旋转式钻井装置

本发明涉及一种由下列各部份组成的旋转式钻井（孔）装置：绕旋转轴旋转的钻体，装在钻体上并可旋转的带有许多齿的刀具，以及一个或一个以上的平衡反作用力部件;后者也装在钻体之上并至少部份向外突出。这种旋转式钻井装置可用来钻出大体成圆筒形壁和凹底的孔。

这种装置在本申请者先前提出的E.P.72，072号专利和相应的美国4，549，614号专利中作过介绍。这种钻井装置的试验结果非常好，但如能修改平衡反作用力部件的形状及其相对于刀盘的位置，效果显然还可以进一步改善。E.P.72，072号专利中提出的平衡反作用力部件是一种滚柱或一种摩擦件，它主要支承在钻孔的圆筒形壁面上，其作用是抵消地层对刀盘反作用力的径向分量，使钻头处于孔的中心，压实钻孔的圆筒形壁。但是，由于地层特性缘故，钻头有时会在其所受负荷的作用下进入地层过深，造成钻井装置的旋转装置过载甚至卡死，也可能由于装置在钻孔的底部打滑（底部在刀盘穿过后未经压实），使钻头偏离所要求的钻孔位置。

本发明的目的是通过改进平衡反作用力部件的形状和位置来克服上述这些缺点。

本发明的钻井装置由下列组成：

一个绕旋转轴旋转的钻体，

一个装在钻体上并可旋转的带有许多齿的刀具，

一个或多个装在钻体之上并至少部分突出的平衡反作用力部件， 这种旋转式钻井装置可用来钻出大体成圆筒形的壁和凹底的孔;平衡反作用力部件在钻体上的位置应使其只接触孔的凹底部分;平衡反作用力部件突出部相对于钻体轴的最大径向距离要小于钻削齿突出部相对于钻体旋转轴的最大径向距离。

本发明装置具有如下各项优点：由于平衡反作用力部件与钻体之间的位置布置得当，使前者只同钻孔的凹底接触，而平衡反作用力部件与钻孔的圆筒形壁面之间留有空隙，所以钻井装置比较容易从孔中退出。空隙还可用作钻探液的通道，使钻孔过程中形成的碎石从孔中排出。

本发明装置的另一个优点是：平衡反作用力部件与孔底接触可以去除孔的所有突出部和压实孔的表面，从而消除由刀盘的前一次钻削开出的凹形底上的所有不规则形状，以便刀具下一次钻削。对钻孔凹形底面的压实和修整可以减少钻井装置偏离所要求的钻孔位置的危险。假设钻井装置不装设平衡反作用力部件来实施这一功能，则刀盘会由于钻孔的不规则底部的突出部和凹陷部而偏离其实际路线，或者刀盘滑入未作压实的孔底的松软的凹坑，造成钻井装置偏离钻轴。

本发明装置的一种推荐结构形式还有如下优点：通过适当布置平衡反作用力部件的接触面与刀盘的相对位置，来防止刀盘上的齿进入地层过深。如果刀盘的齿只是部份进入地层，而不是全部进入地层，那未钻孔过程就将会是高效、稳定和快速;因为在这种情况下一方面钻出的碎石颗粒较小，易于被钻探液带走，另一方面齿的钻削作用更加有效，只需加较小的力，从而可以防止钻井装置的旋转装置过载。

与孔的凹底部接触的平衡反作用力部件表面的形状应使其本身在孔的整个范围内保持连续接触。因此，平衡反作用力部件要用淬硬钢材等比较耐磨的材料制成，以使其在钻孔过程中能经受住与孔底接触 造成的磨耗。平衡反作用力部件的表面还可以采用这种形式：上面点缀上若干个坚硬的大头钉，这些大头钉可以用碳化钨制造，突出在平衡反作用力部件的表面之外，相互间距一般为2毫米或更大些，这样在平衡反作用力部件和孔底面之间形成钻探液的流动通道，可以冷却平衡反作用力部件和清除刀具面上的碎石末。这些大头钉可以布置成交叉形的图案，这样在平衡反作用力部件的最高和最低接触点之间对孔底面作充分的清除和压实，从而可以非常有效地对孔底进行上述修整处理。对于某些类型的地层，还可以使大头钉成对排列（每对钉的两钉之间留有一定间隔），每对大头钉相对于钻井装置的旋转轴作辐射状排列。这种大头钉排列方式可以在每对大头钉之间的空隙中形成不间断的流动通道，以实现有效的冷却和碎石清除。

按照本发明推荐的结构形式，刀盘的旋转轴相对于钻体是偏离钻井装置的旋转轴;与普通的同轴结构相比，刀盘的位置使其在旋转方向具有一定导前。两轴的偏离可确保由前导齿来进行钻削，在后齿和孔之间的间隙可防止刀盘停止转动，在没有导前的情况下后齿与孔直接咬合就可能使刀盘停止转动;此外刀盘后方的间隙还有利于清除碎石。按照这种结构，由刀盘的下侧前导扇形部或扇形刀上的齿来进行钻削，而平衡反作用力部件的最佳位置是在钻井装置旋转轴的与扇形刀正相反的一侧。这样布置以后，所装的平衡反作用力部件就可以承受和抵消地层加在钻井装置的钻削面上的径向力，从而可以防止与所要求的钻轴发生偏离或偏斜。

另一种推荐的结构形式是辐射式地安装两个平衡反作用力部件，它们之间以及相对于刀盘的扇形刀的夹角为120°;这种结构进一步改善钻轴的方向稳定性。

如采用一种最简单、最经济的结构形式，则可以使平衡反作用力 部件与钻体成为一个整体，可以用一块铸钢件同时加工出平衡反作用力部件和钻体。但是，平衡反作用力部件与钻孔底部接触的表面在钻井装置使用期间受到严重磨损，而由于该表面的过度磨损使原本还可以继续使用的钻体也只得提早报废。

因此，推荐的结构形式还是使平衡反作用力部件与钻体分开制造，然后定位和安装上去，这样当平衡反作用力部件磨损得无法使用时，可从钻体上拆卸下，换装上新的平衡反作用力部件，使钻井装置继续使用。还可以采用如下方式把平衡反作用力部件安装到钻体上;平衡反作用力部件的位置能相对于刀盘调节到最佳，从而作有效的钻削。实施办法是把平衡反作用力部件安装在钻体上的滑动位置，后者与钻井装置的旋转轴成一直线，并用调节螺钉固定住。至于平衡反作用力部件相对于刀盘的高度，则要根据所钻的地层的性质而定。

下面结合附图对本发明作更详细介绍。

图1是钻井装置的侧向总布置图及其与所钻孔的相互关系。

图2和图3是钻井装置下部的侧向局部视图，分别表示大头钉嵌入平衡反作用力部件的两种形式。

图4和4a表示钻井装置的底面。

图5表示平衡反作用力部件安装到钻体上去的方法，这种方法使平衡反作用力部件相对于刀盘的位置可以调节。

下面对本发明装置的推荐结构形式进行介绍。

钻井装置主要由钻体1、旋转刀盘2和平衡反作用力部件3组成。

在钻井装置的上部，钻体1上有螺纹101，该螺纹把钻体连接到钻孔中通常所用的旋转驱动装置上。通道102穿过钻体1，它是用来在压力作用下流通钻探液。通道102终止于一个与旋转轴线A 斜交的通道103，后者通向流出孔104，把钻探液送到孔底以及刀盘2和平衡反作用力部件3之间，用来清除由刀盘2的钻削面产生的碎石末。通道102的另一侧通向流出孔105，该孔把钻探液送到刀盘2的钻削面上，清除刀盘齿上的碎石，以不影响刀盘的钻削，并促进刀盘的冷却。钻体1的下端装有一根圆柱形轴106，该轴与钻体1的旋转轴线A成θ夹角。考虑到刀盘2的形状和刀盘上的钻削齿的结构形式，夹角θ最好在60°和70°之间，所选角度应保证在整个钻井装置和刀盘旋转中钻削齿能触及所钻孔的所有部位。使用普通轴颈、滚珠轴承或滚柱轴承等熟知的方法把刀盘2装到轴106上，并可绕该轴旋转。在钻体的侧面与轴106相反的一侧，装有平衡反作用力部件3。在图1中，平衡反作用力部件3不是与钻体成一体，前者是用钻体1内的定位槽107安装到钻体1上的;如图中所示，定位槽与旋转轴A是斜交的，用穿过钻体1内和平衡反作用力部件内的孔的销子4来定位。采用上述结构以后，拔去销子4并从定位槽107中抽出，就可以把平衡反作用力部件3从钻体1上拆卸下来，然后换装上一个新的平衡反作用力部件。在平衡反作用力部件磨损过度，或者钻孔情况和所需的刀盘2的类型要求换用另一种平衡反作用力部件的情况下，就要更换平衡反作用力部件。假如在钻井装置使用寿命期间不需要更换平衡反作用力部件，则可采用另一种更简单更经济的结构，即平衡反作用力部件3和钻体1做成一个整体。这种结构没有专门用图表示出来，不过从图1可以容易想像，如果钻体用铸造方法制造，平衡反作用力部件3可以制成钻体1的一部分。

平衡反作用力部件3的下表面301始终与孔5的凹底面501保持接触。此外，平衡反作用力部件3的任何部分以及其所安装的钻体1的任何部分相对于旋转轴A的最大径向距离要小于刀盘2的钻削 齿201的最大径向距离，从而也要小于钻孔的圆筒形壁面的半径。因此，平衡反作用力部件的下侧面301与孔5的底面501之间的接触面总是在孔5的弯曲底面501与孔5的圆筒形壁面502的相交线之下，该相交线大体处在理论平面α之上，平面α通过刀盘上的相对于旋转轴A有最大径向距离的齿、并垂直于钻体1的旋转轴A。平衡反作用力部件的下侧面301的最低点B相对于旋转轴A的径向距离为C，刀盘2与地层接触部在齿顶T1处的最低点E相对于旋转轴A的径向距离为D，距离C最好应大于距离D。建议在距离C和距离D之间有这样的关系，是由于在钻井装置的预期的几何图形中允许在点E和旋转轴A之间的孔底面上有突出点P;而且除非平衡反作用力部件与孔底的接触部的最低点B相对于旋转轴A的径向距离大于点E的径向距离，从而避免平衡反作用力部件3的下侧面301与上述突出点P发生干扰，否则，平衡反作用力部件3就不能最佳地发挥作用。

如图1所示，应使平衡反作用力部件3的下侧面301的形状加工得能与孔5的凹底面501连续接触。图2A、2B和3A、3B表示的是另外的结构形式，其中平衡反作用力部件的下侧面301上点缀有若干个突出的、坚硬的大头钉，这些大头钉与孔的底面接触，而下侧面301不与底面接触。在图2A和2B所示的结构中，用碳化钨之类材料制成的坚硬的大头钉302是成对地嵌在平衡反作用力部件3的下侧面301上，每对大头钉相对于钻井装置的旋转轴作辐射状排列，从而可以在每对大头钉之间的空隙中形成不间断的流动通道303。这些通道303可让钻探液通过，以便冷却平衡反作用力部件3和清除钻削面上的碎石。在图3A和3B所示的结构中，大头钉302′布置成交叉形图案，从而在平衡反作用力部件3的下侧 面301的最高和最低接触点之间对孔底面501作充分的清除，并可以非常有效地对孔底面501进行上述修光和压实处理。

刀盘2一般是用不易磨损的钢制成，其上装有用来在孔中实施钻削作业的齿201。齿201可以同刀盘2成一个整体，直接对刀盘2作机加工及随后作硬化处理制成;也可以，例如在刀盘2上的预先成形的孔中嵌进用碳化钨之类材料制造的坚硬的金属大头钉。图1中表示的是后一种结构。嵌进刀盘2并从刀盘2的表面突出的大头钉就起齿201的作用;应使突出部分的形状能进行有效的钻削。钻削齿201布置在刀盘2圆表面的两圈上（两圈所在平面与刀盘的旋转轴垂直）。离旋转轴A最远的外圈齿（其中之一是T1齿），其数量占刀盘2上齿的大部分，它们起主要的钻削作用。内圈齿（其中之一是T2齿），起辅助的钻削作用，对此下节将有进一步介绍。

E是刀盘2的最低点，由于钻削齿201的最低齿T1进入地层（见图1），该点承受的负荷最大。齿T2所处位置稍高，其作用是打碎并清除突出点P;突出点P是由于齿圈的相对位置而故意形成的，故此位置在孔5的凹底面501的中心。突出点P的存在有助于钻井装置的中心始终处于旋转轴A上，对此在E.P.72，072号专利（美国专利4，549，614号）作了说明。但突出部P在钻削过程中必须去除，而这个任务是由T2齿来完成。

图4是从下向上看钻井装置时的视图。作为一种推荐的结构形式，刀盘的旋转轴S应偏离钻井装置的旋转轴A，以便在旋转方向F形成导前量L。这种偏离可保证由刀盘上的先导齿来进行钻削，同时刀盘的后齿和钻井装置所钻的孔之间的间隙可防止刀盘停止转动，在没有导前的情况下后齿与孔直接咬合就可能使刀盘停止转动，此外刀盘后方的间隙还有利于清除碎石。按照这种结构，由刀盘的下侧前导扇形 部Q来进行钻削，扇形部Q就是外圈齿中在钻井装置的旋转方向F最前面的那个齿和最低齿T1之间围绕外圈齿201的圆弧。平衡反作用力部件的最佳位置是在钻井装置的旋转轴A的与扇形刀Q相反的一侧。这样布置以后，所装的平衡反作用力部件3就可以承受和抵消地层加在钻井装置的钻削面上的径向力，从而防止与所要求的钻孔轴发生偏离或偏斜。另一种推荐的结构形式是安装两个平衡反作用力部件3和3′;它们在同样高度，但相互之间以及相对于刀盘2的夹角为120°（如图4A所示）;这种结构进一步改善了钻轴的方向稳定性。

本发明装置的另一个重要特点是通过适当布置平衡反作用力部件3与刀盘2的相对高度，来防止齿T1进入地层过深;如果齿T1只部分进入地层，那么就可使钻削最为有效。此外，由平衡反作用力部件3来限制齿T1进入地层过深还可以防止齿T1由于无限制地进入地层而被剪断。

为能够根据地层的特点来确定钻削齿的最佳进入深度，以及对不同类型地层调整钻削齿T1的形状和相对于刀盘2的突出高度，采用如下方式把平衡反作用力部件3安装到钻体1上：平衡反作用力部件3的下表面301的高度能相对于刀盘2调节。图5表示的就是这种结构，其中平衡反作用力部件3″装在钻体1的垂直槽108中，用螺钉6固定，而必要时能相对于刀盘2调节高度。在这种结构中，用压紧垫圈7来调节下表面301相对于刀盘2的高度，即根据所需高度来改变垫圈的厚度。