其钻头带有锁定的套管下扩眼器 臂形件的反向循环钻井系统 【发明背景】
本发明涉及一种地层钻井设备，特别是涉及一种井下气动冲击锤钻井系统。正如在本申请人的共同未决的相关申请08/674123(申请日为1996年7月1日)和08/790066(申请日为1997年8月27日)中所指出的那样，套管下扩眼器用于在导向钻头(pilot bit)周围形成径向扩大区域，以便插入一个套管。本申请是上述两个申请的部分继续申请。
偏心安装的套管下扩眼器(underreamer)是公知技术。这种偏心安装的套管下扩眼器包括一个臂形件，所述的臂形件沿着一定轨迹运行以进行套管下扩眼的作业，并且为了取出钻井工具，该臂形件可以向着井眼轴线回缩。然而，如果套管下扩眼器遇到岩石碎块、埋藏的金属物体等等，偏心安装的套管下扩眼器可能偏离井眼轴线。在大多数钻井操作中(特别是在需要形成多个密集分布的井眼时)，一个大钻头地任何偏移均是令人无法接受的。任何的偏离都将会大大阻碍套管在一个已钻井眼内的安装。
另外一些公知的套管下扩眼设备使用安装了三个钻头的板形件，这些板形件可以向外移动，但是该板形件的整个工作表面基本上小于井眼的周边。这样的一个小尺寸的板形件将受到严重的磨损而使得钻速缓慢。
套管下扩眼作业也可以通过利用冠形顶钻或者环状钻头来实现，但是在钻井完成后这些钻头的部件必须留在套管下扩眼区域，这是非常浪费的，因此在某些钻井操作中是无人令人接受的。
本申请人的共同未决的美国专利申请08/674123以及本发明所公开和要求保护的套管下扩眼器解决了上述的每一个问题。
除了与公知的套管下扩眼器有关的上述问题以外，快速而有效地从井眼和钻头处清除钻屑也是一个问题。在本申请人的美国专利5511628(在此引入作为参考)中，公开了一种具有中央排放出口的气动井下钻机。美国专利5511628中的设备允许大的钻屑碎块通过在钻头上形成的一个中央轴向孔眼以及通过连接到该中央轴向孔眼上的一个中央排放管进行连续排出。压缩空气穿过周边通道向下到达钻头下面然后进入所述的中央排放管。压缩空气穿过中央排放管的流动实现了从井眼连续和有效地清除地层碎块，其包括快速清除无法通过套管的周边通道进行清除的较大碎块。
然而，仍然需要提供一种反向循环气动钻机，该钻机可以实现：井眼的套管下扩眼、从井眼内的钻进工作面连续排放钻屑碎块以及用于在钻井操作的过程中或钻井操作完成之后通过套管取出钻头。
发明概述
本发明针对现有技术中的缺点而用一个反向循环钻井系统来实现。
本发明的一个目的就是提供一种套管下扩眼器，该套管下扩眼器包括一个导向钻头，在该导向钻头上安装有套管下扩眼器臂形件，所述的臂形件可以通过所述导向钻头和所述套管下扩眼器臂形件之间的相对旋转而伸出和回缩。每一个套管下扩眼器臂形件包括一个加强凸起。所述的加强凸起包括与所述导向钻头上的对应轴向表面接合的轴向承载表面。所述臂形件的加强凸起的承载表面包括其形状适合在所述导向钻头相对于所述导向钻头旋转时伸出臂形件的表面。还提供用于将所述的臂形件锁定在其伸出的扩眼位置的表面。当钻头沿着相反方向旋转时，锁定表面脱离接合，臂形件可以回缩，而不需要钻头推进器的垂向移动。
根据本发明的另外一个方面，提供一种连续利用从井下冲击锤排放出来的压缩空气来冲洗钻头的方法。排放空气流按照设定的路线穿过钻头装置上的开口而进入到中央排放管内。还可以提供一个第二压缩空气流以便连续冲洗钻头的周边区域。在一个实施例中，清洗周边的空气来自井口所产生的压缩空气，从而对套管加压。
本发明的这些和其它方面将参照附图详细描述。
附图简述
图1是根据本发明的一个钻井装置的局部剖面图。
图2是图1中的钻井装置的放大的局部剖面图，表示动力压头装置、压缩空气入口套和双壁管装置的上接头。
图3是图1中的钻井装置的放大的剖面图，更详细地表示套管推进器。
图4是图1中的钻井装置的放大的剖面图，表示双壁管装置和箱体以及支撑压头装置，该支撑压头装置将双壁管装置的下接头连接到井下气动冲击锤。
图5是井眼下气动冲击锤的剖面图，其中包括一个钻头装置。
图5A是井眼下气动冲击锤的锤筒的另外一种形式的立体图。
图6A是根据本发明的一个钻头装置的第一个实施例的分解立体图。
图7A是图6A中的导向钻头的立体图。
图7B是图7A中的导向钻头的底视图。
图8是图6A中的实施例中使用的一个套管下扩眼器臂形件的立体图。
图9A是图8中所示的一个套管下扩眼器臂形件的端视图。
图9B是图8中所示的套管下扩眼器臂形件的外侧侧视图。
图10是图6A中的实施例的钻头推进器的底视图，表示该钻头推进器的轴向表面形成了用于容纳套管下扩眼器臂形件的凹槽，该轴向表面抵靠着套管下扩眼器臂形件以便臂形件的伸出和回缩。
图11本发明的第二个实施例的钻头推进器的底视图。
图12是图11中实施例的一个套管下扩眼器臂形件的底视图。
图13是图12中的臂形件的底视图，表示该臂形件在图11中的钻头推进器上处于其回缩位置。
图14是与图13中的钻头推进器和套管下扩眼器臂形件一起使用的导向钻头的俯视图。
图15是图14中的导向钻头的底视图。
图16是图13中的钻头推进器和套管下扩眼器臂形件，表示其套管下扩眼器臂形件处于其伸出位置。
图17是图13中的钻头推进器和套管下扩眼器臂形件的放大的部分视图。
图18是图11-17中所示的钻头装置的部分剖开的底视图，表示其中的压缩空气流动通道。
详细描述
参考图1，一个反向循环钻井系统用附图标记10表示，包括一个压头装置11、一个双壁管装置12和一个位于一钻孔套管14内的井眼下气动冲击锤13。参考图2和3，压头装置11包括一个套管推进器15和一个动力压头装置16。其中，所述的套管推进器15用于当钻头前进时向下推动钻孔套管14，而所述的动力压头装置16为标准类型，用于在钻孔套管14向下移动时旋转该钻孔套管14。套管推进器15包括一个环形锤17，当压缩空气交替进入环形锤17上方和下方的腔室中时，该环形锤17作垂向往复运动。环形锤17冲击砧18，该砧18则又冲击套管帽19。套管帽19密封到钻孔套管14的内表面上，从而使得钻孔套管14能在套管帽19和井眼下气动冲击锤13之间通过开口20充有一定压力。钻孔套管14充有一定压力使得该钻孔套管14与井眼下气动冲击锤13之间形成一个向下的空气流动，因此可以防止井眼下气动冲击锤13和钻孔套管14之间的钻屑向上运移，因为这种运移可能会阻碍冲击锤的取出。动力压头装置16通过连杆装置21连接到砧18，用于向双壁管装置和井眼下气动冲击锤施加旋转运动。动力压头装置16是本领域的一般性设计，只是其中央元件22有所不同，该中央元件22通过螺纹连接到双壁管装置14的上端，并包括一个与双壁管装置12相连通的中央孔，用于穿过动力压头装置16将钻屑排放通道延伸到弯管29。中央元件22和双壁管14之间的接头包括一个开口23，用于允许空气进入双壁管装置12的内壁25和外壁26之间的环形空间24内。套子27安装在接头周围并包括空气入口28，通过该空气入口28压缩空气可以进入双壁管装置，以按照如下所述的方式驱动井下冲击锤13。一个弯管29可旋转地安装和密封到中央元件22的上端。而弯管29、中央元件22和双壁管装置14的内壁25一起形成一个中央钻屑排放管，用于按照如下所述的方式从井眼下气动冲击锤连续排放钻屑。
参考图4，双壁管装置12由单个的管段组装而成，每一个管段包括一个内管31和一个外管33。每一个管段的相对两个端部分别包括一个公螺纹连接器33和一个母螺纹连接器35。公螺纹连接器14和母螺纹连接器15中的每一个均包括空气开口36和37，这两个开口分别与双壁管装置11的外侧环形空间24连通。双壁管装置11的上端用螺纹连接到动力压头装置16的中央元件22。在双壁管装置11的下端则连接到一个箱体38，该箱体38又用螺纹连接到井眼下气动冲击锤13的支撑压头40。开口42和44与双壁管装置的环形空间24相连通，从而提供路线使得这里的压缩空气进入井眼下气动冲击锤。
参考图5，井眼下气动冲击锤13包括一个螺纹连接到支撑压头40上的箱体38。一个套筒41和一个锤筒42用螺纹连接到支撑压头40上。一个中央定位的排放管43被挤压到套筒41内。一个耐磨套筒44配合在锤筒42周围并挤压配合到环状物45和支撑压头40的肩部46上。套筒41和锤筒42形成一个环形的上部空气腔室48。而中央排放管43和锤筒42形成一个环形的下部空气腔室50。锤筒42的下端与钻头推进器52贴靠着，该锤筒42还包括周向唇部54，该周向唇部54与耐磨套筒44接合，从而将锤筒42定位在耐磨套筒的中央。冲击锤53可滑动地配合到锤筒42上，从而可以进行往复运动。钻头推进器52可滑动地配合到锤筒42内、位于冲击锤53的下方且位于中央排放管43的下端的上方。钻头推进器52通过多个键56保持在锤筒42内。每一个键均配合到一个键槽58和钻头推进器52的环形凹槽60中。(参见申请人的美国专利US5511628，该专利在上文中已经引入进行了参考，该专利公开了另外一种形式的锤筒，其锤筒包括类似的键和键槽装置，用于将钻头推进器安装在锤筒中)。这种键和键槽装置使得钻头装置在钻进过程中前进到双壁管装置的前方。
根据本发明的一个钻头装置如图6所示。参考图6，一个钻头装置包括一个钻头推进器52、导向钻头82和臂形件88a-c。导向钻头82包括一个具有凹形槽(recessed chamfer)84的上部轴83、凸轮表面85a和85b以及一个下部86。下部86包括三个周边凹槽87a-c。最好由硬质合金材料制成的硬质钻井球齿安装在导向钻头的周边和底表面上(图7)。臂形件88a-c座落在导向钻头82的顶部，并按照如下所述的方式沿着一定的弧形路径在导向钻头上进行滑动。每一个臂形件包括一个隆起凸块89，该隆起凸块89可以容纳到钻头推进器52的对应凹槽90内(图10)。隆起凸块89具有几个功能。首先，来自冲击锤的冲击力通过钻头推进器52、隆起凸块89和臂形件88向下传递到导向钻头82。其次，隆起凸块89容纳并保持在凹槽90内，它可以在该凹槽90内作有限弧度的旋转以便伸出和回缩臂形件88。当臂形件88处于其回缩位置时，表面91与凸轮表面85a相邻。在该结构中，钻头装置的总体直径小于钻孔套管14的内径，因此允许钻头装置从钻孔套管中收回。当臂形件88绕导向钻头82在钻头推进器52的顺时针旋转作用下而沿着顺时针方向旋转时，倾斜表面85a与表面92接合，从而迫使臂形件88向外伸出。臂形件88的旋转和伸出一直持续到表面92a与表面85b贴靠着且表面92b与表面85a贴靠着，从而将臂形件88保持锁定在其伸出位置。为了释放和回缩臂形件88，钻头推进器52沿相反方向旋转。在臂形件的完全回缩位置，套管下扩眼器装置的总体直径小于钻孔套管的内径，从而使得在需要时将整个套管下扩眼器钻头装置穿过套管取出。该特点相对于现有技术中的套管下扩眼器具有显著的优点，因为在现有技术中臂形件不可能在必要时通过套管回缩和取回。
在操作过程中，压缩空气通过开口37、径向开口60、环形空间62和轴向开口64输送到环形腔室59。在图5中，冲击锤53处于向下的冲程。唇部66与唇部68接合，从而对腔室48进行密封。唇部72与唇部74接合，从而密封腔室50。开口78关闭。当活塞53继续向下移动时，开口76打开，腔室48进行排放。几乎与此同时，唇部74脱离唇部72，从而在活塞53撞击钻头推进器52以后，使得新的压缩空气充入腔室50以将活塞53向上举升到其上方位置。当活塞53举升时，开口78打开，腔室50进行排放。唇部74与唇部72接合，从而密封腔室50。开口76被活塞53密封，而唇部66与唇部68脱开接合，从而使得新的压缩空气充入腔室48。腔室48内重新充入压缩空气后能推动活塞53向下移动，从而开始另外一个冲程。排放到开口76和78内的压缩空气收集在开口80(如图5A)中，然后通过钻头装置排放到中央排放管43内，从而携带着钻头切削下的钻屑和地层碎块。为了防止钻屑在臂形件88a-c和导向钻头之间堵塞，在如图6B中所示的实施例中，提供一个开口91，压缩空气可以通过该开口91排放以清洗钻屑。压缩空气穿过钻头装置的流动基本上是连续的，从而实现了对钻孔之钻井工作面的钻屑进行连续的排放。而且，中央排放管和双壁管装置内壁的基本上恒定的直径也使得空气流动速度恒定，这有助于钻屑的清除。从中央排放管连续清除钻屑促进了钻井的进行。很少有必要通过中止钻井过程而将钻头举升出来以清洗钻孔内的钻屑。这直接导致钻速的显著提高。此外，由于钻屑堵塞时可以被快速清除，故能够从钻孔内获得相对精确的“芯”样。本发明的这个方面对于勘测和环境应用都非常有用。
根据本发明的另外一个方面，导向钻头104利用锁定在展开位置的套管下扩眼器臂形件钻进到地层内，该展开位置位于套管前端C的下方并径向越过套管的前端C。套管的移动则是通过相对较大的扩眼面积和套管推进器15(如果需要)来实现。在如图1和3所示的实施例中，如果钻头装置前进超过套管前面的一个预定的距离，则连杆21操作一个阀以将压缩空气提供到气动冲击锤17和有关的套管推进器15。
本发明的另外一个实施例将参照附图11～19进行描述。在该实施例中，钻头装置也包括一个钻头推进器100、臂形件102a-c和导向钻头104，这些部件如同图6中的前述实施例那样装配在一起。然而在该实施例中，从开口80排放的压缩空气沿着设定路线穿过钻头推进器、臂形件和导向钻头中的内部开口。参考图1，来自开口80的冲击锤排放空气利用开口106a-c流入并穿过钻头推进器100。冲击锤排放空气然后分别流动穿过臂形件102a-c上所形成的开口108a-c(参见图12)。在图13中，如图所示臂形件安装到钻头推进器100上，并且处于其闭合和回缩位置。来自开口108a-c的排放空气流动到导向钻头104上的开口110a-c(如图14、15所示)中，并流动通过通道112a-c、开口114a-c进入到中央排放管43(参考图5)。对开口106a-c、108a-c和110a-c的位置进行设置，从而使得这些开口可以在臂形件102a-c伸出时全部对齐；亦即，开口106a、108a和110a对齐，开口106b、108b和110b对齐，开口106c、108c和110c对齐。参考图16、17，当钻头推进器100相对于导向钻头104旋转以将臂形件102a-c定位在闭合且回缩的位置中时，开口108a-c(分别穿过臂形件102a-c)分别部分地偏离于开口106a-c；而开口110a-c(穿过导向钻头)分别完全偏离于开口108a-c(穿过臂形件102a-c)。为了在臂形件回缩时也能够提供穿过开口106a-c、108a-c和110a-c的连续空气流动，在臂形件112的下面设置有通道112a-c。参考图15，导向钻头104还包括轴向凹槽114a-c和横向通道116a-c。凹槽114a-c和通道116a-c提供通路以用于从钻孔套管的外侧排放压缩空气并且还使压缩空气通过中央排放管43排放。
本发明的上述描述是说明性的而不是限制性的。本领域的普通技术人员应该能够理解，在不偏离本发明权利要求书所限定的范围内可以在细节上进行多个变化。