峭的鑽孔路徑382。響應操縱杆356從中間(即，未移動)位置朝著圓形時鐘顯示器354的外圍向外較大的移動可獲得較大的推進移動或其它操縱致動量。通過使操縱杆356保留在其中間或未移動位置附近可獲得更平緩的鑽孔路徑384。響應操縱杆356相對於其中間位置的最小或另位移可獲得較小的推進移動或其它操縱致動量。
根據另一種實施例，鑽孔工具的操縱可以包括硬操縱模式和軟操縱模式在內的幾種操縱模式的其中之一來實現。這些操縱模式均可被設想採用先前參照共同擁有的美國專利5,746,278號所述的旋轉和推進/回拉泵控制能力。根據硬操縱模式，操縱杆356的定位允許操作者在切割期間調節推進泵的壓力。具體地講，鑽孔工具被向前推進，直到到達由當前的操縱杆356的位置所指示的推進/回拉泵的壓力極限為止，此時，鑽孔工具以如由切割持續時間來表示的規定方式進行旋轉。切割持續時間是指鑽孔工具將掠過的鐘面扇區的數量。該切割持續時間通過使用設置在遙控單元350上的切割持續時間控制器375來設定。這個過程重複進行直到獲得所選用的鑽孔工具航向為止。
根據軟操縱模式，操縱杆356的定位允許操作者在鑽孔工具轉過由切割持續時間所指示的規定數量之前調節鑽孔工具的行進距離。具體地講，鑽孔工具被向前推進預定設定的行進距離，同時鑽孔工具還轉過切割持續時間。這個過程重複進行直到獲得所需的鑽孔工具航向為止。
根據採用巖火(rockfire)切割動作的本發明的另一種操縱模式，鑽孔工具24被向前推進直到鑽孔工具開始其切割動作為止。鑽孔工具持續向前推進直到達到針對該土壤狀況的預設壓力為止。接著，鑽孔工具順時針轉過切割持續時間，同時保持該預設壓力。在巖火切割技術的範圍中，術語「壓力」是指鑽孔工具上轉矩和推進力的組合。鑽孔工具在切割持續時間結束時終止其順時針旋轉，並且該鑽孔工具被回拉直到鑽孔工具上的壓力為零為止。然後，該鑽孔工具順時針旋轉至持續時間的起始處。這個過程重複進行直到獲得所需的鑽孔工具航向為止。
根據採用巖火切割動作的操縱模式的另一種實施例，鑽孔工具24被向前推進直到鑽孔工具開始其切割動作為止。鑽孔工具持續向前推進直到達到與該土壤狀況的預設壓力相符為止。接著，鑽孔工具順時針轉過切割持續時間，同時保持該預設壓力。鑽孔工具在切割持續時間結束時終止其順時針旋轉。然後，鑽孔工具逆時針旋轉，同時保持大約小於使用鑽杆所需的組成轉矩(makeup torgue)的60％的轉矩。倘若轉矩過大，則減少或終止鑽孔工具的逆時針旋轉，並且該鑽孔工具被回拉直到達到組成轉矩的大約60％為止。鑽孔工具持續逆時針旋轉直到切割持續時間的起始處為止。這個過程重複進行直到獲得所需的鑽孔工具航向為止。
根據又一種先進的操縱能力，當操縱鑽孔工具時會引起在鑽探操作期間作用在鑽柱上的扭轉力。在鑽探領域中要很好地理解的是，在鑽孔機處的鑽柱停止旋轉之後，由於通常稱之為扭轉卷緊(wind-up)或管狀裹繞(pipe wrap)的扭轉彈性的影響而發生鑽孔工具的剩餘旋轉。因扭轉卷緊而引起的鑽孔工具的剩餘旋轉的程度由包括鑽柱的長度和直徑、由鑽孔機施加給鑽柱的轉矩以及由包圍鑽柱的具體類型的土壤/巖石作用在鑽柱上的牽引力在內的多個因素所決定。
當操縱鑽孔工具以跟隨所需航向時，用於操縱鑽孔工具的共同的技術涉及使該工具旋轉至進行操縱變化所需的一所選擇的取向，使工具在所選用的取向處停止旋轉，然後將鑽孔工具向前推進。這個過程重複進行以獲得所需的鑽孔工具航向。然而要意識到的是，由於存在扭轉卷緊作用，因而難易使旋轉著的鑽孔工具停在所需取向上。傳統的操縱途徑需要使用可攜式定位器來在向鑽孔工具施加推進力之前先確定鑽孔工具適當取向。遠距離操作者必須協同鑽孔機操作者確保在施加推進力之前鑽孔工具既非旋轉不足也非過量。人工評定或確認鑽孔工具的取向以便進行航向變化的過程在操作人力資源方面是費時費錢的。
本發明的一種適應性操縱方法的特徵在於所給鑽柱的扭轉卷緊行為，並因為可在長度和曲率上調節鑽柱而更新該特徵。利用所採集的卷緊特徵數據，鑽孔工具可轉至所需取向而無需操作者參與。例如，在一具體鑽孔工具位置上的扭轉卷緊可有80度的剩餘旋轉。較早採集的數據可表明卷緊速率以每20英尺附加的鑽柱長度1度的速率顯著地線性增大。在這些數據的基礎上，利用適當的外推法可估計鑽孔工具在下一個轉向位置上的剩餘旋轉。要理解的是，卷緊度可以一種作為附加的鑽柱長度的函數的非線性方式增加，並且在這種情況下，應向數據施加適當的非線性外推法。
在該圖示實施例中，假定將在下一個轉向位置上發生的所估計的剩餘旋轉被算得為84度。該所估計的剩餘旋轉可在鑽孔機上發生，這樣鑽孔機就使鑽柱停止旋轉，以使鑽孔工具額外轉過84度至進行操縱變化所需的取向。例如，倘若由於土壤/巖石成分中發生未料想的變化而在下一個轉向位置上發生旋轉過量，則過去的和當前的扭轉卷緊特徵可用於使鑽孔機因改變的土壤/巖石特性而將鑽孔工具轉至適當的取向(例如，由於未料想土壤/巖石中的牽引力增大，因而實際扭轉卷緊成為88度的剩餘鑽孔工具旋轉而不是所估計的86度的剩餘旋轉)。
要意識到的是，所給鑽柱的扭轉卷緊行為可以其它方式、諸如通過利用速度和/或加速度的分布來表示其特徵。例如，加速度或速度的分布可用來表示扭轉卷緊期間鑽柱的旋轉變化的特徵。具體地講，在鑽孔機使鑽柱停止旋轉的時間與當剩餘鑽孔工具旋轉停止時的時間之間的鑽柱的加速度或速度可用來表示卷緊加速度/速度分布數據。這些數據可用於估算鑽柱在所給轉向位置上的扭轉卷緊行為，以使該鑽孔工具在鑽孔工具停止剩餘旋轉之後轉至所需取向。
啟動鑽柱旋轉時也可採用一種適應性方法，它在重新啟動較長的鑽柱的旋轉時尤其適用。當使鑽孔工具的旋轉發生細小緩慢的變化時，將初始組裝的旋轉行為特徵化可便於高度控制。當操作者在鑽孔工具上或者接近該鑽孔工具工作時，這種控制能力是較理想的。旋轉傳感器可用於確定旋轉單元的齒輪箱在鑽孔工具旋轉之前旋轉到什麼程度。齒輪箱與鑽孔工具的旋轉中的這種差異是由上述扭轉卷緊作用所引起的。該差異可被監視和補償，以便啟動鑽柱旋轉，以使鑽孔工具旋轉至所需取向。
請繼續參閱圖16，設有一用於警告操作者迫近碰撞情形的警告指示器374。該警告指示器374可為發光指示器、播送聲音警報的揚聲器或者可視和聲音指示器的組合。設有一用於使操作者在適當的時候終止所有鑽探相關活動的結束開關376。模式選擇開關377供選擇多種不同操作模式、諸如正常鑽探模式、爬行模式、倒擴孔模式和輸送模式等的其中一種模式之用。
在遙控單元350上設有若干顯示器。在鑽孔機狀態顯示器362上向操作者顯示涉及鑽孔機狀態和活動的各種數據。通過鑽孔工具狀態顯示器366向操作者顯示涉及鑽孔工具狀態的各種數據。適當的顯示窗364中也可顯示鑽孔工具可操縱因素數據。在適當的顯示器370、372上可顯示原定和實際鑽孔路徑。要理解的是，可在遙控單元350上顯示不同於圖16所示的數據類型。例如，GPR成像數據或其它地球物理傳感器數據可以圖形形式顯示在適當的顯示器上，諸如與人造和地質結構相關的成像數據。另外，要意識到的是，圖16中所示的各種顯示器可構成物理上不同的顯示裝置或者單個顯示器的獨立的窗口。
當然，要理解的是，在不脫離本發明範圍的情況下，上述較佳實施例具有各種變化和附加。因此，本發明的範圍不應被限制在上述具體實施例中，而應僅僅由下列權利要求及其等效物來限定。
權利要求
1.一種挖掘系統，包括由挖掘鑽孔的鑽杆所推進的切割工具；將鑽探流體泵送通過所述鑽杆的泥漿系統，所述鑽探流體將挖掘物質輸送到所述鑽孔之外；以及感應流出鑽孔的鑽探流體的特性的返回泥漿傳感器。
2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，流出所述鑽孔的所述鑽探流體的特性包括挖掘物質中的微粒大小、流出鑽孔的鑽探流體的粘度、流出鑽孔的鑽探流體的密度或者流出鑽孔的鑽探流體的成分。
3.一種挖掘系統，包括由挖掘鑽孔的鑽杆和驅動設備所推進的切割工具；將鑽探流體泵送通過所述鑽杆的泥漿系統，所述鑽探流體將挖掘物質輸送到所述鑽孔之外；感應流出鑽孔的鑽探流體的特性的返回泥漿傳感器；以及與所述返回泥漿傳感器、泥漿系統和驅動設備通信耦合的控制器，所述控制器響應由返回泥漿傳感器所感應到的鑽探流體的特性來改變切割工具的移動。
4.如權利要求3所述的系統，其特徵在於，所述控制器改變作為將挖掘物質輸送到鑽孔之外的輸送率的函數、或者作為流出鑽孔的鑽探流體中固體的百分率的函數的切割工具的移動。
5.如權利要求3所述的系統，其特徵在於，所述控制器改變切割工具的移動，以使切割工具的挖掘率不會超出將挖掘物質輸送到鑽孔之外的輸送率。
6.如權利要求3所述的系統，其特徵在於，所述控制器改變作為切割工具的移動的函數、或者被輸送到所述鑽孔的鑽探流體的特性的函數的、將挖掘物質輸送到鑽孔之外的輸送率。
7.一種挖掘系統，包括由挖掘鑽孔的鑽杆和驅動設備所推進的切割工具；將鑽探流體泵送通過所述鑽杆的泥漿系統，所述鑽探流體將挖掘物質輸送到所述鑽孔之外；感應流出鑽孔的鑽探流體的特性的返回泥漿傳感器；以及與所述返回泥漿傳感器、泥漿系統和驅動設備通信耦合的控制器，所述控制器響應由返回泥漿傳感器所感應到的鑽探流體的特性來改變被泵送通過所述鑽杆的鑽探流體的特性。
8.如權利要求7所述的系統，其特徵在於，被泵送通過所述鑽杆的鑽探流體的特性包括所述鑽探流體的流率、壓力、溫度、粘度、密度或成分的其中一個或多個。
9.如權利要求7所述的系統，其特徵在於，所述控制器改變作為所挖掘的鑽孔的體積變化的函數的、鑽探流體被泵送通過所述鑽杆時的速率。
10.一種挖掘系統，包括連接在鑽杆上的切割工具；與所述鑽杆相連接、用於將所述切割工具沿著地下路徑驅動的驅動設備；設置在所述切割工具中或貼近其設置的傳感器單元，所述傳感器單元產生代表切割工具的位置的位置信號；與傳感器單元通信耦合、用於接收所述位置信號的收發器單元；以及控制器，所述控制器經由所述收發器單元與所述傳感器單元通信耦合，以便在所述控制器與傳感器單元之間建立信號的雙向通信，所述控制器經由所述收發器單元接收來自傳感器的位置信號，並響應所述位置信號向所述驅動設備發送用於控制切割工具沿著所述地下路徑移動的控制信號。
11.如權利要求10所述的系統，其特徵在於，所述收發器單元包括接收來自所述傳感器單元的所述位置信號、並將所述信號從所述控制器發送至傳感器單元的可攜式跟蹤器，所述控制器位於所述跟蹤器中或者所述驅動設備處。
12.如權利要求10所述的系統，其特徵在於，所述收發器單元包括接收所述位置信號的可攜式跟蹤器和通過經由所述鑽杆所建立的通信鏈路使所述控制器與所述傳感器相耦合的界面，所述控制器位於所述跟蹤器中或者所述驅動設備處。
13.如權利要求10所述的系統，其特徵在於，所述位置信號包括電磁信號、磁信號、聲音信號、機械信號或電信號。
14.如權利要求10所述的系統，其特徵在於，所述傳感器單元和所述收發器單元的其中一個或兩者包括地面穿透雷達(GPR)單元。
15.如權利要求10所述的系統，其特徵在於，所述收發器單元包括位於所述地下路徑所通過的一區域內的多個間隔設置的天線單元，其中至少一個天線單元接收所述位置信號，並將所接收的位置信號傳輸至所述控制器或者一個或多個其它的天線單元以供所述控制器接收。
16.如權利要求10所述的系統，其特徵在於，所述控制器利用從所述收發器單元所接收的切割工具信號來確定在x-、y-和z-平面坐標的至少兩個中的切割工具的位置。
17.如權利要求10所述的系統，其特徵在於，所述控制器利用從所述收發器單元所接收的切割工具信號來確定在平搖、縱搖和橫搖的至少兩個中的切割工具的取向。
18.如權利要求10所述的系統，其特徵在於，還包括使所述控制器與所述收發器單元相耦合的界面，所述界面被構成為可適應具有特殊界面要求的各種收發器單元。
19.如權利要求10所述的系統，其特徵在於，還包括用於用圖形顯示切割工具的位置、取向、地下路徑、切割工具沿著所述地下路徑的移動、原定鑽孔路徑中的一個或多個、或者用圖形比較所述原定鑽孔路徑與實際鑽孔路徑的顯示器。
20.一種挖掘系統，包括連接在鑽杆上的切割工具；與所述鑽杆相連接、用於將所述切割工具沿著地下路徑驅動的驅動設備；設置在所述驅動設備上的傳感器，當驅動設備沿著所述地下路徑驅動所述切割工具時，所述傳感器感應驅動設備的物理特性，所述傳感器產生代表所述物理特性的傳感器信號；以及與驅動設備和傳感器通信耦合的控制器，所述控制器響應所述傳感器信號向驅動設備發送用於控制所述驅動設備的控制信號。
21.如權利要求20所述的系統，其特徵在於，所述傳感器包括振動傳感器或聲音傳感器。
22.如權利要求20所述的系統，其特徵在於，所述控制器將所述傳感器信號與一型線(profile)相比較，以便形成所述控制信號。
23.一種挖掘系統，包括連接在鑽杆上的切割工具；與所述鑽杆相連接、用於將所述切割工具沿著地下路徑驅動的驅動設備；設置在所述切割工具中或貼近其設置的傳感器，當切割工具沿著所述地下路徑移動時，所述傳感器感應切割工具的物理特性，所述傳感器產生代表所述物理特性的傳感器信號；以及與驅動設備和傳感器通信耦合的控制器，所述控制器響應所述傳感器信號向驅動設備發送用於控制所述驅動設備的控制信號。
24.如權利要求23所述的系統，其特徵在於，所述傳感器包括振動傳感器、聲音傳感器、溫度傳感器、應力傳感器、壓力傳感器或者氣體傳感器，並且所述切割工具包括鑽孔工具或者擴孔器。
25.如權利要求23所述的系統，其特徵在於，所述控制器將所述傳感器信號與一型線相比較，以便形成所述控制信號。
26.如權利要求23所述的系統，其特徵在於，所述傳感器包括設置所述切割工具上的磨損傳感器。
27.一種挖掘系統，包括連接在鑽杆上的切割工具；與所述鑽杆相連接、用於將所述切割工具沿著地下路徑驅動的驅動設備；設置在所述切割工具和/或地上設備中或貼近其設置的地球物理傳感器，所述地球物理傳感器感應接近切割工具的土壤和/或物體的地球物理特性，並產生傳感器信號；以及與驅動設備和所述地球物理傳感器通信耦合的控制器，所述控制器響應所述傳感器信號向驅動設備發送用於控制所述驅動設備的控制信號。
28.如權利要求27所述的系統，其特徵在於，所述地球物理傳感器包括雷達單元、地震傳感器、超聲波傳感器、電阻傳感器或電容傳感器。
29.一種挖掘系統，包括連接在鑽杆上的機械或流體切割工具；設置在所述切割工具上或中的可調操縱機構；與所述鑽杆相連接、用於將所述切割工具沿著地下路徑驅動的驅動設備；以及與驅動設備和切割工具通信耦合的控制器，所述控制器產生用於調節所述操縱機構的控制信號，同時沿著所述地下路徑驅動切割工具。
30.如權利要求29所述的系統，其特徵在於，所述控制器還響應所述操縱機構的調節產生用於控制所述驅動設備的控制信號。
31.如權利要求29所述的系統，其特徵在於，所述可調操縱機構包括一個或多個可調板狀件、可調切割表面、位於所述切割工具內部的活動塊或者一個或多個可調流體噴射器。
32.一種挖掘系統，包括包括傳感器殼體的切割工具；設置在所述傳感器殼體內的導航傳感器單元，當所述切割工具沿著地下路徑移動時，所述導航傳感器感應切割工具的縱向位移和/或旋轉的其中之一或兩者；與所述導航傳感器單元通信耦合、且設置在所述傳感器殼體內的處理器，所述處理器與所述導航傳感器協配以產生代表切割工具的位置和/或取向的其中之一或兩者的位置信號；以及設置在所述殼體內的通信界面，所述通信界面以適於地上接收器接收的形式來發送所述位置信號。
33.如權利要求32所述的系統，其特徵在於，所述通信界面接收來自地上信號源的信號，所接收的信號包括狀態輪詢信號、控制信號或結構信號。
34.如權利要求32所述的系統，其特徵在於，所述導航傳感器單元包括一個或多個多軸加速計和多軸磁強計。
35.如權利要求32所述的系統，其特徵在於，所述導航傳感器單元包括固態多軸加速計。
36.如權利要求32所述的系統，其特徵在於，所述導航傳感器單元包括至少一個雷達單元。
37.如權利要求32所述的系統，其特徵在於，所述導航傳感器單元包括磁或電磁探針。
38.如權利要求32所述的系統，其特徵在於，所述導航傳感器單元包括振動傳感器、聲音傳感器、地震傳感器、超聲波傳感器、電阻傳感器、電容傳感器、溫度傳感器、應力傳感器、壓力傳感器或氣體傳感器。
39.如權利要求32所述的系統，其特徵在於，所述切割工具包括設置於其中或其上的可調操縱機構。
40.一種挖掘系統，包括連接在鑽杆上的切割工具；與所述鑽杆相連接、用於將所述切割工具沿著地下路徑驅動的驅動設備；存儲代表原定地下路徑的數據的存儲器；設置在所述切割工具中或貼近其設置、以及/或者設置在地上跟蹤器中的傳感器單元，所述傳感器單元產生代表切割工具的位置的位置信號；以及與所述傳感器單元、存儲器和驅動設備通信耦合的控制器，所述控制器接收來自所述傳感器單元的位置信號，並響應所述位置信號向驅動設備發送用於控制切割工具沿著所述原定地下路徑移動的控制信號。
41.如權利要求40所述的系統，其特徵在於，在挖掘期間得自位置信號的位置數據用於產生代表由所述切割工具所形成的實際地下路徑的數據。
42.如權利要求40所述的系統，其特徵在於，所述傳感器單元包括導航單元，所述導航單元利用存儲在所述存儲器中的數據對所述驅動設備進行自動導航式控制，以使所述切割工具沿著所述原定地下路徑移動。
43.如權利要求42所述的系統，其特徵在於，還包括設置在所述切割工具中或貼近其設置、以及/或者設置在地上跟蹤器中的檢測器，所述檢測器檢測沿著或者貼近所述原定地下路徑的地下障礙物，所述控制器向所述驅動設備發送用於控制切割工具沿著原定地下路徑的移動以避開所測得的障礙物的控制信號。
44.如權利要求42所述的系統，其特徵在於，還包括設置在所述切割工具中或貼近其設置、以及/或者設置在地上跟蹤器中的檢測器，所述檢測器檢測貼近所述切割工具以及/或者沿著所述原定地下路徑的土壤的地球物理特性，所述控制器響應所測得的地球物理特性向所述驅動設備發送用於控制切割工具沿著原定地下路徑的移動的控制信號。
45.如權利要求44所述的系統，其特徵在於，所述檢測器包括雷達單元、地震單元、聲音單元或地磁單元。
46.一種挖掘系統，包括連接在鑽杆上的切割工具；與所述鑽杆相連接、用於將所述切割工具沿著地下路徑驅動的驅動設備；設置在所述切割工具中或貼近其設置的傳感器單元，所述傳感器單元產生代表切割工具的位置的位置信號；與傳感器單元通信耦合、用於接收所述位置信號的收發器單元；以及經由所述收發器單元與所述傳感器單元通信耦合的處理器，所述處理器接收來自所述傳感器的位置信號，並響應所述位置信號向所述驅動設備發送用於控制切割工具沿著地下路徑的移動的控制信號，所述處理器局部或全部設置在切割工具中或貼近其設置，或者局部或全部成為遙控單元的一部分。
47.如權利要求46所述的系統，其特徵在於，所述處理器局部位於所述切割工具中或者其附近，並且局部位於所述遙控單元中。
48.如權利要求46所述的系統，其特徵在於，所述遙控單元包括定位器。
49.一種挖掘系統，包括由挖掘地下路徑的鑽杆和驅動設備所推進的切割工具；設置在所述切割工具中或貼近其設置、以及/或者設置在地上跟蹤器中的傳感器單元，所述傳感器單元產生代表切割工具的位置的位置信號；以及與所述傳感器單元和驅動設備通信耦合的控制器，所述控制器接收來自傳感器單元的位置信號，並向驅動設備發送用於以多種操縱模式的其中之一來沿著地下路徑操縱切割工具的控制信號。
50.如權利要求49所述的系統，其特徵在於，所述多種操縱模式包括至少適應性操縱模式、步行路徑操縱模式、步行追蹤操縱模式、用工具來操縱的操縱模式以及靈巧工具操縱模式。
51.一種挖掘系統，包括由挖掘地下路徑的鑽杆和驅動設備所推進的切割工具；設置在所述切割工具中或貼近其設置、以及/或者設置在地上跟蹤器中、並產生傳感器信號的傳感器單元，所述傳感器單元包括位置傳感器、位移傳感器、取向傳感器、地球物理傳感器、地質傳感器、泥漿傳感器、切割工具傳感器或驅動設備傳感器中的至少兩個；以及與所述傳感器單元和驅動設備通信耦合的控制器，所述控制器響應所述傳感器信號向驅動設備發送用於控制驅動設備和/和切割工具的控制信號。
52.如權利要求51所述的系統，其特徵在於，還包括泥漿系統，所述控制器與所述泥漿系統通信耦合，所述控制器響應所述傳感器信號向驅動設備和/或泥漿系統發送用於控制驅動設備、切割工具和/或泥漿系統的控制信號。
53.一種挖掘方法，包括沿著地下路徑驅動切割工具；感應所述切割工具的位置，並產生代表感應到的切割工具的位置的位置信號；響應所述位置信號控制切割工具沿著所述地下路徑的移動；以及將控制信號、狀態輪詢信號或結構系統傳輸至切割工具，以便相應地控制切割工具的活動、輪詢切割工具的狀態、或者獲得或改變切割工具的結構。
54.一種挖掘方法，包括利用驅動設備沿著地下路徑驅動切割工具；當所述驅動設備沿著地下路徑驅動所述切割工具時，感應驅動設備的物理特性，並產生代表所述物理特性的傳感器信號；以及響應所述傳感器信號控制驅動設備。
55.一種挖掘方法，包括利用驅動設備沿著地下路徑驅動切割工具；當所述切割工具沿著地下路徑移動時，感應切割工具的物理特性，並產生代表所述物理特性的傳感器信號；以及響應所述傳感器信號控制驅動設備。
56.一種挖掘方法，包括利用驅動設備沿著地下路徑驅動切割工具；感應接近所述切割工具的土壤和/或物體的地球物理特性，並產生代表所述地球物理特性的傳感器信號；以及響應所述傳感器信號控制驅動設備。
57.一種挖掘方法，包括利用驅動設備沿著地下路徑驅動機械或流體切割工具；在所述切割工具上或中設置可調操縱機構；以及調節所述操縱機構，同時沿著地下路徑驅動切割工具。
58.一種挖掘方法，包括利用驅動設備沿著地下路徑驅動切割工具；將鑽探流體輸送通過鑽杆，所述鑽探流體將挖掘物質輸送到鑽孔之外；以及感應流出鑽孔的鑽探流體的特性。
59.如權利要求58所述的方法，其特徵在於，還包括響應感應到的鑽探流體的特性來改變切割工具的移動。
60.如權利要求58所述的方法，其特徵在於，還包括響應感應到的鑽探流體的特性來改變被輸送通過所述鑽杆的鑽探流體的特性。
61.一種挖掘方法，包括利用驅動設備沿著地下路徑驅動切割工具；存儲代表原定地下路徑的數據；感應所述切割工具，並產生代表感應到的切割工具的位置的位置信號；以及響應所述位置信號控制切割工具沿著原定地下路徑的移動。
62.一種挖掘方法，包括利用驅動設備沿著地下路徑驅動切割工具；感應所述切割工具，並產生代表感應到的切割工具的位置的位置信號；以及以多種操縱模式的其中一種沿著地下路徑操縱切割工具。
63.如權利要求62所述的方法，其特徵在於，所述多種操縱模式包括至少適應性操縱模式、步行路徑操縱模式、步行追蹤操縱模式、用工具操縱的操縱模式以及靈巧工具操縱模式。
全文摘要
一種用於控制地下鑽孔工具的系統和方法涉及使鑽孔工具旋轉和感應鑽孔工具的旋轉參數。鑽孔工具沿著地下路徑移動，該鑽孔工具的移動參數也被感應。各種傳感器監視鑽孔機的活動、鑽孔工具的位置、取向和環境狀況、以及挖掘地點處的土壤/巖石的地球物理和/或地質狀況。由這些傳感器所採集的數據由鑽孔機控制器進行處理，以便閉環實時控制鑽孔操作。該控制器實時接收鑽孔工具信號和其它傳感器信號，並響應這些信號而基本實時地向各旋轉和移動單元發送控制信號，以便控制鑽孔工具沿著地下路徑的移動速率和移動方向的其中之一或兩者。
文檔編號E21B7/26GK1391632SQ00816086
公開日2003年1月15日 申請日期2000年9月22日 優先權日1999年9月24日
發明者K·L·阿爾夫特 申請人:弗米爾製造公司