扩孔器及其刃具

本发明的内容是扩孔器和伸缩性刃具，特别是带有圆锥形刃具（配有改进式刃具架）的扩孔钻头。

扩孔器、伸缩性刃具和开孔器等均已被用于扩大井筒，既可在钻头上装上刃片，也可在钻具的下端不加任何钻头刃片。美国专利№.3，386，521是钻头与扩孔器结合运用的例子，美国专利№.3，171，503是扩孔器安装在钻具下端的例子，美国专利№.4，533，003是用来将刃具固定在扩孔器钻杆上的一种改进式装置。

圆锥形刃具已用于钻头和扩孔器。这种圆锥形刃具装在一个销钉上，销钉从扩孔器钻杆的下端往下往里延伸。为了将圆锥形刃具安装在钻杆上，采用了滚动轴承和钢珠，美国专利No.2，641，447即说明了这种情况，销钉与钢珠锁定在钻杆与圆锥形刃具内表面之间的凹槽内，用来将刃具紧扣在刃具销钉上，如美国专利No5.2，661，447;3，998，500和2，519，716所示。专利No.4，161，343说明了销钉与刃具之间的按钮和摩擦轴承的作用。专利No.3，998、500提出，利用螺钉将轴承套固定在销钉上。专利No.4，478，299叙述了安装在销钉上的几种轴承，包括裂缝式衬套结构。

扩孔器上圆锥形刃具所能产生的切削量是被刃具能自由转动的切削时间所限制的，并且是刃具架效率的函数。

本发明的内容是改进式扩孔器、开孔器或带有圆锥形刃具（配有 改进式刃具架）的伸缩性旋转钻头。扩孔器由下列各件组成：带孔的钻体，装在钻体上端的可以转动的钻杆，装在钻体下端的销钉、带中心孔的圆锥形刃具，销钉扣紧于刃具中心孔的连接件以及中心孔的孔壁。轴承件能够承受在钻孔时刃具所受到的法向推力和径向负载，还能承受扩孔器刃具上所受到的反向推力负载。

在普通的锥体刃具，即锥体钻头中，当钻头旋转时，锥体能作圆周运动。圆的半径就是锥体转动的自然半径。只要这个转动半径能保持稳定不变，刃具和刃具架上的磨损就会是相对均匀的，锥体钻头就能长期处于良好的工作状态。然而当锥体钻头用在扩孔器里面面时，因为扩孔器的钻杆在使用时要向外伸展，锥体的转动半径就会增大，超过其自然转动半径，锥体钻头受到的法向推力负载就会指向刃具的相反方向。不过当扩孔器的锥杆打开时，刃具上的负载基本上全是反向推力负载，与刃具方向是相反的。这个反向推力负载是扩孔器刃具所受负载的主要成分，特别是在工作刚开始的时候，或者如果扩孔器只用在切削层较薄的时候，因为这时扩孔器只用了锥形刃具的外部后沿。再者，在偏差太大的孔内，反向推力负载起着主要的作用。当在操作中刃具打开的时候，反向推力负载即行减小，但有相当大的负载成分仍然留在刃具上。并且在操作过程中，锥形钻头总是力图恢复其自然转动半径，也就是力图关闭扩孔器或者往里收缩，这样便可建立自身的与刃具相反的负载。这些在操作过程中加在刃具上的可变负载就使刃具架上发生过份损耗和不均匀损耗。这种不均匀损耗和过份损耗的一个效果就是加速了扩孔器钻杆上的销钉和轴承的磨损，而此轴承却是刃具的一个组成部分。实际上，当钻杆上的销钉有了磨损之后，钻杆的终端部分被削除而另行焊上一个新的。进行这种焊接时所产生 的热使扩孔器的钻杆受到削弱。再者，钻杆每经削除而进行一次焊接，都得把原始杆子去掉一点以消除受热损伤部分。因此，刃具的替换性焊接只能进行有限的几次。

本发明的扩孔器刃具就克服了上述的钻杆和刃具方面的缺点。本发明的钻杆是一个整体器件，不需进行焊接。再者，更为重要的是，在进行操作时，刃具不会使钻杆和销钉发生损耗，因此也就不必进行频繁的更换。再有一点就是，刃具与钻杆上，销钉的接触是借助于一个新颖的机构，因而大大加强了承担负载的能力，不但对法向推力负载，而且对反向推力负载，都是如此;还扩大了进行钻孔操作时刃具上承受径向负载的面积。

为了实现上述目标，在本发明中，用来对刃具与杆上销钉进行连接的轴承件对刃具进行了连接。因此，轴承件是稳定地装在杆上销钉上，而一切运动都只发生在轴承件与刃具之间。这样的结构就保证了扩孔器钻杆的销钉不会发生磨损。

这种目标以及其他各项目标，在本发明的实施例中，由于采用了轴颈轴承，便全部已经实现。轴颈轴承含有一个零件，可以防止轴承件相对于钻杆上销钉而运动。最好是采用裂缝式轴颈轴承，其上具有一个整体凸块，可以承受轴向负载。滚珠轴承没有多大的止推作用，所以宜于采用轴颈轴承。还有一点，本发明的裂缝式轴颈轴承的两个部分是分开的，从而具有更多的优越性。在进行钻孔操作时，由于承受了负载，刃具就要发热，要膨胀。在两个部分的接合处安装一个整块的轴颈轴承或裂缝式轴承，这个因发热而产生的膨胀便可能将钻头扣紧而不能润滑。在本发明中，轴颈轴承部分不可能扣紧，因其两部分是分开的，其中尚有膨胀的余地。再者，当刃具被连续使用时，内 表面不断发生磨损，就会出现磨粒和金属屑。裂缝式轴颈轴承分裂成两半以后，就有了一个敞开的空隙，这些东西就可能聚集起来。在常规的刃具装置中，这种磨屑会在刃具里面引起附加的损耗，最后可能将刃具扣紧，使其不能转动。

这里对本文所附的各个插图作一个简要的说明：

图1是本发明改进式扩孔器处于收缩状态或工作部位的结构图，一部分是视图，一部分是剖视图。

图2是本扩孔器处于伸展状态或切削部位的结构图。

图3是扩孔器钻杆下端上的销钉和圆锥形刃具的支架的详细剖视图。

图4是图3所示装置沿4-4线的剖视图。

图5是图3实施例沿a箭头方向的部分底视图。

图6是图3实施例的止推轴承的侧视图。

图7是图3实施例的锁闭销的顶视图。

图8是与图3所示装置相类似的本发明第二个实施例。

图9是与图4相类似的本发明的第二个实施例的横剖面图。

图10和11分别是与图3和4相类似的本发明的第三个实施例的剖面图和横剖面图。

图12是本发明的再一个实施例的横剖面图。

图13是图3实施例中所用的密封片的放大了的横剖面图。

图14是图12实施例中所用的密封环的横剖面图。

图15是图14所示密封环沿15-15线的部分横剖面图。

图上的字母A表示本发明装置中的伸缩性旋转钻头或孔扩器的钻具，钻具的上端可以固定到钻管B的下端，此钻管则可伸展到井孔的 顶端。利用井孔，钻具通过井套（图上未曾画出）可以下降到井套下面的空间，扩孔操作就在这里进行。一般地说，钻具的主体，即钻体为C，其中装有刃具支架或连接杆，即钻杆D，在其下端是刃具组件E。主动柱塞F可以在主体C的孔内运动，并与连杆G相连接，此连杆将柱塞接到刃具支架或钻杆D上。当柱塞F向下运动时，连杆G的下端就向外扩展，并连接于钻杆D的下面部分，此钻杆又向外扩展，将刃具组件向外推，推入其展开的切削状态，如图2所示。在这个位置上，钻具的转动就带动主体C和刃具支架一同转动，就在这里，刃具组件E便将井孔钻出或将其扩大。当柱塞返回到上面位置，如图1所示时，与之相连的连杆G便发生作用将刃具收回。

钻体C的上端为圆管10（其上端接于钻管B），下面是套管11，此套管通过螺纹12又与上端的圆管相连接。上端圆管10有孔10a，与孔、钻管和孔10b都是相通的，柱塞F在10b中滑动。管套11有同心孔11a，整个穿透出去，孔的下端为11b，此处孔径较大，如图1和2上所明白表示。

在钻体内有许多垂直延伸的小片13，用来接收刃具支架或钻杆D。小片的数目在各钻具中不尽相同，在本图中是三个。每条小片13都沿套管11作纵向延伸，轴销15的端点的进入孔开在每块小片的侧壁上，轴销15使得刃具支架随小片而转动。每块小片的下端伸在圆形孔13a内。装在每个钻杆D下端的刃具组件E便可通过13a而运动。

每个刃具支架或钻杆D的横切面基本上都是矩形的，上端具有小凸片，片上开有横向孔。钻杆的宽度与小片13的宽度基本上是相同的。当钻杆D位于小片之内时，轴销15就延伸穿过横向孔，其终端 则置于管套11的孔内，在这里，每个钻杆都枢轴旋转式地装于每个小片之内。

由于每个钻杆的上端都有轴销15，所以这些钻杆可以向外扩展，超出管套11的外部表面，因此刃具组件E就会伸展，如图2所示。

为了使得所有的钻杆D同时伸展，便将每个钻杆通过一对连杆29与连接器30连接起来。每个连接器通过圆形轴套31与环形柱塞F的下端直接连接在一起。连接器30上有许多向外的小凸块，每个凸块上都有一个小孔或凹孔。连杆29的上端分别支在小凸块32的每个边上，每端有一个向内的小凸块，置于连接器30上的凸块小孔或凹口内以将连杆的上端与凸块连接起来。凸块32分别置于凸柱的每一边，凸柱本身是设置在每个钻杆D的内表面上。连杆下端的孔与凸柱上的孔排成直线以接受轴销。

当环形柱塞F被螺线弹簧36推进到其升高了的位置时，连接器30也升高到与每个钻杆D内面的斜表面甚为接近的地方。由于与连杆29相连，这些连杆就摆向图1所示的位置，从而使其下端向内运动，并使每个钻杆在套管内保持收缩状态。在连接器30的孔的下部装有一个端口簧37（见图1）。当增压流体通过钻柄和环形柱塞F以及轴套31而往下送进时，端口簧便起着限流作用，这就使得在柱塞F上方的压力有所升高。当此升高了的压力超过了螺线弹簧36的力量时，柱塞F，轴套31和连接器30就相对于管套和钻杆而往下运动。这就推动了连杆和连接器30之间的上部轴销点向下运动，于是促使连杆29的下端向外扩展。这个扩展运动引起钻杆D围绕上部轴销15而迥转，钻杆的下端则向外扩展，从而推动刃具组件E进入伸展位置。为了控制钻杆的径向伸展，对于环形柱塞F的向下运动必 须通过环绕连接轴套31的制动轴套40加以限制，此轴套40则靠在套管11的孔11a和孔11c之间所形成的环形肩11d上。当此柱塞的下端顶靠着制动轴套40的上端时，柱塞就不再继续运动，从而限制了连杆29下端的扩展范围。

如图3所示，刃具组件E包含有圆锥形刃具50（具有适当形状的占用元件，如齿形或插入型，图上未画出），连接器54（用于将刃具50固定在钻杆D的销钉52上）和止推轴承件56（插在刃具50的内表面与销钉52的外表面之间以保证在进行操作时刃具50能自由运转）。

刃具50具有适当的外形，即大家都熟知的圆锥形，还有一个内膛58，在此内膛的侧壁上刻有环形凹槽60。销钉52从钻杆D的下端向下向里延伸，具有一中心孔64和一个孔66。还有一个孔62从孔64的底部延伸，一直到销钉52的端点。在图3的实施例中，销钉52有四个孔68，钻在与中心孔64成直角的位置上，经由孔70与中心孔连接起来。还有，孔72钻在与孔62成直角的位置上，完全穿过销钉52的终端。

止推轴承件56由公认的适当材料制成，是有裂缝的轴承，分为两半56a和56b，当此二者装在一起的时候，便组成一个环形杯。止推轴承56的每一半个分别含有底部元件76a和76b，侧壁80a和80b以及从侧壁向外延伸的凸块78a和78b。几个孔82都钻在侧壁80之中，每个孔82用于每个孔68。底端元件76a和76b是由销钉52上的加强肋110分开的。止推轴承的表面上有几条润滑油槽，包括底部元件76a和76b上的凹槽109，凸块78a和78b上面和下面表面上的凹槽112和侧壁80a和 80b的凹槽114。再者，底部元件76a和76b的底部表面作在118处以保证在开始操作时具有润滑的初始空间。

销钉90的用途是在刃具进行操作时扣住止推轴承56a和56b，使其对于销钉52保持稳定状态。每个销钉90都包含有一个主体元件92，有向前作出的表面，以适应于相应的止推轴承块的孔82;还有一个向后的部分，斜入于孔68;还有一个向后伸展的销钉94，穿过销钉52的孔达到里面的孔64。在止推轴承装置上面有一个钥匙键96，使得销钉92伸入孔82，以将止推轴承就地扣紧。钥匙键96斜入孔64内，并且其下端做得使销钉90向外靠以使钥匙键96能进入孔64。所希望的是，销钉90上穿有一个孔91，以防止形成真空;如有真空，销钉将难以取下。有一个圆头环98，使得在各销钉组装之后，钥匙键96仍保留在孔64之内。钥匙键96上的中心孔116将孔62上的孔64连通以形成润滑腔。孔66（伸出到钻杆D的外表面）是由一个插塞100密封起来的，此插塞侧由圆头环102保持于原位，设有一个“0”环104以将孔66相对于钻杆外表面进行密封。有一个中心插塞106旋入于插塞100之中以保证通向孔66和孔64的内面。设有一个垫圈108，以便当刃具孔被封闭时，销钉52上的磨损能够减小一些，这一点在下面还要讲到。

为了安装刃具组件E，将销钉90置于孔68内，处于缩回状态，销头94伸向后方，进行中心孔64之中。垫圈108放在销钉52上。止推轴承件56a和56b放在凹槽60内带有凸块78a和78b的刃具50之内。带有止推轴承件的刃具放在销钉52上，两个轴承件被加强肋110分开。此后，销钉90被推向外，推入孔 82，钥匙键96被插入，将销钉90保持在其外部位置上。圆头环98被推入，将钥匙键96保持在其所处位置上，将刃具装好。将“0”环放在插塞100上，将插塞100推入孔66，将上部圆头环102放入其位。

安上插塞100，连同中心孔64和孔66，就构成了刃具组件E的润滑油腔。这个润滑油腔通过孔62和72以及钥匙键96的中心孔116，向止推轴承件56a和56b提供润滑油。止推轴承件56a和56b的底部和侧壁上的润滑槽109、112、114和118用来将润滑油导向各个负载承受面。

如上所述，将刃具组件E装好之后，中心孔64和孔66就在润滑腔内形成一个真空地带，润滑油在受到压力时便填入润滑腔。润滑油的压力也推动了插塞100，此插塞就发挥柱塞的作用，顶抗着上面的圆头环102。孔66向井腔压力敞开，此压力反逆着插塞100，从而保证了在刃具组件工作期间，润滑油能受到稳定的压力，润滑油腔内的压力通过润滑槽108、112、114和118以及机构中各元件之间的空隙的而将刃具50的中心腔填满，这样就使得止推轴承件56a和56b的外表面以及润滑槽60在整个运用过程中能受到润滑。密封圈108防止了润滑油的漏损。

刃具组件E的拆除和修理可以进行的很迅速而简单。将圆头环102去掉，于是便可将插塞100拔除。钥匙键96含有一个键槽120，此键槽又带有两个槽缝121，每个槽缝又含有一个带根切的槽口123。将普通结构的工具扳手塞入槽缝121之间，再旋入于槽口123，由此便可将钥匙键96从中心孔64内拔出。每个销钉94的端部都开有凹槽122，这样就可以将工具塞入，把销钉 90向内推入孔68，于是就可以把止推轴承件56a和56b以及刃具组件50从钻杆D的销钉52上拉出来，由此便可对轴承件进行检查，必要时则可以进行更换。

在使用时刃具组件以正常的方式进行钻孔，不过，当刃具在转动时，刃具组件50和止推轴承56之间的一切运动都是在止推轴承件56a和56b的外表面上进行。如图3所示，刃具的正常转动半径表示于126。止推轴承件的侧壁80a和80b的外表面承受了在钻孔时刃具组件所施加的径向负载“b”，不过反向推力负载“c”却是由凸块78a和78b的表面128承担的。法向推力负载“a”则由元件76a和76b的底部表面所承担。进一步说当元件56a和56b的底部表面有轻度的磨损时，凸块78a和78b的下部表面将提供广阔得多的表面（包括凸块78a和78b的表面）以承受这个负载（比常规刃具组件在正常情况下的承载面积要大得多）。由于采取了措施来吸收反向推力负载，本发明所推出的刃具和整套架子的使用寿命要比常规装置的长得多。由于刃具组件的寿命有了延长，又使得所有承载表面的润滑情况要好的多。还有一点，因为销钉52周围没有转动，销钉52上也没有磨损，所以扩孔器的钻杆也就不再需要进行切除以换装新的销钉。

如图13的横剖面图所示，垫圈108可以在刃具50与销钉52之间发挥密封作用，从而减小了销钉52上的磨损。在当前已知的密封结构中，当垫圈与刃具50一同转动时，销钉52上是要发生磨损的。本发明与此不同，垫圈108相对于销钉52是稳定不动的，当刃具50转动时，只有垫圈108的外周边可能发生磨损。垫圈108的横切面大致呈C形，内表面130的长度要大于外表面132 的长度。再者，130表面的长度和垫圈108的总长度大于垫圈108所处的空腔109的长度。这样一来，垫圈108在腔体109内所处的情况是，垫圈108的内表面130贴附于销钉52，因而是稳定不动的，另一方面，刃具的锥体50是绕着垫圈108的外表面132而转动。

如图13所示，垫圈108含有一个弹簧片134和一个密封片136。弹簧片134支撑着密封片136，从而构成垫圈108的完整结构，再者，弹簧片134使得内表面130和外表面132各自向着自己的配合工作面，从而保证了严实的密封。然而弹簧片134还具有足够的弹性，能够容纳由于刃具锥体受到不规则推力而产生的各种压力。最后，为了保证对流体进行良好的密封，密封片136便用橡胶材料做成。当弹簧片134对着与刃具锥体50或销钉52进行阻尼时，橡胶可以降低配合工作面上的损耗。

本发明的第二个实施例绘示于图8和9。在这个实施例中，用滚珠轴承202代替了销钉90。止推轴承件156a和156b的结构与前面对于56a和56b所作的描述相同，滚珠轴承202安装于孔204，并用手压紧，用钥匙键206卡住。“0”密封环208和金属环210装在止推轴承侧表面80a和80b的上端以进行密封。密封环208和环210是圆形的，覆盖着裂缝止推轴承件156a和156b之间的空隙。

在图10和11所示的实施例中，止推轴承上的凸块是由分裂式止推轴承提供的。从图上可以看出，三个轴承304、306和308分别通过轴承302的杯体内的孔305、307和309向外伸入轴承302内表面上的凹槽312之中。如图所示，止推轴承 302是一个整体轴承;不过如果需要采用裂缝轴承的话，可将其与四个分裂式轴承联用。在本装置中，钥匙键310夹持着止推轴承304、306和308，将其向外推压在凹槽312之中，其情况有如前面对图3所示钥匙键96所作的叙述。圆头环314将钥匙键310夹持在其安放位置上。

本发明还有另一实施例，如图12所示。该实施例采用了一个密封环402，安置在刃具50与销钉52之间的空腔404内。这个密封圈402的位置是在止推轴承件456a和456b的上方。为了减少0密封环406上的不均匀磨损，密封环402发挥了类似止推轴承的作用。止推轴承对销钉52保持不动。0密封环与刃具锥体50一同旋转，引起密封环402的外端表面408上发生磨损。不过因为制造密封环402所花的费用是极其微小的，所以换一个也所费无几。还有，因为由反向推力引起的磨损已转移到0环406的整个周长，这就大大延长了这些密封件的使用寿命。在密封环402的内表面412上加了一个内部密封圈410，这就加强了密封环402与销钉52之间的密封效果。

现在来看看图14和15。密封环402的结构大致呈圆形，具有凸片414，伸展于止推轴承件456a和456b之间以维护止推轴承件的特定关系。再者，凸片414还使得密封环402不至于在腔体404内旋转。密封环402也带有凹槽416，密封片410即置于槽内。最后，密封环402具有外侧凸缘418，为0密封环406保证了适当的空间。

上面按照具体装置对本发明的原理作了说明，应当清楚地理解到，这里只是举了几个例子，决不是本发明的全部内容。