相关申请的交叉引用
本申请要求2015年3月30日提交的美国临时专利申请序号62/139,948的权益和优先权，所述申请全文以引用的方式明确地并入本文。
发明背景
用于通过地质地层钻出井筒的钻头通常属于两个主要类别的钻头结构中的一个：“滚柱牙轮”钻头和“固定刀具”或“刮刀”钻头。滚柱牙轮包括一个或多个可旋转地安装到钻头本体的滚柱牙轮。在操作期间，滚柱牙轮将相对于钻柱旋转以在地质地层中钻出井筒。刮刀钻头具有由钢或另一高强度材料形成的本体，以及在选定位置处附接到钻头本体的切削元件(有时称为刀具元件、刀具或插入件)。切削元件位于多个刀片上。与滚柱牙轮钻头的牙轮不同，刮刀钻头的刀片是相对于钻柱静止的。刮刀钻头依靠钻柱的旋转来切穿地质地层。
由于刮刀钻头的刀片是相对于钻柱静止的，因此相同的切削元件在钻井期间暴露于地质地层。切削元件可以包括镶嵌在刀片或钻头上(在称为镶嵌金刚石的钻头的钻头上)的金刚石，或可以形成为具有由碳化物(例如碳化钨)制成的圆柱形衬底或支撑柱以及由沉积或以其他方式粘结到衬底(在称为pdc钻头的钻头上)的多晶金刚石材料或多晶氮化硼材料制成的超硬切削表面层。
技术实现要素：
在一方面中，本公开的实施方案涉及一种钻头。所述钻头包括钻头本体。可以将至少两个牙轮组件安装在钻头本体上，所述至少两个牙轮组件包括至少两个驱动缸，所述至少两个驱动缸上安装有至少两个牙轮。钻头还可以在钻头本体上包括转位机构，所述转位机构被配置为旋转并锁定至少一个驱动缸。
在另一方面中，本公开的实施方案涉及一种钻头。所述钻头具有钻头本体和至少两个可转位结构，所述至少两个可转位结构具有多个切削元件。钻头可以在钻头本体上包括转位机构，使得转位机构被配置为啮合并旋转至少两个可转位结构并且啮合至少两个可转位结构中的至少一个。
在又一方面中，本公开的实施方案涉及一种钻出井筒的方法。所述方法包括旋转钻柱，所述钻柱在其远端具有钻头，从而钻进地层。钻头在第一位置中包括至少两个可转位结构和一个转位机构。转位机构可以在钻头的中心腔室内移动轴向距离。因此，转位机构的移动可随着转位机构的移动旋转至少两个可转位结构。随后可以锁定可转位结构。
提供本发明内容是为了介绍供选择的在以下详细描述中进一步描述的概念。本发明内容并不旨在识别要求保护的主题的关键或基本特征，也不旨在被用作来辅助限制要求保护的主题的范围。
附图简述
图1和图2是根据本公开的实施方案的钻头的透视图。
图3是根据本公开的实施方案的钻头的截面图。
图4是根据本公开的实施方案的转位机构。
图5和图6是根据本公开的实施方案的钻头的截面图。
图7示出了根据本公开的实施方案的转位机构。
图8是根据本公开的实施方案的钻头的截面图。
图9示出了根据本公开的实施方案的转位机构。
图10和图11是根据本公开的实施方案的钻头的截面图。
图12和图13示出了根据本公开的实施方案的转位机构。
图14至图16是根据本公开的实施方案的钻头的截面图。
图17示出了根据本公开的实施方案的转位机构。
图18是根据本公开的实施方案的钻头的截面图。
图19示出了根据本公开的实施方案的转位机构。
图20是根据本公开的实施方案的钻头的透视图。
图21和图22是根据本公开的实施方案的钻头的截面图。
图23是根据本公开的实施方案的转位机构的分解图。
图24是根据本公开的实施方案的钻头的截面图。
图25示出了根据本公开的实施方案的锁定机构。
图26示出了根据本公开的实施方案的转位机构。
图27是根据本公开的实施方案的钻头的截面图。
图28和图29示出了根据本公开的实施方案的转位机构。
图30和图31示出了根据本公开的实施方案的锁定机构。
具体实施方式
在一方面中，本文公开的实施方案涉及具有转位切削元件(本文称为转位钻头(indexingbit/indexingdrillbit))的刮刀钻头。转位切削元件或可转位结构是指上面定位有切削元件的可相对于钻柱转位的至少一个牙轮、滚柱、轮或类似结构。转位切削元件可以相对于钻柱或钻头体旋转到离散位置，并且在一些实施方案中，当在转位位置时，牙轮可能不能自由旋转。在操作期间(例如，钻出地层或扩大地层、铣削套管或井下部件等)，转位切削元件可以处于第一固定位置，从而上面定位有切削元件的一部分以啮合地层或其他工件。转位切削元件然后可以相对于钻柱或钻头本体在固定位置切削。在预定或设定量的时间后，一旦切削元件受损，在预定或设定的距离之后，或者在实现了任何期望变量后，转位切削元件可以转位以暴露切削元件的不同部分或不同的切削元件，从而进行切削操作。换句话说，钻头转位会使牙轮旋转以允许不同的切削元件或切削元件的不同部分啮合工件。在钻头转位之后，可转位结构被再次固定。虽然本文将钻头(bit)描述为“钻头(drillbit)”，但术语不限于用于钻进地层的钻头，而是旨在包括铣刀、扩孔器或其他井下切削工具。
由于切削元件与正切削的地层或其他工件之间的接触的磨蚀性质，在地下环境中遇到的极端温度、力和压力，切削元件可能会快速受损。当发生磨损时，切削元件变得越来越无效，直到它不能有效地穿透工件。为了更换受损切削元件，可以将钻柱拉到地面。由于工具停机时间增加以及更换部件和维护人员的使用，这种维护增加了运营成本。在一方面中，本公开的实施方案能够在工具保持在井下时使切削结构转位并呈现新的或不同的切削元件。
可转位牙轮
图1和图2示出了根据本公开的实施方案的转位钻头的视图，且图3示出了根据本公开的实施方案的转位钻头的截面图。如图1所示，转位钻头101包括钻头本体103，所述钻头本体在近端具有用于将钻头101耦接到钻柱的螺纹销端105。钻头本体103的与螺纹销端105相对的切削端可以包括固定到钻头本体103的至少两个轴颈131(例如，与钻头本体整体地形成)，其中每个轴颈接纳包括牙轮121和驱动缸133的牙轮组件。根据一些实施方案，轴颈可以与钻头本体103单独地形成并且固定(例如，焊接或机械地耦接)到钻头本体103。如本文所述，术语“近侧”和“远侧”用于分别指示部件或特征朝向钻柱的井上端或井下端定位。
具有多个切削元件123的牙轮121可以旋转地安装到每个轴颈。切削元件可以包括各种形状，例如但不限于刨形刀具、锥形刀具、弓形或平斜顶刀具、半圆形顶部刀具、脊形刀具、多角刀具(例如，四角、八角、十角或十二角刀具)或本领域已知的任何其他切削元件形状。在一些实施方案中，可以使用具有与转位钻头被配置为转位的次数相同数量的角或边的多角刀具(例如，具有多个边缘的拐角)。在一些实施方案中，可以使用超硬刀具，诸如多晶金刚石复合片。在其他实施方案中，可以使用碳化物切削元件或适合用于铣削操作的任何元件。当牙轮121旋转时，可以暴露切削元件123的不同边缘或侧面，或者可以暴露新的切削元件并且隐藏另一个切削元件。
牙轮121可以具有各种轮廓(即，穿过牙轮的中心轴线截取的截面图的轮廓)，包括但不限于具有均匀曲率半径的凸形轮廓、具有变化的曲率半径的凸形轮廓或具有凸部和凹部两者的轮廓。在一些实施方案中，牙轮可以具有相同的尺寸，而在其他实施方案中，至少一个牙轮可以大于其他牙轮。在一些实施方案中，每个牙轮可以具有不同的尺寸。在一些实施方案中，每个牙轮可以具有不同的中心钻孔覆盖率(例如，单个牙轮可以覆盖钻孔的中心)。切削元件123可以例如成行地布置在每个牙轮上，如图2所示，一个牙轮121包括三行切削元件123，而另一个牙轮121包括两行切削元件123。可以使用切削元件和牙轮轮廓的任何布置和形状。
在一些实施方案中，牙轮的截面形状可以是大致圆形的；然而，可以使用任何合适的形状。例如，牙轮可以是圆形的、椭圆形的、多边形的或具有波浪状轮廓。对于非圆形牙轮形状，使牙轮转位可以能会导致钻头101的直径发生变化。例如，椭圆形牙轮具有主轴(长轴)和副轴(短轴)。当牙轮的主轴垂直于钻头轴线5时，钻头101的直径与钻头的副轴垂直于钻头轴线5的情况相比更大。在一些实施方案中，圆形牙轮可以偏离中心安装，这也允许钻头101的直径在牙轮转位时发生变化。如本文所使用的，术语“偏离中心安装”用于描述牙轮在不同于牙轮的中心点的位置处附接到钻头。在一些实施方案中，偏离中心安装可以用于扩展井筒直径(例如，扩大井筒)。
牙轮可以相对于彼此成一定角度安装。也就是说，牙轮可以以一定“牙轮角度”取向，所述锥角通过取牙轮的纵向轴线(图3中的120)与钻头101的轴线5之间的角度来测量。根据一些实施方案，牙轮121可以正交于轴线5(即，各自以90°锥角)定位。在一些实施方案中，一个或多个(以及潜在地，每个牙轮121)的锥角的范围可为约15°至120°，并且在一些实施方案中，锥角的范围可为45°至85°、55°至80°或60°至75°。例如，每个牙轮121的锥角可为64°。在一些实施方案中，每个牙轮可具有相同的锥角，而在其他实施方案中，至少一个牙轮可以具有与其他牙轮中的一个或多个不同的锥角。
牙轮可以围绕钻头轴线以牙轮分离角(即，投影在垂直于钻头5的轴线的水平面上的两个相邻牙轮轴线之间的最小角度)间隔开。例如，围绕钻头轴线均匀间隔开的两个牙轮将以180°的角度间隔开(即，具有180°的牙轮分离角)，并且围绕钻头轴线均匀间隔开的三个牙轮将以角度120°间隔开。然而，在其他实施方案中，两个或更多个牙轮可能不是均匀间隔开的。例如，两个牙轮可以具有170°的牙轮分离角。在一些实施方案中，两个牙轮可以具有140°至180°、150°至170°或160°的分离角。在三牙轮实施方案中，两个牙轮可以具有100°至140°、110°至130°或120°的牙轮分离角。
牙轮中的一个或多个可以具有牙轮偏移，其中牙轮的轴线稍微偏离钻头轴线5成角度。可以通过在垂直于钻头轴线5的水平面上从底部观察钻头来确定牙轮偏移。由与钻头的旋转方向的角度限定正偏移。由相对于钻头旋转方向的角度限定负偏移。当投影在水平面上时，通过钻头轴线5与牙轮轴线120之间的最小距离来测量牙轮偏移量。在一些实施方案中，每个牙轮可以具有正偏移，而在其他实施牙轮中，可以使用正偏移、负偏移或无偏移的组合。在一些实施方案中，每个牙轮可以具有负偏移。例如，在图3所示的钻头中，第一牙轮可以具有正牙轮偏移并且第二牙轮可以具有负牙轮偏移。可以相对于钻头的直径来表示钻头偏移量。例如，在一些实施方案中，牙轮偏移可以是每英寸钻头直径1/32英寸(或每毫米钻头直径1/32毫米)。然而，牙轮偏移量可以变化。
每个牙轮可以具有多行切削元件123并且每个牙轮的外径可以在对于牙轮121来说具有最大直径的行上在切削元件123之间具有缺口127(例如，圆弧状缺口)并且任选地，这些缺口可以在最外行与相邻行的切削元件123之间延伸。然而，可以使用任何合适的刀具布局，并且可以使用任何数量或设计的缺口。
在钻井操作期间，每个牙轮121可以沿着牙轮121的弧长102啮合地层。牙轮121的弧长102可以指牙轮121的一部分，所述部分从牙轮121的远侧点105延伸到将在钻井期间106沿着牙轮121的直径啮合地质地层的最后一个点。根据牙轮的几何形状，牙轮121的总圆周的不同百分比将啮合地层。例如，如图1至图3所示，牙轮121的圆周的大约50％可以啮合地层。过滤器125可以定位在牙轮121的中心附近。过滤器可以防止大的切屑和碎屑进入牙轮121和钻头本体103。
参考图3，钻头本体可以还包括中心腔室119，所述中心腔室包括活塞腔室153，所述活塞腔室具有远侧活塞腔室154和近侧活塞腔室155。中心腔室119可以与钻柱的中心钻孔流体连通。因此，可以通过钻柱向中心腔室119提供流体例如钻井流体。可以使用例如o形环或本领域已知的其他密封机构将活塞腔室153的至少一部分从中心腔室119密封。活塞腔室153可以包含流体例如空气和/或不可压缩的流体例如油。根据一些实施方案，活塞腔室153可以不与中心轴线5(即，纵向穿过钻头101的中心延伸的轴线)对准。根据其他实施方案，活塞腔室可以与中心轴线5对准。
钻头本体103可以还包括位于形成于钻头本体103中的多个凹口109中的多个喷嘴111、113。可以包括喷嘴111、113以将钻井流体从钻柱引导到钻头101的外部，以冷却牙轮121、切削元件123，并从工作区域清除钻屑。钻头本体103可以包括主喷嘴113和至少一个副喷嘴111。主喷嘴113可以大于副喷嘴111。主喷嘴113可以以比副喷嘴111更大的压力和/或速度提供流体。如图1和图2所示，主喷嘴113可以在牙轮121之间朝着钻头101的远端向下引导流体。两个牙轮121的构造可以形成液压通道115。然后，钻井流体可以沿着朝向钻头101的近端行进的液压通道115继续，以清除切屑。来自副喷嘴111的流体可以通过牙轮121引向钻头101的远端并进入液压通道115，在该液压通道中，流体可以朝向钻头101的近端行进。
流体可以如图3所示通过中心腔室119提供到喷嘴111、113。如上所述，中心腔室119可以与钻柱的中心钻孔流体连通，并且可以通过喷嘴桐庐118向喷嘴111提供流体。喷嘴可以基于所需的液压功能(例如，切削元件清洁、牙轮清洁、井底清洁、切屑排空、切削元件冷却等)而单独取向。在一些实施方案中，主喷嘴113可以被至少两个副喷嘴111替换。可以使用任何合适的喷嘴配置。
钻头本体103还可以包括至少一个量具衬垫107，以帮助维持量具并减少液压部件的损坏。量具衬垫107可以在其外表面上包括多个插入件108，并且在其前表面上的量具处或量具附近包括多个刀具110，以磨损地层并维持量具。钻头还可以沿着钻头本体的前缘包括与量具107相邻的一个或多个量具下刀具110a(例如，在量具衬垫与钻头本体之间的过渡处的本体的一部分上)。如果被设计成切削量具的牙轮的量具处的插入件123磨损或者如果钻孔中存在凸缘，那么量具下刀具110a可以修整未切削地层。在量具衬垫107之间可能存在间隙117，以允许钻井流体和切削向井上移动和流动。根据一些实施方案，量具衬垫107可以围绕钻头本体103对称地定位。根据其他实施方案，量具衬垫107可以不围绕钻头对称地定位。例如，如图1所示，量具衬垫107可以间隔开以靠近液压通道115形成间隙117。该间隙117可以比位于钻头本体103的相对侧上的一个或多个间隙117(其中期望较少的流体流)更宽。
如图3所示，使钻头101转位还可以包括驱动缸133，所述驱动缸耦接到每个牙轮121以形成牙轮组件。驱动缸133可以与例如螺纹连接件137连接；然而，驱动缸133可以使用任何合适的方法(例如，焊缝、铆钉、压配合件、整体/一体结构等)耦接到牙轮121。
图4示出了根据本公开的实施方案的两个互锁驱动缸133。多个齿状物139可以定位在每个驱动缸133的至少一部分上。齿状物139的间距可以分开约15°；然而，也可以使用任何合适的齿状物间距。例如，齿状物139的间距可为约5°至60°。驱动缸133的角度可以允许相邻驱动缸的齿状物139相啮合。如图3和图4所示，驱动缸133可以对应于牙轮角的角度互锁。例如，第一驱动缸133的至少一个齿状物139可以啮合第二驱动缸133的至少两个齿状物139。
在齿状物139啮合的情况下，向第一驱动缸133施加旋转运动会驱动(即，导致)第二驱动缸133的旋转。当牙轮121耦接到驱动缸133时，驱动缸133的旋转会导致对应牙轮121旋转。因此，当本公开涉及驱动缸133的旋转时，这意味着牙轮121也旋转，且反之亦然，除非另有说明。根据一些实施方案，超过两个驱动缸133可以定位在钻头101上。在这个实施方案中，向第一驱动缸133施加旋转运动可以驱动剩余驱动缸133的旋转。
参考图24，驱动缸133可以不互锁。在该实施方案中，每个驱动缸133分别旋转以使对应牙轮转位。驱动缸133可以各自啮合转位机构150以驱动旋转。参考图25，每个驱动缸133的多个齿状物139可以具有大致锯齿状轮廓，换句话说，齿状物139可以具有三角形截面。驱动缸133的齿状物139的轮廓可以是任何合适的轮廓，并且在其他实施方案中可以使用所描述各种实施方案的轮廓。例如，在具有非互锁驱动缸133的实施方案中使用相对于图4所述的驱动缸133几何形状，且反之亦然。另外，可以使用任何合适的数量和配置的驱动缸133。
再次参考图3，示出了转位机构150。转位机构被提供在本体103上，以既使驱动缸133转位又使驱动缸133锁定。转位机构可以被定位在活塞腔室153中。根据一些实施方案，整体式转位机构150可以使驱动缸转位并锁定。根据一些其他实施方案，转位机构150可以包括专用转位部件和专用锁定部件。
使驱动缸转位可以使未使用的和/或轻度使用的切削元件在钻井期间暴露于地下地层并且使受损切削元件不与地层接触。在一些实施方案中，使驱动缸转位可以使同一切削元件的不同部分暴露于地层。在一些实施方案中，转位可以暴露另一种类型的切削元件以钻出地层的与初始段具有不同地质特性的段。例如，可以使用锥形金刚石元件钻出第一段，同时可以使用具有锥形侧面的锥形金刚石元件钻出第二段。在一些实施方案中，可以暴露碳化钨或其他铣削元件(例如，以铣掉套管、柱塞或其他井下部件的一部分)，并且钻头随后转位以暴露锥形或其他切削元件以切削地层。根据一些实施方案，可以通过将驱动缸133例如通过至少一个齿状物139旋转离散的或预定的径向距离来执行转位。锁定驱动缸133防止牙轮121在钻井期间旋转移动。牙轮121的外部旋转移动可以导致牙轮121和驱动缸133的无效切削和过度扭转，这可能会导致钻头101的损坏。
在一些实施方案中，转位钻头可以被配置为将牙轮旋转它们的圆周的设定部分。例如，转位钻头可以被配置为使牙轮在总圆周的约5％与50％之间旋转(例如，圆周的约5％、8.3％、12.5％、16.7％、25％、33.3％、40％或50％)。在一些实施方案中，可能存在2与20之间的步骤或转位，以使牙轮完全旋转(例如，12个步骤或转位可以使牙轮完全旋转)。在一些实施方案中，转位钻头可以被配置为不管转位机构何时被致动，都继续转位。在其他实施方案中，转位钻头可以具有转位锁，以防止在一定数量的转位之后发生进一步转位(例如，钻头可能将暴露的铣削切削元件最初用作铣刀，然后可以将牙轮转位和旋转半转以暴露金刚石元件用于钻进地层，然后将钻头用作钻井钻头，其中锁定机构防止进一步转位)。
可转位轮
参考图20和图21，示出了根据本公开的另一实施方案的转位钻头的视图。如图20所示，转位钻头201包括钻头本体203，所述钻头本体在近端具有用于将钻头201耦接到钻柱的螺纹销端205。切削端位于钻头201的远端。具体地讲，钻头本体203的切削端可以包括至少一个轮221。如本文所使用的，“轮”是指具有位于其周边上的切削元件223的盘状结构。轮221的旋转轴线可以基本上平行于或基本上垂直于钻头201的纵向轴线。轮221的面的至少一部分可以与钻头本体203相连(确切地，每个面可以与钻头本体203相连)。在一些实施方案中，钻头可以包括轮221和固定刀片225的组合，包括至少一个轮221和至少一个固定刀片225。在一些实施方案中，钻头201可以包括多达例如六个轮221。可以使用轮223和固定刀片225的各种配置。
切削元件223可以在切削元件的切削端处包括各种形状，但不限于圆柱形切削元件(通常称为多晶金刚石复合片刀具或pdc刀具)，或延伸到顶点的锥形或其他非平面切削端，包括具有终止于顶点的凹侧表面或凸侧表面的切削端，或具有双曲抛物面或抛物柱面的切削元件或本领域已知的任何其他切削元件形状。例如，如图21所示，固定刀片包括圆柱形切削元件223(通常称为刀具)，而轮221包括圆锥形切削元件223。轮可以具有大致圆形轮廓，例如，轮可以是圆形、椭圆形、多边形或具有波浪状轮廓。
对于非圆形的轮形状，使轮转位可以导致钻头201的直径发生变化。例如，椭圆形轮将具有主轴(长轴)和副轴(短轴)。当邻近与主轴正切定位的轮表面定位的刀具啮合地层时，钻头201的直径将比当邻近与副轴正切的轮表面定位的刀具啮合地层时更大。在一些实施方案中，圆形轮可以偏离中心安装，这也允许钻头201的直径在轮转位时发生变化。如本文所使用的，术语“偏离中心安装”用于描述在除了轮的中心点之外的位置附接到钻头的轮。
如上文关于牙轮121所述，使轮221转位可以使未使用的和/或轻度使用的切削元件在钻井期间暴露于地下地层，并且使受损切削元件与地层脱离接触。可以通过将至少一个轮221旋转离散径向距离例如至少30°来执行转位。将轮221锁定防止轮221在钻井期间进行旋转运动。牙轮221的外部旋转运动可能导致轮221的无效切削和过度扭转，这可能导致钻头101的损坏。
转位机构
虽然相对于特定可转位结构(例如，牙轮121或轮221)描述了以下转位机构，但本领域技术人员将会理解，以下转位机构可以适于与牙轮121或轮221一起使用。
齿轮和转位轨道
参考图24至图26，示出了根据本公开的实施方案的转位机构150。转位机构包括转位缸2413，所述转位缸例如具有耦接到转位缸2413的远端的齿轮2411例如小齿轮以及邻近转位缸2413定位的活塞2420，使得转位缸的近端位于活塞2420中。在一些实施方案中，齿轮2411和转位缸2413可以形成为单个整体件。如图24所示，齿轮2411被定位成啮合两个驱动缸133的多个齿状物139。驱动缸2413以及因此齿轮2411的旋转将导致驱动缸133和牙轮121的旋转；然而，可以使用任何合适的齿轮2411和驱动缸133的结构。例如，每个驱动缸可以包括对应齿轮2411。
弹簧2440可以定位在由活塞缸2413和活塞2420形成的中心空腔2442中。弹簧2440可以是复位弹簧，以在没有流体流动的情况下朝向钻头101的近端偏置活塞2420。帽2441可以位于延伸穿过齿轮2411的转位机构的远端。帽2441的近端2443可以提供供弹簧2440作用的表面，使得活塞2420可相对于转位缸2413、齿轮2411和钻头本体103向上和向下轴向移动。可以包括补偿活塞2445以向弹簧2440和活塞2420提供油，以补偿在将牙轮组件转位时由于活塞的相对运动引起的波动油量。密封件(诸如o形环2610)可用于将中心空腔与活塞腔室隔离。
参考图26，转位缸2413包括定位在其外表面上的转位通道2414。转位通道2414可以是周向位于转位缸2413上的连续通道。在一些实施方案中，转位通道2414可以包括由大致笔直部分2415和倾斜部分2416组成的交替循环。如本文所使用的，循环可以在直线部分2415处“开始”并且移动到转位通道2414的相邻笔直部分2415。下一循环从转位通道2414的相邻最远侧位置开始。
参考图24和图26，活塞2420可以包括转位销2421。转位销2421从活塞2420的内壁突出并与转位通道2414啮合。当活塞2420向上和向下轴向冲击时，转位销2421在转位通道2414中行进。转位销2421的突出部分(即，啮合转位通道2414的部分)的轮廓可以是菱形的。当转位销2421在转位通道2414中移动时，菱形的倾斜轮廓可以有助于保持恒定的扭矩，并且还可以促使销2421进入轨道的下一倾斜部分2416，而不是沿着先前行进的倾斜轨道2416向上返回。突出部分的几何形状可以是任何合适的形状，例如圆形、卵形、正方形、矩形等。
齿轮2411可以在操作期间将牙轮锁定在适当位置。然而，在相同或其他实施方案中，提供锁定机构2430以在钻井操作期间锁定牙轮121，这也可以减少齿轮2411上的磨损。参考图25，至少一个突出轨道2425可以定位在活塞2420的上端。至少一个轨道突起2425可以包括大致笔直部分2427和倾斜部分2426。参考图25和图26，可以提供锁定机构2430例如锁定销，以沿着突出轨道2425啮合和行进。锁定机构2430可以包括用于啮合突出轨道2425的槽，用于在它们之间进行相对运动。在钻井操作期间，锁定机构2430将对应牙轮121啮合并锁定在适当位置。具体地讲，锁定机构2430的远端2431可以啮合位于对应牙轮121中的多个空腔2620之一以锁定牙轮121。在一些实施方案中，锁定机构2430可以是弹簧加载荷的。
活塞2420可以包括锁定表面2423，以在将锁定机构2430与对应牙轮121啮合之前预加载荷于对应驱动缸133。在一些实施方案中，至少一个锁定表面2423可以是弹簧加载荷的，例如以适应活塞2420的锁定表面2423与牙轮133之间的公差叠加。因此，每个牙轮组件可以具有对应锁定机构2430和锁定表面2423。
在钻井操作期间，钻柱可以旋转，从而旋转位于其远端处的钻头101。牙轮组件，包括牙轮121和驱动缸133，可以啮合并钻进地层。在钻井期间，牙轮组件可被锁定以相对于钻头和钻柱保持静止。在其他实施方案中或依据正在钻井的地层的类型，牙轮可以在钻井期间被解锁并自由旋转。在预定或设定量的时间、距离或任何其他因素内钻井之后，或在确定啮合地层的切削元件123受损后，或因为任何其他原因，可以将牙轮组件转位以使未使用的或轻微受损的切削元件暴露于地层，或旋转牙轮以暴露不同的切削结构。当牙轮121旋转时，切削元件123的先前未暴露的边缘或面可啮合地层。这可以增加切削元件的疲劳寿命，因为切削元件123的先前未暴露的边缘可能比切削元件123的受损边缘更尖锐。
切削元件可以通过任何合适的方式被确定为受损，例如通过将传感器置于井下(在切削元件内或其附近或在钻头附近)来监测切削元件123，计算切削元件在相关钻井条件下多长时间受损，和/或监测钻柱在地层中的进展(即，如果钻柱未以预期速度切削地层，则可以推断出切削元件受损)。传感器可以监测切削元件的一部分的磨损，例如在操作期间与地层啮合的切削元件的磨损。在检测到受损切削元件时，传感器可以触发引起或以其他方式导致转位机构被致动将牙轮转位的信号。在一些实施方案中，在检测到受损切削元件时，操作者可以手动地致动转位机构以使牙轮转位。
如上所述，在操作期间将流体提供给钻头101，使转位机构如图24至图26所示定位。具体地说，流体流增加了钻头本体103的中心腔室119内的压力，这对活塞施加力，从而使弹簧2440压缩，如图24所示。当弹簧2440被压缩时，活塞2420被推向钻头本体103的远端并且转位销2421向下一个循环的开始或相邻的直段2415移动，如图26所示。
可以通过减少通往钻头的流体流且因此增加通往钻头的流体流而循环提供给钻头的流体流来使牙轮组件(例如，驱动缸133和牙轮121)转位。如上所述，当提供流体流时，锁定组件并且活塞2420处于冲程的远端。当流体流量减小到允许弹簧2440展开的速率时，活塞2420将朝向钻头101的近端轴向地移动。活塞2420的移动导致转位销2421相对于转位通道2414移动。如图26和图28所示，当活塞2420和转位销2421向钻头101向近侧移动时，转位销2421从转位通道2414的大致笔直部分2415移动到倾斜部分2416。将转位销2421移动穿过倾斜部分2416导致转位缸2413和齿轮2411旋转，从而使牙轮组件旋转并部分转位。
图27和图29示出了当弹簧2440在无流体流动或流体流动较少的情况下展开时，转位组件的位置。如图所示，活塞2420和转位销2421处于相应近侧位置。从这个位置，并且为了使牙轮完全转位，可以向钻头提供流体流以将弹簧2440压缩回到图24所示的位置。当弹簧2440压缩时，活塞2420和转位销2421被轴向推向钻头101的远端。为了适应转位销2421在转位通道2414中行进的轴向移动，转位缸2413和齿轮2411旋转。齿轮2411的旋转导致牙轮组件旋转，从而将牙轮组件转位到下一位置。一旦转位，转位机构将位于图24至图26所示的位置，其中弹簧2440被压缩，活塞2420定位在钻头本体103的远端，并且转位销2421位于循环的远端。
在一些实施方案中，液压阀可以被定位成控制活塞2420上的压力。液压阀可以是电子地或以其他方式控制的，例如当钻头离开钻孔底部时，由操作者进行操作。该实施方案可以还包括返回活塞，以使转位机构150开始循环。根据该实施方案，转位销2421的移动可能不是由流体流确定的，而是由操作者确定的。这允许转位机构150使牙轮121连续地转位，而不影响流体流。当希望牙轮121具有特定位置例如距离当前位置为120度或180度时，可以使牙轮121多次转位。可以提供位置传感器来指示牙轮121何时转位或何时处于期望位置。位置传感器可以被配置为提供井上位置的指示，使得操作者能够确定转位位置。
在包括锁定机构2430的实施方案中，在钻井操作期间(即，在存在流体流的情况下)，锁定机构2430如图25和图26所示位于突出轨道2425的最近端。在该位置，锁定机构2430啮合空腔2620以将对应牙轮组件锁定在适当位置。当牙轮组件正转向时，流体流量减小到允许允许弹簧2440展开的速率。活塞2420朝向钻头101的近端轴向地移动，从而导致锁定机构2430沿着突出轨道2425移动。当锁定机构2430沿着突出轨道2425的倾斜部分2426移动时，锁定机构2430如图30所示脱离牙轮121中的空腔(在图26中，2620)。
当弹簧2440完全展开并且活塞2420处于图27所示的近侧位置时，锁定机构2430将如图31和图29所示位于突出轨道2425的远端处。在一些实施方案中，当锁定机构2430位于突出轨道2425的远端时，锁定机构2430可以是弹簧加载荷的，用于部分地啮合对应牙轮121。如本文所使用的，短语“部分啮合”用于意指锁定机构2430接触例如位于空腔2620之间的空间中的牙轮121，但不啮合空腔2620。锁定机构2430与对应牙轮121部分啮合可以在弹簧展开时，减少牙轮的移动运动或“抖动”。部分啮合锁定机构2430还可以通过缓解可能在低流量期间转移到转位机构的扭矩来防止转位机构150的损坏。
如上所述，增加流体流以完成牙轮组件的转位。流体流增加会压缩弹簧2440并将活塞2420移向钻头101的远端，从而导致锁定机构2430沿着突出轨道2425朝向轨道的近端移动。当锁定机构2430到达突出轨道2425(图25)的近端时，锁定机构2430将移动以啮合空腔2620，由此锁定对应牙轮组件以进行钻井操作。可以使用其他或附加的方法来使牙轮组件转位并任选地锁定。例如，在一些实施方案中，可以使用电磁动力来使牙轮转位、锁定和解锁，而不改变井下的流体压力。
具有转位取向环的臂
转向图5至图7，示出了根据本公开的实施方案的转位机构150。转位机构150包括臂501，所述臂具有第一枢轴503和第二枢轴505。臂501可以被定位成使得臂501的至少一部分与钻头本体103的中心轴线5交叉。第一枢轴503可以耦接到活塞510，而第二枢轴505可以耦接到转位取向环509。棘爪507被定位在形成于臂501内在第一枢轴503与第二枢轴505之间的凹窝中。棘爪507偏置成从臂501向外摆动并且啮合驱动缸133的一个或多个齿状物139。
转位取向环509被定位在耦接到第二枢轴505的臂501的远端。因此，转位取向环509可以相对于臂501例如以约60°的运动范围枢转。根据其他实施方案，运动范围可以在15°-100°的范围内。转位取向环509接纳至少两个驱动缸133的内唇140。内唇140可以与齿状物139同心地定位。在一些实施方案中，转位取向环509保持转位机构150相对于驱动缸133的适当取向。臂501的近端可以在第一枢轴503处耦接到活塞510。臂501可以相对于活塞510例如以约60°的运动范围枢转。根据其他实施方案，运动范围可以在15°-70°的范围内。
活塞510包括具有位于远端的锁定表面512的远侧活塞部分511和具有位于其外圆周上的密封组件515的近侧活塞部分513。远侧活塞部分511的至少一部分可以同心地定位在近侧活塞部分513内。远侧活塞部分511和近侧活塞部分513可以形成为与例如螺纹、铆钉、螺钉或其他机械紧固件耦接的两个部件。根据一些实施方案，活塞510可以形成为一个整体件。
简要地参考图7，远侧活塞部分511可以包括狭槽514。狭槽514纵向地位于远侧活塞部分511的表面中。阀板517和弹簧516可以定位在狭槽514内。当活塞510上下行进时，阀板517相对于钻头体103保持静止。阀板517垂直于狭槽514的轴线定位，并且可以包括延伸到狭槽514中的两个突片。阀板517提供供弹簧作用的表面，使得活塞510可相对于阀板517和钻头本体103上下移动。阀板517的打开允许位于活塞腔室153中的流体(例如，空气和/或油)在远侧活塞腔室154与近侧活塞腔室155之间移动。
弹簧516可以定位在活塞510内。根据一些实施方案，活塞可以不包括弹簧。根据一些实施方案，弹簧516可以使活塞510在井上位置中偏置(即，朝向地面并且在所示实施方案中远离驱动缸133)。换句话说，在中心腔室119内的低流体流量或低压期间，活塞510可以处于图5所示的中性位置，也就是说，臂501处于展开位置并且棘爪507正在啮合一个或多个齿状物139。活塞510基本上定位在近侧活塞腔室155中，使得密封组件515被定位在近侧活塞腔室155的近端。
可以通过首先向钻头本体103的中心腔室119提供高的流体流率，利用具有转位取向环509的臂使牙轮组件(例如，驱动缸133)转位。可以例如从地面通过钻柱提供流体。高的流体流率可以增加中心腔室119内的压力，这对活塞510施加力，使得活塞510在活塞腔室153内朝向驱动缸133行进(即，轴向移动)。例如，远侧活塞部分511可以移动到远侧活塞腔室154中，并且密封组件515可以朝向近侧活塞腔室155的远端移动。旋转传感器可以定位在钻头本体103上，以监测牙轮组件的径向位置。
在活塞510的冲程期间，棘爪507可处于展开并与驱动缸133的至少一个齿状物啮合的第一位置。随着活塞510移动，从而相对于活塞510枢转臂501，棘爪507可以使驱动缸133旋转预定或设定的径向距离。此外，转位取向环509可以相对于臂501枢转和旋转，使得两个驱动缸133可以相对于转位机构150适当地取向。当远侧活塞部分511在远侧活塞腔室154内移动时，位于活塞腔室153中的流体也可以通过阀板517从近侧活塞腔室155移动到远侧活塞腔室154。
在冲程终点，可以将活塞510推入钻头本体103的远侧活塞腔室154中。当活塞510到达冲程终点时，锁定表面512可以将驱动缸133啮合并锁定在适当位置。参考图6，当处于压缩位置时，臂501可以相对于活塞510枢转，使得其处于大致水平位置。可以将棘爪507推到臂501中的凹窝中。弹簧516可以处于压缩位置。远侧活塞部分511可以基本上位于远侧活塞腔室154中，使得锁定表面512啮合驱动缸133的齿状物139。根据一些实施方案，锁定表面可以啮合驱动缸133之一上的齿状物139，并且在一些实施方案中，密封组件515可以定位在近侧活塞腔室155的远端。
当中心腔室119中的流体压力减小时，活塞510可以向井上轴向地移动，使锁定表面512脱离传功缸133，并使棘爪507脱离至少一个齿状物139。
具有双重啮合扳手的臂
转向图8和图9，示出了根据本公开的实施方案的转位机构150。转位机构150包括具有第一枢轴803的臂801。臂801可以被定位成使得臂801的至少一部分与钻头本体103的中心轴线5交叉。第一枢轴803可以耦接到活塞810。扳手807可以定位在臂801的远端。扳手807可以如图9所示啮合至少两个驱动缸133的一个或多个齿状物139。取向环809围绕这两个驱动缸133的内唇140定位。取向环809保持驱动缸133在转位期间的取向。
臂801可以在第一枢轴803处耦接到活塞810。臂801可以相对于活塞810枢转，例如运动范围为约60°。根据其他实施方案，运动范围可在15°至70°的范围内。活塞810与相对于具有转位取向环实施方案的臂所描述的活塞510类似。相同的数字表示相同的部件。例如，810和510是指活塞；然而，活塞810与活塞510之间可能存在差异(例如，活塞810可能并不包括定位在狭槽814中的阀板，如图8所示)。然而，远侧活塞部分811可以包括开口818，所述开口实现远侧活塞腔室154与近侧活塞腔室155之间的流体连通。本文所公开的实施方案可以在具有阀板514和不具有阀板514的情况下实践，而不脱离本公开的范围。
可以通过首先向钻头本体103的中心腔室119提供高的流体流率来将牙轮组件转位。高的流体流率可以增大中心腔室119内的压力，这向活塞810施加力，从而导致活塞810在活塞腔室153内朝向驱动缸133行进(即，轴向地移动)。例如，远侧活塞部分811可以移动到远侧活塞腔室154中并且密封组件815可以移向近侧活塞腔室155的远端。
一开始，臂810可以处于展开位置，并且扳手807可以啮合至少两个驱动缸133的至少一个齿状物139。当臂801随着活塞810移动并枢转时，扳手807也移动，由此使至少两个驱动缸133旋转预定或设定的径向距离。一旦活塞810到达冲程终点，锁定表面812啮合驱动缸133。
棘爪驱动式牙轮驱动
转向图10至图13，示出了根据本公开的实施方案的转位机构150。转位机构150包括牙轮驱动器1002，所述牙轮驱动器具有驱动缸环1008、钩1004和围绕驱动缸环1008的圆周定位的多个棘爪1006，如图12所示。多个棘爪1006可以沿着径向向外方向偏置。
牙轮驱动器1002可以耦接到驱动缸环1008，例如，牙轮驱动器1002可以是单件式的，使得钩1004如图13所示邻近驱动缸环1008的下唇定位。根据一些实施方案，牙轮驱动器1002和驱动缸环1008是可例如通过压配合件、螺纹和/或机械紧固件耦接的单独部件。驱动缸环1008可以定位和/或耦接到至少一个驱动缸1033的内径。驱动缸1033可以具有内径的至少一部分，所述至少一部分具有锯齿状轮廓1034以啮合棘爪1006。当棘爪1006与锯齿状轮廓1034啮合，驱动缸1033将随着牙轮驱动器1002一起旋转。
活塞1010与相对于具有上述转位取向环的臂所描述的活塞510基本上类似，但下文识别出了一些差异。相同的数字表示相同的部件，例如，1010和510是指活塞。活塞1010，确切地说，远侧活塞部分1111包括指状物1022以啮合钩1004。如图10所示，当活塞1010在压缩位置时，指状物1022将啮合钩1004，导致牙轮驱动器1002的旋转。牙轮驱动器的旋转将棘爪1006旋转成与驱动缸1033的锯齿状轮廓1034啮合。提供锁定表面1012以将驱动缸1033在冲程的顶部锁定在适当位置。当驱动缸1033不再被棘爪1006旋转时，锁定表面1012可以锁定驱动缸1033。例如，一旦指状物1022啮合在臂1004的狭槽1044中，牙轮驱动器1002和驱动缸1033的旋转暂时停止，使得驱动缸1033可以被锁定在适当位置。
在图11所示的解压缩位置，活塞1010可以被定位在近侧活塞腔室155的近端。钩1004朝向钻头101的近端偏置并且棘爪1006脱离锯齿状轮廓1034。
可以通过向钻头本体103的中心腔室119提供高的流体流率来使牙轮组件转位。中心腔室119中的压力增大可以导致活塞1010朝向驱动缸1033行进。随着活塞1010的轴向移动，指状物1022可以啮合牙轮驱动器1002的钩1004。一旦啮合，指状物1022可以导致当活塞1010继续朝向驱动缸1033行进时，牙轮驱动器1002旋转。
随着牙轮驱动器1002的旋转，棘爪1006旋转并啮合位于驱动缸1033的内径上的锯齿状轮廓1034。当棘爪1006随着牙轮驱动器1002一起旋转时，驱动缸1033也旋转。因此，牙轮驱动器1002的旋转直接驱动至少一个驱动缸的旋转。一旦活塞1010到达冲程终点时，锁定表面1012将啮合并锁定至少一个驱动缸1033。
指状物驱动
图14至图16示出了根据本公开的实施方案的转位机构150。转位机构150包括定位在活塞1410内部的驱动指状物1402。弹簧1420可以在活塞1410的腔室1415内定位在驱动指状物1402的近端。在一些实施方案中，弹簧可以是扭转弹簧1420并且可以向腔室1415提供扭转构件1520以取向由扭转弹簧1420导致的驱动指状物的转向运动。如图16所示，根据一些实施方案，弹簧1616可以被定位在活塞1410中以使活塞1410沿着上向钻孔方向偏向钻头本体103的近端。
指状物驱动器可以用于通过向钻头本体103的中心腔室119提供高的流体流率来使牙轮转位。由流体导致的高的压力可以将活塞1410推向活塞腔室153的远端。活塞1410朝向活塞腔室153的远端的轴向移动同样导致驱动指状物1402朝向邻近活塞腔室153的远端定位的驱动缸1033移动。在轴向移动期间，驱动指状物1402可以啮合至少一个驱动缸1033的至少一个齿状物139。在其中弹簧1420为扭转弹簧的实施方案中，驱动指状物1402的旋转可以允许驱动指状物1402啮合至少一个齿状物139已进行转位。因此，当活塞1410继续朝向活塞腔室153的远端行进时，驱动指状物1402可以旋转驱动缸1033中的至少一个。当驱动缸1033在远端具有互锁齿状物139时，这两个驱动缸均旋转。一旦活塞1410到达冲程的远侧，定位在活塞1410的锁定表面1412上的齿状物可以啮合驱动缸1033中的至少一个并将驱动缸1033锁定在适当位置。
当中心腔室119中的压力被释放时(例如，由于钻井流体压力的降低而引起)，活塞1410，包括驱动指状物1402，朝向中心腔室119的近端缩回。这允许转位机构150重置以进行下一个转位。驱动指状物1402可以在1410内旋转，允许驱动指状物1402的棘爪尖端摆动并将自身重新定位在齿状物下方。扭转弹簧1420驱动该运动。
指状物驱动器的液滴变化
图17示出了转位机构150的另一实施方案。转位机构包括定位在活塞1710内的驱动指状物1702。一对可旋转板条1770邻近驱动指状物1702的近端定位。可以使用任何合适数量的板条。板条1770可以包括具有大致平面1772的部分。如图17所示，大致平面1772可以啮合驱动指状物1702的近端1774，从而将驱动指状物1770相对于活塞1710固持在适当位置。
可以提供锁扣1776以用于将板条1770的大致平面1772朝向驱动指状物1702的近端1774定位。锁扣1776可以相对于活塞1710轴向地移动。例如，一对狭槽1714可以定位在活塞1710中以允许锁扣1776的轴向移动。如图17所示，锁扣1776啮合板条1770，所述板条继而啮合驱动指状物的近端1774。当锁扣1776不与板条1770啮合时，板条1770的大致平面1772可以朝向彼此向内旋转，使得驱动指状物1702朝向活塞1710的近端轴向地移动。
液滴指状物驱动器可以用于通过向钻头本体103的中心腔室119提供高的流体流率而使牙轮组件转位。由流体导致的高的压力可以将活塞1710推向活塞腔室153的远端。活塞1710朝向活塞腔室153的远端的轴向移动同样导致驱动指状物1702朝向邻近活塞腔室153的远端定位的驱动缸1033移动。
在轴向移动期间，驱动指状物1702可以啮合至少一个驱动缸1033的至少一个齿状物139。因此，当活塞1710继续朝向活塞腔室153的远端行进时，驱动指状物1702可以旋转至少一个驱动缸1033。当活塞1710朝向驱动缸1033行进时，锁扣1776可以啮合位于活塞腔室153的内径上的突起。一旦锁扣1776啮合突起，活塞1710将继续朝着钻头101的远端行进，从而引起活塞1710和锁扣1776之间的相对轴向运动。这种相对的轴向运动导致锁扣1776脱离板条1770。
随着锁扣1776不再支撑板条1770，驱动指状物1702与驱动缸1033之间的啮合力导致驱动指状物1702向上移动并且朝向板条1770轴向移动。驱动指状物1702的这种轴向运动使板条1770向内旋转，使得大致平面1772基本上平行。因此，驱动指状物1702可以脱离驱动缸1033。同时，活塞1710可以继续轴向移动，直到活塞1710到达行程的远端。在冲程终点，锁定表面1712可以啮合齿状物139以将驱动缸1033锁定在适当位置。
螺旋驱动
图18示出转位机构150的另一实施方案。转位机构150包括至少两个同心定位的螺旋构件1882、1884，从而形成位于驱动套筒1881中的螺旋驱动装置1880。同心定位的螺旋构件可以相对于彼此旋转和滑动。转位机构150还可以包括沿着螺旋构件1882、1884的中心轴线18定位的弹簧1816。至少一个棘爪1886可以位于螺旋驱动装置1880的远端，以用于向牙轮121提供棘轮运动。至少一个端口1888可以位于至少一个螺旋构件(例如螺旋构件1884)的壁中。端口可以与至少一个锁定机构流体连通。例如，一旦螺旋构件1882和1884对准以允许流体进入端口1888，则可以致动液压锁定机构。
可以通过向螺旋驱动器提供流体流而利用螺旋驱动器使牙轮121转位。例如，两个活塞，各自具有不同的尺寸，可以在钻头的近端中用作压力放大器。提供给钻头的钻井流体可以通过阀门进入转位机构150的螺旋构件1882和1884，所述阀首先重新定向加压的液压流体以旋转螺旋构件1882和1884。一旦牙轮121转位到期望位置，端口1888可以与位于驱动套筒1881上的对应端口对准，以启动锁定机构来将牙轮121锁定在适当位置。
电机驱动
图19示出转位机构150的另一实施方案。转位机构150包括轴1990，所述轴在其远端具有齿轮1992。齿轮1992可以啮合至少一个驱动缸133。轴1990的近端可以耦接到马达，例如，涡轮机、泥浆马达或容积式马达。旋转传感器或馈送机构可以位于马达上以监测马达和牙轮组件的旋转或者旋转传感器或反馈机构可以如上所述位于钻头上。根据一些实施方案，轴1990可以位于活塞中。活塞可以与例如具有锁定表面512的活塞510类似。轴1990可以相对于活塞轴向地移动。
可以通过利用马达旋转轴1990和齿轮1992来利用马达使驱动缸133转位。一旦牙轮121已经转位到期望位置，则可以停止马达。这可以充当锁定机构。在另一实施方案中，可以向中心腔室提供流体流，导致活塞朝向驱动缸133轴向移动并且使锁定表面与驱动缸133啮合。
现在转向图21，转位机构250可以是马达2150，例如，涡轮机、泥浆马达、容积式马达或耦接到轮221以使轮221旋转并转位的任何其他合适的旋转机构。马达2150可以被布置成使得转子固定到钻头本体并且定子位于轮221上，以驱动钻头的旋转。马达2150可以被液压地或气动地致动。也就是说，液压或气动流体流2101可以用于驱动马达2150以旋转轮221。马达2150或轮221可以包括旋转传感器或反馈机构以监测马达2150的旋转。在一些实施方案中，马达可以被电子地致动。
为使轮221转位，钻柱可以略微升高，使得轮221不向井筒的底部施加压力。例如，可以升高钻柱以建立连接。马达2150可以例如被液压地致动，从而旋转轮，使轮221转位，以暴露未使用或轻度使用的切削元件223(例如，以旋转轮，从而暴露轮的不同部分)。旋转传感器可以指示轮221何时转位到期望位置，此时可以使用锁定机构将轮锁定在适当位置和/或向钻柱重新施加压力以将轮223锁定在适当位置。在其他实施方案中，可以将轮221旋转到随机位置(即，不利用传感器监测旋转)并且可以降低钻柱以接触井筒的底部。钻压201可以是充分的以在恢复钻井之前，将轮锁定在适当位置。
喷射驱动
图22示出了转位机构250的另一实施方案。转位机构可以是位于中心腔室253中的喷嘴2250。喷嘴2250可以邻近轮221的近端2223定位。喷嘴2250可以提供流体流以旋转轮221。例如，为使轮221转位，钻柱可以升高，使得轮221不向井筒的底部施加压力。可以向喷嘴2250提供流体，喷嘴将流体喷射引导到轮221，从而使轮转位。在一些实施方案中，轮可以转位到随机位置。在其他实施方案中，可以例如通过在预定量的时间范围内喷射流体来将轮转位到期望位置，或者来自旋转传感器的信号可以指示停止流体喷射并向钻柱重新施加压力以将轮221锁定在适当位置。
弹簧偏置的可转位构件
图23示出了转位机构250的另一实施方案。转位机构250可以在凹口2354中包括弹簧2350，所述弹簧的一端耦接到钻头本体201并且另一端耦接到轮221的突起2355。钻头本体201可以包括狭槽2351，所述狭槽接纳轮221的突起2355。在向钻柱施加压力并且轮221接触井筒底部时，突起2355定位在狭槽2351的近端2352上，从而接触弹簧2350，如图23所示。当希望使轮转位时，钻柱可以从井筒的底部的升高。当钻柱对井底的接触力不再作用于弹簧2350时，弹簧可以沿着狭槽2351延伸并推动轮，从而使突起2355朝向狭槽2351的远端2353移动。为了使轮221转位，钻头可以在钻孔中向上和向下移动以旋转轮221。轮对钻孔壁的接触力可能会生成拖动力来旋转轮。为了再次钻井，钻柱和钻头本体201可以相对于钻孔的底部降低，以将轮锁定在适当位置。在一些实施方案中，传感器，包括但不限于旋转传感器和用于监测切削元件的传感器，可以位于钻头本体上，以有助于使轮转位。
命令系统
根据本文所公开的实施方案的钻头可以包括命令系统。命令系统可以是位于钻柱例如钻柱101中、邻近钻头或位于钻头的井上替代物中的与地面上的设备通信的电子控制模块。命令系统可以通过遥测、有线、泥浆脉冲或任何合适的通信与地面通信。命令系统还可以是位于地面上与各种传感器通信并且监测位于钻柱和钻头中的工具的电子控制模块。可以使用任何合适的命令系统。命令系统可以为地面上的用户或操作者提供用于根据本文公开的实施方案监测和转位钻头的工具。
可以向钻头提供多个传感器以监测钻头和牙轮组件的状况和位置。例如，操作者可以使用被提供来监测磨损的传感器来监测位于钻头103上的刀具123的磨损。基于刀具的磨损量(即，如果刀具123受损，使得刀具123在穿透地层时效果较差)，操作者可以发送信号以使牙轮121转位。例如，如果可转位结构被液压致动，则可以发送信号以例如打开阀，从而增加通往转位机构的流体流，或者可以发送信号以增加井下流体流。在一些实施方案中，一旦可转位结构已转位到期望位置，则可向地面发送信号，使得转位可以停止并且可以恢复钻井。可以提供位置传感器以确定切削深度以及牙轮121的哪个部分正在啮合地层。旋转传感器也可以位于钻头103上或以其他方式耦接到钻头103，以监测至少一个可转位结构(即牙轮或轮)的位置。可以使用一个或多个传感器用于任何上述转位机构中的任一个。
已经详细描述了几个示例性实施方案；然而，本领域技术人员将理解，可以在不脱离本文公开的具体实施方案的情况下作出修改。例如，转位机构可以包括蜗杆驱动装置、其他驱动机构或所描述实施方案的其他变型。此类修改旨在包括在本公开的范围内。关于本文实施方案所描述的任何元件均可以与本文所述的任何其他实施方案的任何元件组合。
在权利要求书中，任何装置-加-功能条款均旨在涵盖本文描述为执行所述功能的结构，并且不仅包括结构等效物，而且包括等效结构。因此，虽然钉子和螺钉可能不是结构等效物(因为钉子采用圆柱形表面将木制部件固定在一起，而螺钉采用螺旋形表面)，但在紧固木制部件的情况下，钉子和螺钉可为等效结构。除在权利要求书中与相关功能一起使用词语“用于......的装置(meansfor)”表述的情况外，申请者的表述并非旨在援引装置-加-功能或其他功能要求来对权利要求中任一项进行任何限制。对归属于权利要求书的意义和范围内的实施方案作出的每个增加、删除和修改均包括在权利要求书中。