可更换的钻头部件 发明背景和领域
本发明涉及旋转的钻头，特别是涉及一种新型的改进的钻头部件，该钻头部件能够可更换地安装在传统钻柱的下端，该钻头具有枢轴刀刃支架，支架在流体压力、钻柱旋转力和由钻柱重量引起的加工件表面上的摩擦力的联合作用下，沿径向向外扩展。
为向下钻孔或者地质钻探所设计的可更换钻头部件有许多种，但以往的部件制造和操作成本太高，费时而又不能适应不同的钻探操作，例如，扩孔、开孔或者磨铣操作。代表性的专利为D.J.O’Grady的专利证号为2,203,998的美国专利，A.W.Kammerer Jr.的专利证号为2,814,463的美国专利，A.W.Kammerer的专利证号为3,196,961的美国专利，C.C.Brown的专利证号为3,552,509的美国专利，H.D.Link等的专利证号为3,554,304地美国专利，C.C.Brown的专利证号为3,656,564的美国专利，A.W.Kammerer等的专利证号为3,684,041的美国专利以及R.E.Leturno的专利证号为5,271,472的美国专利。
一直需要使用中具有多种的用途，效率高且使用寿命长的钻头部件，这种钻头特别适合用作钻头刀具、扩孔器、开孔工具、磨铣部件工具或者这些工具的组合，并且可以在如下一些情况下使用：有或者没有流体辅助；钻头可更换或固定不变；有或没有喷嘴截断切割；有或没有导向端；有或没有碳化钨金属块、切削齿、切割滚筒或者多晶钻石嵌入物。最理想的情况下，本发明的钻头部件包括了刀具和沿一个或者多个钻头刀刃支架的流体通道的独特的结合及设置，这些进一步具有简便和快速更换的特点。发明内容
因此，本发明的一个目的就是提供一种新型和改进的钻头部件，这种部件具有多种用途，适于用来进行各种地质钻孔操作，例如开孔、磨铣和扩孔。
本发明另外一个目的是提供一种新型和改进的用来将钻头部件或其它工具安装在传统钻柱和套管柱的下端以进行不同的向下打孔操作的方法和装置。
本发明进一步的目的是提供一种新型和改进的用来将钻头和其它工具安装在传统钻柱或套管柱的下端的方法和装置，其中工具可以快速取回或更换。
本发明又一个目的是提供一种新型和改进的钻头部件，这种部件使用切割嵌入件和流体通道的独特结合，用以完成向下钻孔切割操作；特别是，其中切割元件可用来单独或与流体压力一起进行不同的切割和截断操作。
本发明再一个目的是提供一种新型和改进的钻头部件，其中切割嵌入件沿刀刃支架的前沿不可移动地固定，形成每个钻头的一部分；在另一种优选结构中，提供一系列沿每个刀刃支架的下表面间隔排列的可转动刀具盘，来进行切割操作。
本发明意在把将安装在钻柱或者套管柱的钻头部件钻入地下地层，此处接头与钻柱的下端连接，钻头具有一对相对并列配置的刀刃和刀刃支架，其中刀刃包括安装在共用枢轴周围的接头上的枢轴端，刀刃支架从枢轴端沿切向伸出，位于从接头向下沿轴向直接伸出的位置和相对钻柱旋转轴相反的垂直方向伸出的切割位置之间；刀刃支架一个边缘上具有一系列切割元件。
在一种优选结构中，切割元件插入沿每个刀刃支架的整个长度方向上的凹槽中，包括一个弓形的表面部分，这一部分从刀刃支架的底面突出。此外，切割元件还具有平坦表面部分，该部分直接与刀刃支架的前沿平齐。在第二种优选结构中，切割元件为刀具盘的形式，刀具盘装在每个刀刃支架底面上的各个滚筒轴上，每个刀具盘的旋转轴配置为刀具盘绕一条在该位置处与钻头曲率半径相切的轴线转动。
在任一种优选结构中，每个刀刃有一个至少沿刀刃支架的长度方向伸出的流体通道和多个流体排放孔，这些孔与流体通道连通，用来在压力作用下将通道中的流体以高速射流的形式排放出来。最理想的情况下，排放装置通过刀刃支架的底面从通道横向伸出，在切割元件的后面形成从刀刃支架伸出的喷嘴。为了最有效地切割和除掉被钻制地层，喷嘴的位置相对切割元件的位置交错排列，这样切割元件可以在喷嘴形成的截断线处将材料切碎。例如，如果喷嘴只沿另一个钻头布置，切割元件将在该钻头处的喷嘴形成的截断线处把材料切碎。如果切割元件布置在两个钻头上，它们将恰当地相互交错，这样在截断线之间的地层中具有不同的径向距离，从而使得喷嘴沿两个钻头布置时，应当相互之间具有一定的偏移量，以便在不同的径向距离上形成截断线，从而达到增强切割的目的。切割元件和喷嘴的数目和间距将随被钻制材料的硬度、孔的大小和流体排放的速度变化。
从以上描述中可以看出，在地下地层中钻孔的方法包括如下步骤：通过在一对旋转钻头中的至少一个内的多个喷嘴排放高速流体流，借此形成一系列同心圆截断线；将一系列切割元件安装在至少另外一个钻头上，用来将通过喷嘴的喷射流形成的截断线之间的地层材料切碎。不管喷嘴和切割元件沿一个或者两个钻头布置，最理想的情况是切割元件相对喷嘴通路有一个偏移量，这样可以将喷嘴形成的截断线之间的地层切碎。当使用旋转的刀具盘作为切割元件时，刀具盘的方向跟随或者追踪喷嘴形成的截断线，以便在截断线之间辅助切碎岩石或者其它材料。
作为本发明的一种附加特性，刀刃的枢轴部件可取下地装在接头的底面上，从底面向上伸出的提伸板具有一个闩锁装置，该装置可以和一个更换杆配合，这样可以影响在更换杆和闩锁元件之间的闩锁配合，用来从钻孔中取出钻头进行更换。
这里描述了本发明的显著特点，这样以下的详细描述就会更易于理解，同时也为了解本发明对本工艺的贡献提供了方便。当然，下文中还将对本发明的其它特征进行描述，这些将形成以下所附权利要求的主题。在这方面，在详细解释本发明的至少一种优选结构之前，应当理解本发明不限于随后的描述中所阐述的结构细节和组件配置。本发明可以具有其它实施例，也可以按不同的方式实施。同时，也应当理解这里所使用的措辞和术语的目的只是进行描述，而不应当作为制约。有鉴于此，这里使用“钻柱”这个术语，可以更改为旋转柱、钻杆或者套管轴等。这样，本领域技术人员将理解本披露内容所基于的概念可以很容易地用作设计其它结构、方法和系统的基础，用来实现本发明的多个目标。因此，重要的是，应当认为权利要求书包含了这些共同结构，只要这些结构不脱离本发明的实质和范围。附图简述
图1为根据本发明的钻头部件的一种优选结构的局部剖视图，图中钻头处于工作位置；
图2为图1中部件的正视图；
图3为与图1类似的另一个视图，但图示为图1部件的右视图并且钻头处于工作位置；
图4为钻头部件优选结构的局部剖视图，图示钻头处于停止状态并进一步包括钻头移动装置的优选结构；
图5为图4所示部件的正视图，图中钻头处于非工作位置；
图6为图4和图5所示部件的局部剖视图，但为图4和图5的右视图；
图7为钻头部件优选结构的横截面放大视图，图示显示了未剖分的部分；
图8为沿图7中8-8线剖分的横截面视图；
图9和图10为本发明钻头部件中每个钻头的详细放大视图；
图11为图9中所示钻头的横截面图，图示为钻头中流体通道的布置；
图12为图11中所示钻头的端面局部视图；
图13为图10所示钻头的横截面图；
图14为图13所示钻头的端面局部视图；
图15为图9和14所示钻头部件的一种优选结构的仰视平面图；
图16和图17为本发明第二种优选结构中每个钻头的正视放大图；
图18为钻头部件第二种优选结构仰视平面图；
图19为更换装置正视图的一部分，图示闩锁构件处于闭合位置；
图20为图19所示装置的正视图，图示闩锁装置处于开启位置；以及
图21为图19所示闩锁装置的局部放大视图。具体实施方式
详细参见附图，在附图1到3所示的本发明的优选结构中，一个传统钻管10与接口通过螺纹连接，形成底座连接器11，用来安装一对钻头或刀刃12。每个钻头包括一个上方圆形枢轴端或者轴环14和一个刀刃支架16，轴环14与公共销轴18轴颈配合，该销轴从钻管10上横向伸出，并对钻头12进行支撑使其可以在不工作时沿钻管长度方向上直接伸出的位置和工作时在图6所示的横向位置之间绕枢轴转动。在这种关系中，钻头12安装在销轴18上处于一对从销轴18向上伸出的提伸板20之间，提伸板20具有竖直分开的提伸板螺栓22。销轴18的相反一端可滑动地安装在连接器11直径方向的相反侧上的滑槽G中，图中显示销轴位于滑槽G的底端。如图7和8中详细显示，一个环形底座24位于钻头12之上，提伸板20可以经底座24上的插槽25向上伸出，从而可以限制通过底座中心开孔26的流体按照以下将描述的方式流入钻头12上的流体通道。
更为详细地考虑钻头12的安装和结构，如图9到15中所示，每个刀刃支架15和16从轴环14的切向伸出，在每个刀刃支架15和16的前沿30的圆形凹槽中嵌入淬硬的切割材料的嵌入物28。嵌入物28为圆柱销形状，其长轴方向与支架16的长度方向垂直。进一步，每个嵌入物28直径较大的一端嵌入支架的厚度方向，从而只有有限的弧形表面28’从支架15和16的底面31伸出。如图9和10所示，附加嵌入物29从刀刃支架上横向伸出，与轴环14隔开一段有限的距离，位于支架15和16自由端边缘32。更特别地，图9和10中所示的分别位于支架15和16上的嵌入物相互之间具有偏移关系，下文将对此进行详细描述。
如图11到15所示，每个刀刃支架15和16优选情况下通常为矩形截面，包括由一个第一孔34和一个第二孔35形成的流体通道，其中第一孔34沿轴环14的弦延伸，而第二孔35与第一孔34形成一个直角，沿支架15和16的整个长度方向延伸，但按照一个逐渐变化的角离开嵌入物28。一系列喷嘴或者喷射器38与孔35连通并从该孔横向延伸，经过刀刃支架15和16的厚度，在紧挨嵌入物28的后方，沿着支架15和16的底面31以隔开的间距，将流体以高速液流的形式排出。优选情况下，每个喷嘴和喷射器为圆柱体39的形式，具有一个内锥形孔40，该孔40向其排出端逐渐缩小，并且该圆柱体通过一个合适的保持环42安装在排出通道41内。在支架16的外端或者自由端有一个插头37，该插头可以与上述的某个喷嘴38类似，如果希望完全将孔35的排出端堵住，则可以插入实体圆柱插头37，如图所示。
正如可以从图15最好地看到，示出了钻头12的底面31，一个刀刃支架上的嵌入物28相对另一个刀刃支架上的嵌入物28有一定的偏移量；同样，刀刃支架15上的喷射器38与刀刃支架16上的喷射器38偏移或交错排列。喷嘴的主要功能是形成如图15中点划线所示的截断线，这样一个刀刃支架上的喷嘴38将形成截断线K1，而另一个刀刃支架上的喷嘴38将形成截断线K1之间的截断线K2。切割嵌入物28的主要功能是切碎截断线K1和K2之间的岩石，所以嵌入物配置在各自支架上的喷嘴之间，或者换句话说，切碎喷嘴形成的截断线之间的岩石。因此，正如可以在图15中看到，从井孔或者钻头12的底面向上看时，假定从刀刃的上方看时刀刃按顺时针方向旋转左侧刀刃支架上的切割嵌入物或刀具28将在右侧刀刃支架16上的喷嘴38形成的截断线K1之间横切岩石或者其它材料。相反，右侧刀刃支架上的切割嵌入物28将在左侧刀刃支架15上的喷嘴38形成的截断线K2之间横切岩石或者其它材料。特别是，切割嵌入物28将刮削或者剪切岩石或者地层材料。
在图16到18所示的本发明的另一种优选结构中，刀具盘44安装后可以绕单独的滚筒轴45转动，滚筒轴固定在刀刃支架15’和16’的底面的凹槽内紧靠喷嘴或者喷射器38的前方。正如可以从图18的仰视图中看到的一样，每个盘44的转动轴与盘44所处的曲率半径相一致，换句话说，每个轴承的轴45的方向垂直于刀刃支架15’和16’的底面上该点处的曲率半径。各个盘44由淬硬材料制成，例如与嵌入物28相似的碳化钨或者多晶石英材料，并且盘具有逐渐缩小的表面，与切割边缘46相交或者终止于该处，切割边缘46在图11所示的特定点或者半径处与对侧支架的喷嘴喷射流相一致。此外，对应于图15所示的嵌入物29的切割嵌入物29可以位于每个钻头12的轴环部分14的底面上。流体在足够大的压力作用下从循环沟槽喷射到切口处，将切屑冲走或者至少使其松动以便盘44将其移除；之后，流体和切屑将在钻管10和钻孔的表面上向上移动，直到排出表面。很明显，这里所使用的术语“流体”可以指代任何液体、气体或两者的混合物，正如在地质钻探或者截断操作中通常做的那样。
为了取出并更换钻头12，例如，当钻头12或者其嵌入物28变钝或者磨损以后，它们将可以被更换杆50移出来，更换杆50连接在从传统的地面滑轮、绞盘或者其它类似的在孔内放入或取出工具的装置延伸的钢丝绳W的下端52。更换杆50悬挂在钢丝绳W下端的环中，包括由适当的固定件，例如螺栓53，以竖直分隔的间距连接的定中器54。更换杆50的下端51有更换槽55，容放上面的提伸板螺栓22，所有这些都图示在图4到6中。正如在图19到21中更详细地显示的一样，一个闩锁部件安装在更换杆50下方斜面端上，该部件包括挡器56，挡器56通过支撑块60上的闩销58地可以转动连接在槽55中，而支撑块60焊接在更换杆50的下端。锚杆销钉61和62位于支撑块60的上端和下端，并且固定在挡器56上的一个弹簧元件64可以释放地连接在锚杆销钉61和62的某一个上。例如，当要把刀刃12从孔中取出时，弹簧64连接使得挡器56朝向沿槽55的伸展方向，这样当挡器56降低接触到上提伸板螺栓22时，弹簧力被克服，挡器向上转动直到螺栓22越过挡器，然后挡器自由回到其最初的闭合位置。然后钢丝绳W提伸将刀刃12从孔中提出。
将一套新刀刃12放入孔中时，弹簧64从上锚杆销钉61上松开与下锚杆销钉62接触，以便使挡器56从槽55中偏向开启的位置。新刀刃的上提伸板螺栓22位于槽55中，挡器56手工转动回闭合位置，刀刃部件下降直到螺栓22的重量支承在挡器56上，然后新刀刃在钢丝绳的作用下下降到钻管10中，直到安置在底座连接器11上。一旦刀刃部件正确在落在底座连接器上以后，继续降低挡器部件以便把上螺栓22的重量从挡器上移开，以便允许挡器56在弹簧64的作用下向上转动，处于开启位置，而更换杆50可以从孔中移出。
在使用中，钻头12和销或轴18上的提伸板20一起装配，放置在底座连接器11上，然后底座连接器11通过螺纹和钻管10连接在一起。下端提伸板20和销可以在底座连接器11的槽G中滑动，直到稳定地安置在槽的底部。然后钻管10下降进入被钻制的地层中，在施加在钻管10上的旋转力的作用下，刀刃支架12向外摆动，进入钻孔位置，如图3所示。流体在压力作用下进入循环沟槽或者钻头12的孔34和35内，通过喷嘴38转变成高速喷射流。经过刀刃12的高压排放流可以使刀刃12相对钻管保持垂直的位置。进一步，在被钻制材料的摩擦力的作用下，刀刃支架12将保持所述的垂直位置。通过喷射沟槽或者喷嘴38喷出的流体将形成截断线K1和K2，除非是极其坚硬的岩石材料。在某些地层中，喷射力将足以截断和移除钻屑，而无需其它附加切割元件，或者至少使材料松动以便于刀刃12将其移除。
在所述的切割元件28或者44任一种交错或者偏移方式的辅助下，任何残余材料都将在截断线之间被移除，并且流体将把钻管内和钻孔表面上的钻屑冲出加工表面外。
当希望更换磨损或者变钝或者喷嘴扩大而使效率降低的钻头12时，更换装置在钢丝绳W的作用下通过钻管10下降，如图4到6所示。定中器54使得更换杆50保持钻管10的中心位置，直到更换杆50的下部斜面端接触到上提伸板螺栓22。继续下降运动将导致挡器56打开，直到螺栓22越过挡器56并在弹簧64的作用下回到闭合位置。然后整个提伸装置脱离底座连接器，在钢丝绳的作用下向上提伸通过钻管10，直到完全从钻管10中移出。
一旦钻头12被更换或者得到修复，弹簧64倒置并按所述的方式连接，这将导致挡器56进入正常的开启位置。一旦新的或者修复的钻头部件的上提伸板螺栓22进入槽55中的位置，挡器56手工恢复到闭合位置，钻头部件可以下降直到落在底座连接器11上。一旦钻头部件的重量从挡器56上移走，弹簧64将打开挡器以允许钢丝绳W从钻管中移走，这样可以继续进行钻孔。
扩孔、开孔、磨铣和其它所述的操作，都可以使用钻头部件的优选结构来完成。在所有的钻井中，特别是那些使用传统方法改进向下钻井工具非常昂贵且费时的地方，或者需要几次改变孔径的地方，本发明的钻头部件是非常有效的。
因此，应当理解，尽管这里阐述和描写了本发明优选结构，仍可对其进行上述和其它修改和变更，而不致偏离由所附权利要求书及其等同体所定义的本发明的实质和范围。