专利名称：钻井装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及钻井装置，尤其是涉及一种适于在一导向套管的引导下在地中钻及铰一个孔的钻井装置。
在钻井时想要携带一套管，就必须使钻井装置的回旋半径比套管的半径大。当钻井工作结束时，该钻井装置还须从在已钻好的井内定位的套管抽出，因此，此钻井装置在横向平面内还必须具有一能在套管外径处钻出一个孔的第一位置移到某一该钻井装置处于套管内径以内的位置的径向位移量，只有这样，该钻井装置才能从套管中抽出。
迄今为止，已有几种公知结构可以达到此目的，例如，在美国专利US3,848,683中及一种被称为BULROC(RTM)的表土钻进系统的商用钻进系统中所公开的内容。尽管这些系统采用了不同的方法来满足钻直径过大的井及钻后钻井装置可从套管内抽出的需求，但是，它们的相同点都是在具有一复杂杆部的钻进头上设置一粗螺距螺钉，以使钻进头或钻进头上的铰孔连接件绕固定于钻进头上的驱动装置相对转动，钻进头/铰孔连接件先是置于一偏心位置以钻出一直径过大的井，而后钻进头/铰孔连接件置于套管内径以内，使其可从套管内退出。
尽管这些系统很有效，但它们相对来讲比较复杂并且比较昂贵，而且钻进头/铰孔连接件有任何磨损后，将会导致整个钻进头及杆部全部报废。
在另一些方案中，上述缺陷可以被克服，如英国尚未批准的申请第9609078号所公开的，一个驱动装置有一从其前端凸出的杆；一钻进头有一与该驱动装置前端面紧密贴合的后端面和一支撑孔，杆与孔间隙配合以使钻进头可绕驱动装置相对转动，杆与支撑孔中至少有一个的轴线与对应驱动装置及钻进头的轴线偏离；一个将钻进头可拆卸地固定在杆上并阻止钻进头相对杆轴向运动的装置；及一个限制钻进头与驱动装置间相对转动角度的装置。尽管此方案与当时的现有技术相比有显著的进步，但是，这种结构与当时的现有技术一样，形成一种钻进头，此钻进头有一钻头，该钻头在向下钻井筒时，转到一个偏心位置，并以某一径向距离钻出一个直径过大的井，从而允许一导向套管下到井筒内，钻进头的反向旋转使钻头收回到套管内径以内以使其可以在钻井工作结束后从套管内退出。
这种偏心转动状态的结果是仅仅钻几米深后，磨损量就会很可观，有时磨损十分严重导致钻头偏心部分上的硬质合金球齿钻头脱落。同时，由于钻头偏心设置使得作用在钻头顶部接头上的扭矩载荷出奇的大，除非在钻井时十分小心地操作，否则，扭矩载荷会超出钻头顶部接头材料的最大剪切应力，导致钻头头部剪断、脱落，需要抽出钻杆更换，从而导致延长并且是难以接受的停工时间。
而且，偏心钻头还有个缺陷，它是两活动体系统中的一部分，因此，锤作用在钻进头上的冲击力是间接传给钻头，再传给偏心钻头的，其结果是能量被极大地浪费，钻井速度下降。
根据本发明，一个钻井装置包括一钻进头，及一个置于钻进头端部的钻头装置，该钻头装置包括至少两个位于朝向钻进头端部且均匀分布的配合凹槽内的扇形体，这些扇形体每一个都是可转动安装的，都可从一处于钻头外径限定范围内的不工作位置转到一个超出钻头外径同样角度的工作位置。
尽管可以设置两个这样的扇形体，但是最好是设置三个，每个都是可转动地安装并可从不工作位置转动90度到工作位置。
为简化钻进头的结构，可以使其有一平的最外端面，此端面垂直钻进头轴线，并且在其周边上设有凹槽，这些凹槽上设有一孔，孔内放置对应扇形体的一销轴，该钻进头上还设置有一中心孔以接收一端盘的杆，此杆可被锁止在孔内以将此端盘固定在扇形体的上方位置，以确保这些扇形体滞留在凹槽内。
端盘上的杆与钻进头上的孔滑动配合，此杆通过一穿过钻进头并与此杆表面上的一个槽接合的横销来固定。最好，孔与杆都带有相应螺纹以将端盘固定，当然，横销可以作为一个附加安全装置。
钻头上应有一贯穿其基体的孔，端盘上的杆也应有一与贯穿端盘的倾斜设置的空气通道相通的中心孔，钻进头周边最好设置一些其数量与扇形体数量相对应的纵向凹槽。同时，在各扇形体凹槽与贯穿钻进头的中心孔之间设置有一条空气通道，使二者相通。因此，当压缩空气进入钻孔装置后，一股空气通入钻进头外部后，其中一部分空气进入扇形体凹槽内将碎屑吹出凹槽，进而流过各空气通道最后从钻进头的中心孔内喷出，剩下的压缩空气进入井的底部将碎屑经端盘内的空气通道，经其杆的一中心孔，吹到钻进头的中心孔内，进而携带这些碎屑向上流出锤钻装置。
端盘的暴露面上设置有一组切割件，如球齿钻头，作为扇形体面对正在钻出的井底面的表面。此外，最好在扇形体顺着钻进头转动方向的侧面上也设置一些这样的切割件，如球齿钻头。
因此，当钻井装置与地面垂直接触后，在锤与转动驱动装置的作用下，切割钻头的前端面插入地下，当扇形体的侧面开始挖掘井的侧壁时，扇形体逐渐向外旋转直至完全参与工作。在钻井工作结束后，钻进头的反向转动，可以使扇形体又转回到其非工作位置，从而使钻进头可从钻井时随钻进头一起下到钻井中的套管内退出。
本发明钻井装置的这种结构可使切割件同心布置在扇形体上从而完全避免了作用在扇形体销轴上的扭矩载荷，消除了一导致钻井失败的主要因素。为使扇形体运动更自如，可以在各销轴上设置一由合适塑料材料制成的衬套，以减小，甚至消除任何阻止各扇形体在其工作与非工作位置间转动的磨擦作用。此外，锤作用在钻头上的冲击力被直接传给扇形体，其结果是能量损失大大减少，钻井速度明显加快。
下面将参考附图描述本发明的一个实施例，其中附图如下
图1是钻头端部的示意性透视图；图2与图1相对应，示出了处于非工作位置的扇形体；图3与图1相对应，示出了处于工作位置的扇形体；及图4是本发明钻头的局剖图。
图中，钻头1有一平的最外端面2，在该端面内设有三个凹槽3，各凹槽3都有一盲孔4，盲孔4用于接收各装于此凹槽内的各扇形体6的销轴5。钻头有一端盘7，端盘7带有一螺杆8，螺杆8与对应螺孔9配合，这些装置布置成这样，各扇形体装入凹槽后都被端盘盖住，其相对钻头的纵向运动受到限制，同时，要保证其可以绕扇形体上插入凹槽各孔的销轴所形成的枢轴连接自由转动。为增加保险系数，锁止销10可以穿过贯穿钻头的横向孔11后固定在螺杆8的一个对应凹槽12内。
该钻头周边有一些通道13，每个通道都分别与一凹槽3相通，凹槽3与一空气通道14相通，该通道一直延伸到一个在钻进头内部形成的腔室15内，该腔室15又与贯穿钻头的一中心孔16相通。端盘7的杆8也有一中心孔17，该中心孔17至少与一个出现在端盘端面上的倾斜空气通道18相通。
在开始工作时，钻头处于图2所示状态，由于钻头上的端盘7的端面上设置有一定数量的球齿钻头19，而且钻头只有一个暴露的周边表面，因此，钻进头可以放置在地面上与地面接触，并被同时锤打及转动以使钻头进入地下。当钻头进入地下后，各扇形体前肩部上的另一些球齿钻头开始挖掘地面，结果使各扇形体随着钻头的转动而转动，直到进入图3所示位置，进而钻出一个直径过大的井以允许衬管在钻井时跟在钻头后面进入钻井。在钻井工作结束后，钻头反转给扇形体一反作用，使其又缩回到各凹槽内，直至图2所示状态，从而允许钻头从套管内退出。
在钻井阶段，通入钻井装置驱动其锤的压缩空气在钻头外面转向，向下流过凹槽13到达井的底部，一部分空气流过通道14将碎屑吹出凹槽3，剩下的空气流经通道18(可以是多个)，将碎屑从井的底部经杆8的孔及钻头的孔16向上吹出。
权利要求
1.一种钻井装置包括一个钻进头，及一个置于该钻进头端部的钻头装置，该钻头装置包括至少两个置于绕钻进头均匀分布的配合凹槽内的扇形体，这些扇形体中的每一个均被可转动地安装，并可从一非工作位置，在该位置这些扇形体处于所述钻进头外径的限制范围内，转到一工作位置，在该位置，这些扇形体超出钻进头外径同样角度。
2.如权利要求1所述的钻井装置，其特征在于设置有三个扇形体，每个都是可转动地安装，并可从非工作位置转动90度到工作位置。
3.如权利要求1或2所述的钻井装置，其特征在于所述钻进头有一平的垂直于所述钻进头轴线的最外端面，各凹槽都有一孔，其内安置各扇形体的销轴，所述钻进头上还有一用于接收一端盘的杆的中心孔，该杆可被锁止在所述孔内，以将所述端盘固定在与所述凹槽及所述凹槽内的扇形体重叠的位置。
4.如权利要求3所述的钻井装置，其特征在于所述用于接收所述销的孔装有一种由低摩擦系数材料作的衬套。
5.如权利要求3或4所述的钻井装置，其特征在于所述端盘上的所述杆与所述钻进头上的所述孔滑动配合，并由穿过所述钻进头上一横孔并安装在所述杆的一凹槽内的一横销固定。
6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的钻井装置，其特征在于所述端盘上的所述杆及所述钻进头上的所述孔都制有相应的螺纹。
7.如权利要求1至6中任一权利要求所述的钻井装置，其特征在于所述钻进头有一中心孔，及一由各扇形体容纳凹槽延伸的周边纵向凹槽。
8.如权利要求7所述的钻井装置，其特征在于所述钻进头有一些其数量与所述凹槽数量相对应的通道，这些通道将所述凹槽与所述钻进头的所述中心孔相连通。
9.如权利要求3至8中任一权利要求所述的钻井装置，其特征在于所述端盘上的所述杆有一中心孔，该中心孔从杆的内端延伸至一个排气通道，该排气通道将所述孔的内端与所述端盘的外表面连通。
10.如权利要求1至9中任一权利要求所述的钻井装置，其特征在于所述端盘的所述暴露表面上设置有一组切割件。
11.如权利要求1至10中任一权利要求所述的钻井装置，其特征在于各所述扇形体的所述暴露表面上设置有一些切割件。
12.如权利要求10或11所述的钻井装置，其特征在于所述切割件是球齿钻头。
13.一种基本上如前面结合附图所描述的钻井装置。
全文摘要
本发明涉及用于在一导向套管引导下钻及铰一地面孔的钻井装置。本发明的目的是提供一种相对简单且不昂贵的钻井装置,该钻井装置可以钻出一普通的孔并最后可从套管内抽出。本发明的结构包括一钻进头及设置在该钻进头端部的钻头装置,这些钻头装置包括至少两个扇形体,这些扇形体置于在钻进头上均匀分布的对应凹槽内,这些扇形体被可转动地安装,可从处于钻进头外径边界内的非工作位置转到超出钻进头外径同样角度的工作位置。
文档编号E21B7/20GK1180129SQ9711792
公开日1998年4月29日 申请日期1997年9月2日 优先权日1996年9月4日
发明者迈克尔·法里哈姆 申请人:布洛克英国有限公司