具有可沿径向伸展的构件的井下工具.pdf

一种井下工具(10)，包括主体(14)、安装到主体上并可在缩回与伸展位置之间运动的可沿径向伸展的构件(16)、在操作上与可伸展构件相关联并可相对于主体运动以伸展可伸展构件的凸轮构件(32)、以及可构造成允许可伸展构件从伸展位置缩回的支撑构件(30)。该工具可以是管下扩孔器，且可伸展构件可以是切削刀片(16)。

1.  一种井下工具，包括：
主体；
至少一个可沿径向伸展的构件，其安装到主体上并可在缩回与伸展位置之间运动；
凸轮构件，所述凸轮构件在操作上与可伸展构件相关联，并可相对于主体运动以伸展可伸展构件；以及
支撑构件，所述支撑构件可被构造成允许可伸展构件从伸展位置缩回。

2.  权利要求1所述的工具，其中该工具具有管下扩孔器的形式，并且至少一个可伸展构件具有切削刀片的形式。

3.  权利要求1或2所述的工具，其中支撑构件可构造成允许可伸展构件相对于凸轮构件和主体中的至少一个运动，以允许可伸展构件的缩回。

4.  前面任何一项权利要求所述的工具，其中凸轮构件可相对于主体沿轴向运动，以伸展和缩回可伸展构件。

5.  权利要求4所述的工具，其中支撑构件可构造成允许可伸展构件相对于凸轮构件沿轴向运动。

6.  前面任何一项权利要求所述的工具，其中主体适于形成管形柱的一部分，且凸轮构件适于独立于所述柱运动。

7.  前面任何一项权利要求所述的工具，其中凸轮构件通常被迫使朝着可伸展构件的缩回位置运动。

8.  权利要求7所述的工具，其中凸轮构件被迫使运动以通过弹簧缩回可伸展构件。

9.  前面任何一项权利要求所述的工具，其中凸轮构件适于由流体压力致动。

10.  权利要求9所述的工具，其中凸轮构件适于由压差致动。

11.  权利要求10所述的工具，其中凸轮构件包括环形差动活塞装置，从而工具内的流体相对于工具外的流体产生跨越活塞的压差。

12.  前面任何一项权利要求所述的工具，其中支撑构件保持着支撑结构，其中至少一个可伸展构件通过凸轮构件相对于主体的运动而伸展和缩回。

13.  权利要求12所述的工具，其中支撑构件通过可释放连接件保持着支撑结构。

14.  权利要求13所述的工具，其中可释放连接件是安全销。

15.  权利要求12至14中任何一项所述的工具，其中支撑构件适于至少部分地通过流体压力保持着支撑结构。

16.  权利要求15所述的工具，其中支撑构件在操作上与活塞装置相关联，该活塞装置在存在适当的流体压力的情况下迫使支撑构件向着支撑结构运动。

17.  权利要求16所述的工具，其中活塞装置适于由工具内部与工具外部之间的压差致动。

18.  前面任何一项权利要求所述的工具，其中可伸展构件可相对于主体在径向上线性移动。

19.  前面任何一项权利要求所述的工具，其中至少一个可伸展构件是铰刀片，其适于在两个轴向上进行切削。

20.  前面任何一项权利要求所述的工具，其中可伸展构件位于主体的窗口中。

21.  权利要求20所述的工具，其中窗口的侧边适于为该构件提供横向和轴向支撑中的至少一种。

22.  权利要求20或21所述的工具，其中支撑构件延伸入窗口，并为可伸展构件的至少一个侧部提供支撑。

23.  权利要求22所述的工具，其中支撑构件为可伸展构件的前引端面提供支撑。

24.  前面任何一项权利要求所述的工具，其中凸轮构件具有相对于主工具轴线倾斜的凸轮表面。

25.  权利要求24所述的工具，其中凸轮表面相对于工具轴线成狭小的角。

26.  权利要求25所述的工具，其中凸轮构件正接合可伸展构件。

27.  权利要求26所述的工具，其中凸轮构件与可伸展构件限定对应的燕尾形状。

28.  前面任何一项权利要求所述的工具，其中工具可构造成至少最开始将至少一个可伸展构件限定在缩回位置。

29.  权利要求28所述的工具，其中凸轮构件和可伸展构件中的至少一个是可锁定的。

30.  权利要求29所述的工具，其中凸轮构件和可伸展构件中的至少一个可通过可释放连接件被锁定。

31.  前面任何一项权利要求所述的工具，其中致动构件在操作上与至少一个可伸展构件相关联，并适于使可伸展构件响应于流体压力差朝向伸展位置移动，且还包括具有第一结构和第二结构的密封构件，在该第一结构中致动构件与压差相隔离，在该第二结构中致动构件暴露于压差下。

32.  权利要求31所述的工具，其中致动构件与凸轮构件结合起来设置。

33.  权利要求31或32所述的工具，其中密封构件适于在有关流动的流体压力作用下运动。

34.  权利要求31、32或33所述的工具，其中密封构件在操作上与流动节流口相关联，从而可跨越节流口建立压差。

35.  权利要求34所述的工具，其中流动节流口是喷嘴的形式。

36.  权利要求34或35所述的工具，其中密封构件这样设置：使得压差作用在密封构件的相对大的面积上。

37.  前面任何一项权利要求所述的工具，其中至少一个外部空隙设在主体中以容纳可伸展构件和支撑构件中的至少一个相对于工具主体的移动。

38.  权利要求37所述的工具，其中工具适于把流体流导入空隙中。

39.  前面任何一项权利要求所述的工具，其中工具主体具有至少一个沿轴向延伸沟道，以便流体通过工具外部和孔的周壁之间。

40.  权利要求39所述的工具，其中至少一个沿轴向延伸沟道至少部分地由外部空隙限定，该外部空隙被设置用来容纳可伸展构件与支撑构件中的至少一个相对于工具主体的移动。

41.  权利要求40所述的工具，其中沟道成螺旋形地延伸。

42.  权利要求41所述的工具，其中沟道包括前引和尾端的成角度的表面槽。

43.  权利要求42所述的工具，其中尾槽形成在可伸展构件的前面且主体的厚度远在可伸展构件之后。

44.  权利要求40至43中任一项所述的工具，其中设有多个沟道，且沟道之间的主体表面基本上为螺旋状。

45.  一种将要结合在钻柱中的井下工具，该工具包括：
适于形成钻柱的一部分的主体；
至少一个可沿径向伸展的构件，其安装到主体上并可在缩回与伸展位置之间运动；
凸轮构件，所述凸轮构件在操作上与可伸展构件相关联并可相对于主体运动，并且独立于钻柱地伸展可伸展构件；以及
支撑构件，所述支撑构件可构造成允许可伸展构件相对于凸轮构件和主体中的至少一个运动，以允许该可伸展构件的缩回。

46.  一种井下工具，包括：
主体；
至少一个可沿径向伸展的构件，其安装到主体上并可在缩回与伸展位置之间运动；
致动构件，其在操作上与可伸展构件相关联并适于使可伸展构件响应于流体压差朝向伸展位置运动；以及
密封构件，其具有第一结构和第二结构，在该第一结构中致动构件与压差相隔离，在该第二结构中致动构件暴露于压差下。

47.  权利要求46所述的工具，其中致动构件与凸轮构件结合起来设置，该凸轮构件在操作上与可伸展构件相关联并可相对于主体运动以伸展可伸展构件。

48.  权利要求46或47所述的工具，其中密封构件适于在有关流动的流体压力的影响下运动。

49.  权利要求46、47或48所述的工具，其中密封构件在操作上与流动节流口相关联，从而可跨越节流口建立压差。

50.  权利要求49所述的工具，其中流动节流口具有喷嘴的形式。

具有可沿径向伸展的构件的井下工具
技术领域
本发明涉及井下工具(downhole tool)，尤其涉及具有诸如管下扩孔器(under-reamer)、套管割刀或者可调整稳定器等可伸展构件的井下工具。
背景技术
在石油和天然气勘探和开采行业中，有众多的井下工具，其特征在于具有可沿径向伸展的构件。在铰刀的情况下，这些构件是刀片或切刀，一旦管下扩孔器通过了现有的孔衬套管，那么这些刀片或切刀就会伸展，以便能穿出套管钻出直径大于套管内径的孔。一旦铰孔操作已经完成，那么刀片缩回以便管下扩孔器以及钻柱的剩余部分被拉出孔。管下扩孔器的一个例子在申请人的国际(PCT)申请公开No.WO 00/31371中进行了说明，其披露的内容作为参考合并于此。
管下扩孔器的刀片必须保持在缩回结构中，直到管下扩孔器已经通过了套管，以免损坏套管。然后可以释放并伸展刀片。用于使刀片保持在缩回结构的装置必须是可靠且安全的，因为刀片的过早伸展很可能会导致严重的损坏，这种损坏可能难以修补且代价昂贵。不过，这必须通过操作员在理想的时候释放刀片的能力来平衡。
此外，无论什么原因，在下铰孔的操作完成之后，管下扩孔器的刀片不能缩回会使得难以从孔中移走管下扩孔器或者就不可能从孔中移走管下扩孔器，因为管下扩孔器将不能通入并通过现有的套管。如果可能的话，补救这种问题会花费很多时间和费用。
本发明实施例的目的之一是提供一种具有一种结构的管下扩孔器，如果发生操作困难，该结构有助于管下扩孔器刀片的缩回。
本发明另一些实施例的目的之一是提供一种具有一种结构的管下扩孔器，该结构确保管下扩孔器刀片可靠安全地保持在缩回结构中并可靠地致动刀片到伸展结构。
本发明的其他实施例涉及以可沿径向伸展的构件为特征的井下工具的其他形式。
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供一种井下工具，包括：
主体；
至少一个可沿径向伸展的构件，所述至少一个构件安装到主体上并且能够在缩回和伸展位置之间移动；
凸轮构件，所述凸轮构件可操作地与可伸展构件相关联并可相对于主体运动，以伸展可伸展构件；以及
支撑构件，所述支撑构件可构造成允许可伸展构件从伸展位置缩回。
本发明的这个方面提供了这样的优点：即支撑构件允许可伸展构件的缩回独立于或至少基本独立于凸轮构件。这在凸轮构件不能被移动或者被操作允许可伸展构件缩回的情况下，例如凸轮构件粘住或堵塞时，会很有用。在向下钻进的操作中，例如在所述工具是管下扩孔器时，具有切削刀片形式的可伸展构件的直径比工具之上最小孔的内径更大。因此，如果刀片不能被缩回，那么工具就不能从孔中移走，为操作员制造很大的困难并需要耗费时间和昂贵的修补工作以克服所产生的问题。
优选地，支撑构件可构造成允许可伸展构件相对于凸轮构件和主体中的至少一个运动，以允许可伸展构件缩回。
凸轮构件可以是任何适当的形式，但优选地是可相对于主体沿轴向运动以伸展和缩回可伸展构件。因此，支撑构件可构造成允许可伸展构件相对于凸轮构件沿轴向运动。
在本发明的实施例中，对于许多现有的操作凸轮的井下工具，凸轮可以合并在钻柱的一部分中，而主体合并在钻柱的另一部分中，从而凸轮能够相对于主体运动且通过把拉力或重量施加到钻柱上来伸展或缩回可伸展构件。这为操作员提供了一定的舒适度，因为凸轮构件相对于主体堵塞或粘住的可能性很低；可通过施加来自表面的重量并通过依靠底孔组件(BHA)的重量来向凸轮构件施加充分的力。不过，利用本发明，凸轮构件可独立于钻柱运动。如上所述，即使这种凸轮构件会堵塞或粘住完全伸展的可伸展构件，可伸展构件也仍然可以被缩回。因此，操作员可以因为可伸展构件的缩回不依赖于凸轮构件的成功缩回而安心地使用包括这种可独立运动的凸轮构件的工具。
凸轮构件可向着可伸展构件被缩回的位置被正常地驱动，或者所述工具可适于使得可伸展构件被正常地缩回。在优选实施例中，凸轮构件被驱动以通过弹簧缩回可伸展构件。
凸轮构件可以通过任何适当的方式被致动，但优选的是液压致动，且最优的是通过压差，即通过利用工具内部和工具外部之间的液压差被致动。在优选实施例中凸轮构件是活塞致动的，并可以合并环形差动活塞装置，从而工具内的可流过工具和活塞的流体产生跨经活塞的压差。其他实施例可以是流体驱动的，其中凸轮构件可操作地与喷嘴或其他流体节流结构相关联。
支撑构件可适于保持在支撑结构中；在该结构中可伸展构件单独地或主要通过凸轮相对于主体的运动而被伸展和缩回。支撑构件可通过任何适当的手段保持在支撑结构中，包括可释放联结器，比如安全销，或者通过弹簧。在优选实施例中支撑构件适于至少部分地通过液压保持在支撑结构中。在一个实施例中支撑构件可操作地与活塞装置相关联，在存在适当液压的情况下，朝着支撑结构驱动支撑构件。活塞装置可适于通过工具内部与工具外部之间的压差或者通过流过工具地流体而被致动。因此，当减小致动液压时，可从支撑结构除去支撑构件以使可伸展构件相对于凸轮构件运动，从而允许伸展构件缩回。
尽管在其他实施例中可伸展构件可相对于主体旋转，然而，优选地，可伸展构件可相对于主体径向地线性平移，尽管这会限制可施加到构件上的打开力(opening force)，而在工具是切削工具且当可伸展构件被伸展时它需要进行切削的情况下，这会引发困难。
根据本发明的工具可用于广泛的需要可伸展构件或刀片(包括套管割刀和扩管机)的应用中。不过，对于本发明工具的优选应用是其中可伸展构件是刀片或切削刀的管下扩孔器。更优选地，铰孔刀片在两个轴向上都能进行切削，即在一个主方向铰孔并在相反方向上反向铰孔。
可伸展构件可以用任何适当的方式安装在主体内，但优选地位于主体的窗口或开口中，其中根据工具的预定用途，窗口的侧边为构件提供横向或轴向支撑。在其中的工具为主要用来向前铰孔的管下扩孔器的优选实施例中，主体窗口的侧边为构件提供横向支撑，而窗口的尾端为构件提供轴向支撑。支撑构件可延伸入窗口中，并为可伸展构件的至少一侧或端部提供支撑。在优选实施例中支撑构件为伸展构件的前引面或端部提供支撑。因此，如果伸展构件将要被缩回，那么工具可被拉出孔，直到伸展构件受到孔的限制。这在伸展构件上产生轴向力，该力被转移到支撑构件上。根据支撑构件的结构，可伸展构件保持在伸展位置或被允许缩回。
优选地，凸轮构件具有相对于工具轴线倾斜的凸轮表面，且最优的是凸轮表面具有锐角，通常在十度区域内。这提供了很大的机械优势，从而在可伸展构件上提供高的开口或伸展力，并且在对抗沿径向作用的关闭力方面很有效；本发明的第一个方面的支撑构件的设置对于这种凸轮装置更加重要。
优选地，凸轮构件确定地接合可伸展构件。在一个实施例中凸轮构件和可伸展构件具有相应的燕尾外形。这种外形确保可伸展构件可确定地被凸轮构件收回，并且诸如燕尾形等形状可布置成：提供的支承表面比平面所能提供的更大。在另一些实施例中凸轮构件不必要确定地接合可伸展构件，从而可伸展构件的缩回通过施加外力或通过提供回动弹簧等来实现。
优选地，所述工具可构造成：至少最初将可伸展构件限定或保持在缩回位置。该特征对于防止可伸展构件的过早或意外伸展是有用的；如果工具是管下扩孔器并被包括在钻头以上的钻柱中，同时钻头被用来钻出套管鞋，则重要的是管下扩孔器不被致动，因为这会导致切削刀延伸到现有的套管内。凸轮构件和可伸展构件中的一个或两个可以是可锁定的，例如通过可释放的联结器(诸如安全销或环等)。在另一些实施例中凸轮构件可通过选择性地限制凸轮构件的运动并且在凸轮构件自由运动到可伸展构件可被伸展的位置处之前需要凸轮构件旋转预定次数的连续J-槽或筒形凸轮装置等被安装到主体上。本发明的另一些实施例可合并棘齿装置，该装置包括如我们的在先申请WO 02/075104中所述的水力棘齿装置，其披露的内容作为参考合并于此。可选地，在凸轮构件是流体致动的情况下，可提供一种装置以用于使凸轮构件与液压或流体流隔离开来，或用于取消制动凸轮构件所需的流体密封，如下面关于本发明的第三方面所述的那样。
通过伸展的可伸展构件，工具被构造用来避免提供隔离空隙，但该空隙可以在可伸展构件向缩回结构运动时被形成。这避免了构件被伸展时具有空隙特征的工具中出现困难；可用固体材料填充这些空隙，已知为“填塞(packing-off)”，从而防止可伸展构件缩回。本发明的特定实施例可以以空隙为特征，但这种空隙不是隔离的，并且例如可以限定流动通道，以便流体流过空隙，从而防止固体堆积在空隙中。本发明的一个实施例的特征在于：包括至少一个外部空隙，不过工具适于把一股或一束流体引入空隙，从而确保空隙保持清洁。在本发明的优选实施例中，工具主体被形成用来限定至少一个轴向延伸沟道，以助于流体从工具外部与孔的包围壁之间通过。最优选地，该至少一个轴向延伸的沟道至少部分地由外部空隙来限定，该外部空隙被提供用来适应可伸展构件与支撑构件中的至少一个相对于工具主体的移动。空隙可形成主体中的凹穴的一部分。沟道可以成螺旋形地延伸，尽管最大的可能是由空隙限定的沟道的所述部分只会沿轴向延伸。以这种方式形成沟道使得主体上稳定化或集中化的表面近似地沿着一螺旋路径前进，从而提供了能够提供更大的周向延伸的表面，因此提供了比仅沿轴向延伸的表面更有效的的稳定性和集中性。
优选地，工具以用于指示可伸展构件已经伸展的装置为特征，该装置可具有任何适当的形式。在一个实施例中可以设置流体端口，当构件伸展时该端口是打开的，这可以在背压下降时的表面上来检测。
根据本发明的第二个方面，提供一种结合在钻柱中的井下工具，该工具包括：
主体，所述主体适于形成钻柱的一部分；
至少一个可沿轴向线性伸展的构件，所述构件被安装到主体上并可在缩回和伸展位置之间运动；
凸轮构件，所述凸轮构件可操作地与可伸展构件相关联，并可相对于主体并独立于钻柱而运动，以伸展可伸展构件；以及
支撑构件，所述支撑构件被构造成允许可伸展构件相对于凸轮构件和主体中的至少一个运动，以允许可伸展构件的缩回。
根据本发明的第三个方面，提供一种井下工具，包括：
主体；
至少一个沿轴向可伸展的构件，所述构件被安装到主体上，并可在缩回和伸展位置之间移动；
致动构件，所述致动构件在操作上与可伸展构件相关联，并适于使可伸展构件响应于流体压差而向着伸展位置运动；以及
密封构件，所述密封构件具有第一结构和第二结构，在该第一结构中致动构件与差压隔离，在该第二结构中致动构件暴露于差压中。
本发明的这个方面提供了压差致动工具，其中压差的变化几乎不会影响工具的致动，直到密封构件被适当地构造。这与限制压差致动工具(比如安全销)的传统方法相比，能提供有利之处。压差根据许多因素而变化，包括工具的深度以及在工具下游是否存在流动节流口(flow restriction)。因此，很难预计正常操作下工具将要经受的压差，从而难以选择适当的安全销。
该致动构件可与凸轮构件结合起来设置，该凸轮构件在操作上与可伸展构件相关联，并可相对于主体运动以伸展可伸展构件。
优选地，密封构件适于在有关流动的流体压力的影响下运动。密封构件在操作上与流动节流口有关，从而可横跨该节流口建立压差。流动节流口可以是喷嘴的形式。密封构件可以这样形成：使得压差作用在相对大的面积上，最优的是在工具通孔的面积上。
对本领域熟练技术人员而言显而易见的是：以上所述的各种特征可以与本发明的一个或多个不同方面相结合，而这些特征本身确实也可以形成本发明的另外的单独的方面。
附图说明
现在将参考附图以举例的方式说明本发明的这些和其他方面，其中：
图1是根据本发明实施例的以管下扩孔器形式的井下工具的透视图，其处于切削刀片缩回的状态；
图2是图1所示的管下扩孔器的透视图，其中切削刀片是伸展的；
图3是图1所示的管下扩孔器的透视图，其中切削刀片在可选的缩回位置处；
图4、5和6是图1、2和3的管下扩孔器的剖面图；
图7是图2所示的管下扩孔器的致动凸轮和切削刀片的放大透视图；
图8a、9a、10a、11a和12a是根据本发明另一实施例的井下工具的剖面图，示出不同结构下的工具；
图8b、9b和10b是工具密封构件的放大剖面图，并分别对应于图8a、9a和10a；
图13是图12a所示的工具的透视图；
图14a和15a是根据本发明另一实施例的井下工具的剖面图，示出处于不同结构下的工具；以及
图14b是图14a所示的工具的密封构件的放大剖面图。
具体实施方式
首先参考附图中的图1，它是根据本发明一个实施例的采用管下扩孔器10形式的井下工具的透视图。如将要说明的那样，管下扩孔器10适于结合在钻柱12中，并且通常会被定位于钻柱12中且在钻头(未示出)上方的位置。这样，管下扩孔器10可用来增大由钻头形成的“引导”孔的直径。
管下扩孔器10包括大致呈圆柱形的主体14，所述主体根据便于制造和装配的需要而被形成为包括适当数量的段。由于主体14将要结合在钻柱中，因此主体的末端会设有传统的阳螺纹—阴螺纹连接。在主体14内安装了三个可径向伸展的采用刀片或切刀16形式的构件。当管下扩孔器10进入孔中或从孔中出来时，切刀16位于缩回位置，如图1所示。为了进行切削操作，切刀可以运动到伸展位置，如附图中的图2所示，其中切刀16延伸超过主体的外径以切削孔壁。在该实施例中每一个切刀16携带周向分开的两排切削插刀18，其中切削插刀18在朝着管下扩孔器10的前引端的方向上具有较小的直径。槽或沟道20在每一排切削插刀18之间延伸，以允许流体流经插刀的尾排并保持切刀的切削清洁。还通过在容纳切刀16的主体24的颠倒部分之间设置三个沟道或槽22来帮助钻孔流体的流动以及经过管下扩孔器10的切削。
如可从图1至3所看到的那样，每一个切刀16位于主体14中的相应窗口26中。在正常条件下，每一个切刀16被定位成朝向相应窗口26的上端或尾端，由窗口26的上端和侧边支撑并与它们紧密接合。实际上，可围绕每一个切刀16设置定位在狭槽28(图7)中的周边刮油密封环(wiperseal)，以防止或最小化切刀16周围的材料进入和通过。
每一个切刀16的下端或前引端接合相应的支撑构件30，如图3所示，该支撑构件可以相对于主体14沿轴向运动，以允许切刀16如将要说明的那样缩回。
现在参考附图的图4、5和6，它们是分别对应于图1、2和3的管下扩孔器10的剖面图。现在参考附图中的图7，它们表示安装在致动凸轮32上的切刀16。图7表示对应于图2和5的切刀16与凸轮32的相对位置。
凸轮32具有三个凸轮表面34，每一个用于与相应的切刀16合作。每一个凸轮表面34具有燕尾形36，其与切刀16基座中的对应燕尾槽38合作。因此，凸轮32可以与每一个切刀16正接合(positively engage)，这样就可以用来伸展并正缩回(positively retract)切刀16。此外，使用燕尾形还能用来保持切刀16相对于凸轮32的正确对准。
凸轮32是管形的，其通过滑动配合在主体14内而被定位。此外，凸轮32安装在细长的管套40上，该管套延伸通过主体到达与压缩弹簧44的上端相接合的末端件42。这种布置使得弹簧44迫使套管44和凸轮32向上朝着切刀16完全缩回的位置(图4)。
在使用中，钻孔流体被泵送经过主体14，从而经过凸轮32和套管40。该流体被用来通过直径有差别的密封件46、47在凸轮32上产生轴向致动力，上面较大直径的密封件46接合主体14的内表面，而下面较小直径的密封件14设置在部分支撑构件组件48与套管40的外表面之间。
如上所述，在正常的操作条件下，每一个切刀16定位在由主体窗口26以及支撑构件30的上端限定的开口内并由该开口支撑。利用支撑结构中的支撑构件30，凸轮32在主体14中的轴向运动产生了切刀16的线性径向运动。尽管主体窗口26的上端和侧边是固定的，但每一个支撑构件30可从最初的支撑结构中释放，并可相对于主体14和凸轮32向下滑动，以允许切刀16相对于主体14和凸轮32轴向运动，从而缩回(图6)。
支撑构件组件48包括三个支撑构件30，所述三个支撑构件30沿径向向外延伸到主体窗口26中。支撑构件30形成于套管组件50的上端上，该套管组件安装在凸轮套管40周围，并包括在主体的内径与凸轮套管40之间延伸的下环形活塞52。支撑构件组件活塞52最初由安全销54相对于主体14被固定。此外，当使用管下扩孔器10并且受压的流体流过管下扩孔器时，在管下扩孔器10内的流体与围绕管下扩孔器的套环中的流体之间存在压差，从而流体压力差作用在活塞52上，该活塞用来将组件48支撑在切刀支撑位置上。
可从图4、5和6注意到：活塞52包括喷嘴56，所述喷嘴被布置用来把成束钻孔流体引向支撑组件30下面的窗口26中，从而保持空隙53不存在固体材料并有助于清洁切刀16。
在使用时，如上所述，管下扩孔器10结合在钻柱中且在钻头的上方，并且通常在其他钻孔工具之上，诸如旋转的可控工具和MWD工具。钻柱可以进入预先加套的孔中以延伸该孔，并在这种情况下钻头最初用来钻透位于现有的套管下端的套管鞋，也用来钻透积累在孔下端的任何胶泥。在这一点上，管下扩孔器10将仍然位于现有的套管内，当然并不想在此时延伸切刀16。因此，将设置装置来限制凸轮32与切刀16中的一个或两个，例如适当定位的安全销。
一旦钻头已经前进并且管下扩孔器10在现有套管的下端是干净的，就可以增大钻孔流体的流速和压力，以沿轴向向下移动凸轮32通过主体14，从而当钻柱旋转时沿径向向外推动切刀16以接合并切削孔壁(图5)。所示的凸轮32具有凸轮表面34，其处在相对窄的大约10度的角度上。这需要凸轮更大程度地运动以延伸切刀16，不过相对较窄的凸轮角度在切刀16上产生了相对大的径向力，从而在切刀16沿径向向外运动时有助于切削孔壁。此外，一旦切刀16完全伸展开，且管下扩孔器正前进穿过孔，那么切刀16将会受到轴向力，该力会在切刀16上产生充分的向内的力，该力部分地由窄凸轮角以及由凸轮设置的较大支撑面积来抵抗。
安全销54和作用在支撑活塞52上的流体压力会将支撑构件30保持在它们的初始支撑位置上。此外，在正常的铰孔操作中，切刀16将受到主要沿轴向向上及沿径向向内的力，从而由支撑构件30承受的力会相对较低。
随着铰孔操作的完成，如果减小钻孔流体的流速和压力，弹簧44将延伸并使凸轮32在主体14中向上运动，从而缩回切刀16并允许管下扩孔器10被拉出孔中。
当切刀16伸展时，在管下扩孔器10中不存在内部空隙会有助于切刀16的可靠缩回。因此，切刀结构要避免内部空隙被填充或填塞有固体材料时所出现的情形，这会阻碍切刀的缩回。可从图4和6注意到，当切刀16被缩回时会存在或产生空隙60、61，不过当切刀16被伸展时没有明显的空隙存在。
在凸轮32遇到问题的情况下，例如凸轮32被堵塞在如图5所述的伸展位置中，那么可以通过减小流经工具的流体的流速和压力、然后提取工具并抬升工具直到伸展的切刀16遇到限制来实现切刀16的缩回。这会产生向下和向内的力，该力将主要由支撑构件30抵抗。在不存在横跨活塞52的压差的情况下，力将会剪断销54，从而支撑构件组件48会自由地相对于主体14和凸轮32沿轴向向下运动，使得切刀16可以向下移动各个凸轮表面34并缩回至如图6所示的位置。然后，管下扩孔器10可以从孔移走。
本领域熟练技术人员会确认：以上工具结构提供了有效和可靠的装置来允许可伸展切刀的缩回，即使是在使用独立于钻柱的切刀致动凸轮32的情况下。
现在参考附图中的图8a、9a、10a、11a和12a，它们是根据本发明另一实施例的采用管下扩孔器110形式的井下工具的剖面图，表示处于不同结构下的工具，另外还参考附图中的图8b、9b和10b，它们是工具110的密封构件160的放大剖面图并分别对应于图8a、9a和10a。工具110与上述工具10共有许多特征，那些特征将不会再作详细的说明。
在本实施例中，用于伸展和缩回切刀116的凸轮132被安装在细长的套管140上，该套管延伸通过工具主体114。套管140的上端通过并连接到压缩弹簧144的上端，该压缩弹簧通常迫使套管140和凸轮132朝向切刀116完全缩回的位置(图8a)。套管140的下端最初与密封构件160密封接合，该密封构件在初始结构中用来隔离并抵消由直径不同的密封件146、147产生的对活塞的影响；作用于较大直径的密封件146所限定的面积上的压力基本上通过作用在密封构件160的密封件162所限定的近似面积上的压力来平衡。
在图8b中表示得更详细的密封构件160，是两个主要的大致呈圆柱形的部分164、166，上面的部分164带有密封件162并具有密封地容纳套管140末端的内管状部分168。该密封构件部分164、166结合在一起以允许一定程度的相对轴向运动，该轴向运动由从部分166的上端开始延伸的套管172上的台肩170与在上面部分164上的环174之间的接合来限制(参见图8c)。密封构件部分164、166最初由作用在较小的周向间隔的活塞176的面积上的压差而保持在一起，其中活塞被连接到下面部分166，并延伸进入形成在上面部分164中的对应各个圆柱体(cylinder)178中。
下面部分166具有通孔，该通孔设有流动节流口180，从而流体流经节流口180会产生跨越部分166的面积的流体压差力，其中该部分由密封件182限定。
密封构件160由安全销184保持在它的初始位置，该安全销在主体114和下面部分166之间延伸。工具110的致动通过切断销184来启动，如下所述。
在工具110的初始结构中，如图8a和8b所示，主体114内部与主体外部之间的压差变化对工具110没有影响；密封构件160抵消了由密封件146、147所产生的压差活塞的影响。但是，考虑到被泵送通过工具110的钻孔流体的密度，如果流体流动的速度增大到跨越节流口产生的压力足以切断销184，那么密封构件160可被重新构造以允许工具110的致动和切刀116的延伸。这使得能够更加可靠地启动工具110的致动，因为对于给定的节流口180仅有两个变量，即钻孔流体重量或密度以及流速。
一旦销184被剪断，那么密封构件160的下面部分上的有关流动的差压力将会把部分166向下拉并拉离上面部分164，如图9a和9b所示。如上所述，上面部分164最初被工具内部与工具外部之间的压差保持在上面的位置；部分164的上表面通过喷嘴156暴露于外部压力下。部分166的初始运动被从部分164拉动的活塞176所衰减，直到被接合环188的活塞台肩186限制住，随后的运动由从圆柱体178抽出的活塞176所衰减，如图10a和10b所示。
随着活塞176从圆柱体178抽出，密封构件160将简单地被向下被推到落在位于工具110下端处的台肩上，如图11a所示。此外，一旦活塞176已经从圆柱体178中抽出，那么由直径不同的密封件146、147产生的面积相对较大的活塞被带入运转，以致足够大的轴向力施加到凸轮132上，然后该凸轮向下运动通过主体114并使切刀116伸展，如图12a所示。
当工具110被操作时，钻孔流体被泵压，从地面向下通过工具，流到工具110的喷嘴156以外并从工具110下面的钻头中的喷嘴喷出，然后经过柱与孔壁之间的环槽流回地面。为了有助于流体通过工具110，螺旋式延伸的沟道122形成在主体中，如附图中的图13所示。沟道122包括前引和尾部的成角度的表面槽122a、122b，以及中间轴刀片槽122c，它们由在主体114中切出的凹穴或窗口126形成，以容纳切刀116和切刀支座130的轴向运动。主体110在沟道122之间的表面也大致呈螺旋形，这比轴表面提供了更有效的稳定和集中化。还可以注意到，尾槽122b形成在切刀116的前面且主体的厚度大大超过切刀116，有助于切刀116的支撑。
在其操作的其他方面，工具110基本上类似于上述工具10。
现在参考附图的图14a和15a，它们是管下扩孔器210的剖面图，并参考附图的图14b，它是工具210的密封构件260的放大剖面图。管下扩孔器210以基本上类似于上述工具110的方式操作，不过工具210具有的密封构件260的结构在一定程度上更简单，并需要球290落入密封构件260中以致动工具210。密封构件260包括两个主要部分264、266，它们被固定在一起，外面的部分264带有密封件262以便接合主体孔且部分264的下面的更大直径部分通过安全销284连接到主体214中，而里面的部分266提供与套管240的下端间的密封，还具有球掣(ball-catching)节流口280。
在使用时，使球290从地面落入工具210中，并从地面施加液压，这会产生跨越球与节流口290、280的流体差动力，该力足够大到剪断销284。然后该力会对抗工具内部与外部之间的压差使密封构件260向下运动，直到密封件262移动到主体孔的更大直径部分中，且随后密封构件会离开套管240的端部并清洁该端部，如图15a所示。然后操作该由密封件246、247形成的差动活塞，并伸展切刀216。
一旦密封构件260清洁了套管240的末端，流体可以通过流经节流口280上面的部分266中的端口292而绕过经过球290，并进入部分264、266之间的环形通道294。
上述实施例对本领域熟练技术人员而言显然仅仅是本发明的解释性说明，可以对其进行各种变更和改进而不会背离本发明的范围。