我以前已经发明钻头尖组件以及扩孔装置，其特点是具有安装在 常规钻柱下端的旋转的钻头尖，并且切割刀片以可枢转方式安装在该 钻头尖上。依靠流体的帮助进行高速地面打眼操作，该切割刀片具有 与流体供给软管连通的流体排放喷嘴，该流体供给软管通过钻柱向下 延伸到与每个切割刀片的流体排放通道直接连接。虽然该软管在该钻 柱和刀片之间防止渗漏，但是它们相当笨重，为了在钻柱的端部从竖 直位置到水平位置自由枢转运动，在反复使用和将限制强加给安装刀 片的能力下，遭受磨损和打穿(blow out)。因此，需要一种流体供给 系统，其不需要流体供给软管并能够做到通过从刀片支撑体的厚度中 形成的孔直接供给流体。还有，在与改进的流体供给系统相关的是， 提供一种在该刀片支撑体和切割刀片之间的新颖的改进的球接头，其 不与流体供给发生干扰，并且结果得到在井下操作的刀片使用的改进 的安装、运行、通用性和可靠性。

本发明的目的是提供一种用于地面打眼操作的新颖的改进的钻井 设备，其在使用中是高度通用的、高效的和耐用的。
本发明的另一个目的是提供一种适于安装在常规的钻柱上的新颖 的改进的刀片支撑体，用于以可枢转方式支撑切割刀片，并且在压力 下通过沿一个或多个切割刀片的长度设置的排放喷嘴供给流体，以沿 着每个切割刀片长度实现均匀的切割力。
本发明的又一个目的是提供一种包含流体供给通道的新颖的改进 的钻具(drill)支撑体，与新颖的改进的接头一起支撑一个或多个切割 刀片，以便进行井下切割和切槽(kerf)操作。
本发明的再一个目的是提供一种其中包含流体供给孔的新颖的改进 的刀片支撑体，该流体供给孔用于在压力下通过切割刀片中的流体通道提 供流体，以使切割性能和切割速度最大化；并且其中该钻具支撑体包括新 颖的改进的球接头，用于以直接与该流体供给孔连通同时绕该刀片支撑体 自由地枢转的方式安装该枢转的切割刀片。
本发明还有一个目的，是提供一种刀片支撑体，其适合进行各种 地面打眼操作，包括但不限于竖直和水平方向钻孔、扩孔和孔下扩孔 (underreaming)，例如，在地下地层中形成扩大的空洞或洞穴以及切 槽操作。
本发明附加的目的是提供一种刀片支撑体，其借助于流体的帮助， 无论是用于钻柱的末端或枢转切割刀片的一个或多个中间部分，都是 坚固的、耐用的以及特别通用的。
根据本发明，发明了一种新颖的改进的流体供给系统，用于地面 打眼操作的钻井设备，其中钻柱具有在压力作用下的流体源，其改进 部分包括至少一个其中具有多个流体排放通道的切割刀片，连接于该 钻柱并具有至少一个与该钻柱中的流体供给通道连通的流体供给孔的 刀片支撑体，以及用于以枢转方式将该切割刀片一端连接于该刀片支 撑体的枢转安装装置，从而在该支撑体的流体孔和该刀片中的流体排 放通道之间形成连通。优选地，该流体供给系统整体上由钻过该刀片 支撑体的厚度和该刀片的流体孔构成，以便消除柔性管的使用；而且， 在枢转轴线处提供用于该切割刀片的新颖的改进的球接头，其中该孔 部分延伸通过该球接头，而切割刀片自由枢转，当它们进入切割位置 时，与从该刀片支撑体流进该刀片的流体不发生干扰。虽然该优选的 形式特别适合于与钻头尖一起使用，但是已经发明了一种用于与扩孔 工具一起使用可选的优选形式，其特征在于具有导向头锥(pilot nose)， 以引导该扩孔工具前进进入该地层中。此外，可选的优选形式之一包 括多个互相相对以端对端的形式连接的刀片支撑体，具有在该支撑体 之间的相互连通的孔部分，例如，其可以用于进行组合的钻孔和扩孔 操作。
已经相当广义地提出本发明比较重要的特征，以便能够更好地理 解在下面对其进行的详细描述，并且以便能够更好地理解对本领域做 出的贡献。当然，本发明的附加特征将在其后进行描述并构成从属权 利要求的主题。关于这方面，在详细说明本发明的一个实施例之前， 应当理解，本发明不限于在下面的说明书中提出的结构细节和部件的 设置。本发明其他实施例并能够以各种方式进行实施。而且，还应当 理解，这里所用的用语和术语是为了说明的目的，不应当认为是一种 限制。因此，本领域的技术人员将会理解，本发明所基于的构思很容 易用作设计用于实现本发明许多目的的其他结构、方法和系统的基础。 因此，重要的是，权利要求被理解为在不脱离本发明精神实质和范围 的情况下包括这种等同物结构。
附图说明
图1是用于钻头尖的刀片支撑体的优选形式的正视图，其刀片示于 静止状态；
图1A是图1所示设备的仰视图；
图2是图1所示本发明优选形式的侧视图；
图3是刀片支撑体的接合部分放大的局部剖视图；
图4是图1所示的刀片支撑体侧视图，其切割刀片处于切割位置；
图5是刀片支撑体的修改形式的正视图，其具有用于较小的扩孔操 作的短的引导头锥；
图5A是图5所示设备的仰视图；
图6是该工具的侧视图，其切割刀片示于静止状态；
图7是图6所示工具的另一个侧视图，其切割刀片处于切割位置；
图8是扩孔工具的另一种修改形式的正视图，其具有长引导头锥， 并且螺纹连接于两端，而与该钻柱或其他工具中的流体供给孔相配合 的流体供给孔在刀片支撑体的相对两端；
图9是图8所示的工具支撑体的侧视图，其刀片示于切割位置。

详细参考附图，图1至图4以举例方式示出钻头尖组件10，其包括空 心圆柱形的刀片支撑体13形式的构件(sub)12，该刀片支撑体具有上 螺纹端14和下分叉的枢转端16。一对切割刀片17和18每个由长条的刀 片臂20构成，该长条的刀片臂变细为圆形的枢转端22，其具有横向孔 23、23′，用于枢转连接于该刀片支撑体13的下枢转端16。每个刀片臂 20为一般的半圆形结构，并具有扁平的面对的表面部分19。因此，刀 片17和18被支撑成在当静止时的基本沿纵向延伸的第一位置和当进行 如图1和图4所示的操作时的横向或相互垂直方向之间分别进行枢转运 动。该枢转端16具有空心圆柱体的耳状物的形式或延伸部分的形式， 从而截面为弧形。
每个刀片17和18具有变细成枢转端22的大致的凹表面部分，并且该 枢转端22具有一定厚度，使得当安装在枢转轴24上时能够避开(clear) 该枢转端16，以便该刀片臂自由地摆动进入和离开图4所示的垂直位 置。
每个刀片臂20包括径向偏移的较大和较小半圆形主体部分30和32， 该较大的部分32沿着邻近该枢转端22的该臂20的内部径向表面延伸。 该较小的部分30与较大的部分32为大致同样的长度并终止在该臂的外 部方形远端34。在较小的表面部分30中，安装有一系列第一切割盘36， 用于绕单个滚子轴37旋转，该滚子轴37固定在邻近该扁平表面19的每 个刀片臂20的下表面的凹槽中，并且沿着邻近该扁平表面19的每个刀 片臂20的下表面以轴向均匀的间距间隔开。如图清楚地所见，用于每 个切割盘的旋转轴是例如对应于那个盘所遵循的曲率半径。换句话说， 那个盘的轴37在该臂20下表面上的那个点垂直于该曲率半径。单个盘 36具有诸如碳化钨材料的硬化的材料，并且具有终止在共同切割刃38 上的变细(锥形)的表面。
该径向内部主体部分32具有较小的切割盘40，其安装成用于绕单个 轴42旋转。该盘40以相应于参考较大的盘36所描述的取向方式取向， 以便遵循从中心或枢转轴24的半径的圆形的旋转路径。该盘40同样设 置成沿着该刀片臂的下表面或前刃延伸，但对于该较大的盘36成稍稍 落后的关系。
如图1至图4所示，每个刀片臂20包括沿臂的径向延伸的主流体供给 通道50，其与排放喷嘴或喷口52连通，该喷口52在紧靠该切割盘40的 位置在压力作用下从该刀片臂排放流体。
为了在压力下将水供给给刀片17和18，该构件12的上螺纹端14具有 主孔15，其与直径方向相对的成角度孔63连通，该角孔63向下并径向 向外延伸通过该圆柱体13的壁厚，与径向相对、轴向延伸的孔64连通。 在优选形式中，该孔64起始在上肩部14′并终止在该下枢转端16的横向 孔65和65′的下端，钻通该主体13的壁厚。该横向孔65和65′横向延伸通 过将要描述的环形球接头并直接与该刀片臂17和18中的开口或孔23和 23′连通。
孔63、64以及65、65′优选钻进该主体13的壁厚中，并且孔63、64 以及65的端部由用D1、D2和D3表示的合适的盘堵塞。一对盘D4堆叠在 该刀片臂之一的孔23′的最里面，并且最里面的盘D4伸进该相对的刀片 臂17的面对表面中的凹进部分R4，以便与下面将要描述的球接头合作， 枢转地将该刀片臂安装在通过孔23、23′以及65、65′中心地延伸的公共 轴线上。
该球接头用作刀片臂的枢转支撑的主要装置，并且由半球截面结构 的环形或环状凸起66构成，轴接(journal)在每个相应枢轴端16中的浅 凹槽67中。还有，孔65和65′中心地延伸通过该球接头并分别与孔23和 23′对齐，以引导流体流进该刀片臂17和18的通道50中，同时保持该刀 片臂17和18与枢轴端16之间的紧密密封。
一系列硬化材料的切割嵌件(insert)68沿着每个刀片17和18的后刃 插入圆形凹槽中。每个嵌件68具有大致长条的圆柱形结构，其具有从尾端 伸出的变细的端部70，以便当刀片17和18旋转时切割进地层中。该切割嵌 件68在地层孔坍塌、孔坍方或孔胀大时最有用。在连续旋转和/或摩擦力接 合和/或流体排放力作用下，该刀片17和18将逐渐向外摆动或向外枢转到使 它们相互垂直的位置，如图4所示。在这方面，切割盘36和40将逐渐移动 到与该地层切割接合。与该构件12的分叉端表面16上的切割嵌件26一 起，切割嵌件73可以沿着每个内部刀片部分32的前刃的至少有限的部 分设置，并且，切割嵌件74设置在该刀片17和18的外部远端。
刀片臂17上的切割盘36和40相对于另一个刀片臂18上的切割盘36 和40偏移。相应地，在一个刀片臂17上的喷嘴52相对于另一个刀片臂 18上的喷嘴52偏移或错开。喷嘴的主要作用是形成切割线，并且切割 盘36和40是可操作的以分裂该切割线之间的岩石，因此在喷嘴52和其 相应的刀片臂之间对齐。
在运行中，钻头尖组件10通过螺纹端14装配在常规钻具、壳体或 管子钻柱的下端。然后当该钻头尖组件降低到所希望的地面钻孔进入 该地层的位置时该钻头尖组件旋转，以便使该刀片17和18向外摆动成 图1所示的打开位置。在压力下，流体通过所述孔63、64、65和65′供给 到刀片17和18中的孔23和23′并且以高速射流的形式通过喷嘴52排出。 在高压力下通过刀片17和18的流体供给将有助于使刀片逐渐向外摆动 到图1所示的切割位置，并且与切割盘36和40合作切通该地层以形成所 希望尺寸的孔或洞。通过喷嘴或喷口泵送的流体还有助于将该钻柱和 该孔之间的切割物向上排除到地面。
由于盘的尺寸的空间限制，沿着该臂20的内部径向端的较大表面部 分32采用较小尺寸的切割盘40，其能够邻近该下枢转端16采用。较大 的盘36的作用是在刀片17和18的外部远端横移较大的距离提供增加的 切割表面积。很显然，可以形成流体孔63、64、65和65′而无需钻通该 主体13的外表面。沿着较小的表面部分30采用的较大的盘36在其尺寸 上可以变化，并且大盘36是否在小盘40的后面这不是特别关键的，盘 36和40在尺寸方面比较重要的是最好安装配合在主体部分30和32中并 留下足够的空间用作流体供给通道。
本发明的修改形式示于图5至图7，其中与图1至图4相同的零部件用 对应的数字表示。图5至图7的形式的主要区别是在具有上螺纹端14和 主体13的代替构件12的构件72的结构，其汇合在下枢转端74并且在其 非常下部终止在圆形前端或头锥76。刀片17和18对应于优选形式的刀 片17和18，但是具有相对切割盘36圆周地间隔的附加的切割盘40′。而 且，如同优选形式一样，喷嘴52在切割盘36和40之间沿着刀片的长度 间隔。因此，具有构件72的工具设计并构造成用作扩孔工具，其中具 有头锥76的该长条的下端74在现有的井孔中用作引导装置，为用于扩 孔操作的工具定中心，例如，对井孔和洞进行孔下扩孔(underreaming) 时，特别是在很硬的岩石地层中。因此，以进入刀片17和18的流体通 道50中的孔部分63、64、65和65′为特征的流体供给系统将协作迫使刀 片进入相互垂直的切割位置。
在实践中，构件72的上螺纹端14连接于未示出的钻柱或其他旋转驱 动装置的下端。然后，该扩孔工具下降超过该地面孔(earth bore)的 带套管的(cased)部分以便在施加给该钻柱的旋转力的作用下，当切 割嵌件68起初切割进周围地层中并前进到如图7所示的基本垂直于钻 管的位置，刀片17和18将逐渐向外伸展。刀片17和18的向外伸展还有 助于在压力下施加流体通过钻柱和该工具的主孔15，然后泵送到通过 孔部分63、64、65和65′直到通过喷嘴52以高速射流的形式排放。通过 喷嘴52泵送的流体有助于去掉任何切割物，并且在连续向下前进的过 程中，该前端或头锥76将引导该工具通过该现有的井孔，并且阻止该 工具改变其路径离开现有井孔的任何倾向。切割盘36和40也将与切割 嵌件68合作，切割通该地层，以大大地扩大该井孔的直径。
扩孔工具的另一种改变形式示于图8和图9，其中，还是与图1至图4 同样的部件用对应的数字表示。长条的构件82具有相对的螺纹端84和 86和在其之间的长条的空心圆柱体88，该细长圆柱体88具有与该圆柱 体88的空心内部连通的直径方向相对的细长孔90。该细长孔的大小做 成在该圆柱体88的相互相对的、分叉的枢转安装部分91之间容纳切割 刀片17和18。该分叉的部分91位于在该圆柱体88的中间部分，并且其 长度足以使该刀片从如图8所示的该圆柱体88内的轴向延伸部分和图9 所示的切割位置自由向外枢转。
在压力作用下，水通过上螺纹端84中的孔15、延伸通过该圆柱体的 壁厚的成角度孔63供给给该刀片17和18，该成角度孔63与直径方向相 对的、纵向延伸的孔部分92连通，而该孔部分92贯穿该圆柱体88中部 的横向孔65和65′，并且取向在横向延伸通过该刀片17和18和安装部分 91的上端公共枢转轴线上。该孔部分92继续向下超过该孔65和65′到该 圆柱体88的剩余长度并贯穿成角度孔94，该成角度孔94从下主孔96在 下螺纹部分86中向上延伸。该下主孔96与用98表示并螺纹连接于该构 件82的下端的连接构件或工具上的另一个孔97连通。正如在优选形式 中一样，孔部分63、92、94、65和65′从外表面钻进该圆柱体88的壁厚 中并且用适当的盘D2和D3封闭。
在使用中，具有工具82的钻柱降低超过地面孔的带套管的部分，并 且，与在压力作用下通过孔部分进入刀片17和18的流体排放通道的流 体一起应用，在旋转力的作用下，将使刀片切割进周围的地层，并且 向外扩展，以大大地增大该井孔未带套管的部分。该构件82附加的长 度将用作导向器，以将工具保持在中心位置。而且，附加的流体可以 通过孔92和成角度孔94的孔部分供给到用98表示的下一个构件中。例 如，部件98可以是具有圆形端部的塞(plug)或可以是具有如图1至图4 中的流体辅助装置的钻具组件。因此，通过该钻具壳体之后，能够同 时钻孔和孔下扩孔，例如直接钻孔操作。
应当理解，本发明优选形式和修改形式的刀片17和18可以根据所需 要的开孔变大的程度构造成不同的长度，特别是关于修改形式中所示 的扩孔工具。
很明显，例如，沿着刀片17和18和该构件12的下枢转端或构件82 的枢转安装部分91之间的界面可以采用密封件。
因此，应当理解，虽然这里提出并上面描述了本发明的优选形式， 但是在不脱离由权利要求及其等同物所限定的本发明精神实质和范围 的情况下可以进行其他修改和变化。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1.一种用于地面钻孔操作的钻井设备(10)，其中钻柱具有在压 力作用下的流体源以及旋转驱动装置，其改进包括：
至少一个其中具有多个流体排放通道(50，52)的切割刀片(17， 18)；
连接于所述钻柱的刀片支撑体(13)，该刀片支撑体具有至少一 个与所述钻柱中的流体供给通道(50，52)连通的流体供给孔(23， 23′，63，64，65，65′，92)；以及
包括可旋转的接头(22)的用于将所述切割刀片的一端枢转地连 接于所述刀片支撑体的装置(16，74，91)，从而在所述刀片支撑体 中的所述流体孔和所述刀片中的流体排放通道之间形成连通，并且其 中，响应于钻柱的旋转以及通过所述切割刀片中的流体排放通道进行 的流体供给，每个所述切割刀片都能够从所述刀片支撑体延伸到基本 垂直与所述钻柱的长度的切割位置。
2.如权利要求1所述的钻井设备，其中所述一对切割刀片在静止 的轴向延伸位置和基本垂直于所述钻柱的长度的切割位置之间是枢转 的。
3.如权利要求1所述的钻井设备，其中每个所述流体供给孔包括 轴向延伸的主孔部分，从所述主孔部分径向偏移的轴向延伸的外孔部 分，在所述主孔部分和所述外孔部分之间延伸的成角度孔部分，以及 与所述流体供给通道连通的径向延伸孔。
4.如权利要求3所述的钻井设备，其中所述外孔部分在所述刀片 支撑体的主要长度上延伸。
5.如权利要求4所述的钻井设备，其中多个刀片支撑体(88)以 端对端的关系相互连接，并各自具有相互连通的所述外孔部分(92)。
6.如权利要求3所述的钻井设备，其中所述孔部分是直的并包括 封闭每个所述孔部分的一端的孔塞件。
7.如权利要求6所述的钻井设备，其中所述孔部分延伸通过所述 刀片支撑体的外表面。
8.如权利要求1所述的钻井设备，其中所述刀片支撑体是空心的 大致圆柱结构并包括分叉的安装部分，并且所述一对切割刀片枢转地 连接在所述分叉的安装部分之间。
9.如权利要求8所述的钻井设备，其中所述接头是成相互面对关 系的球接头，并且所述径向延伸孔延伸通过所述球接头。
10.如权利要求9所述的钻井设备，其中每个所述切割刀片包括 在所述流体排放通道和所述径向延伸孔之间径向延伸的流体孔部分。
11.一种适于安装在钻柱上用于地面钻孔操作的钻头尖组件 (10)，其中构件(12)连接于所述钻柱的下端，一对长条的切割刀 片枢转地固定于所述构件的下端，所述下端是分叉的，并且其上包括 切割元件(36，40，74)，每个所述刀片具有大致半圆形截面形状， 并具有成相互面对关系的平表面部分，其改进包括：
设置在所述切割刀片和所述下端之间的球接头，用于所述切割刀 片在公共轴线方向和相对的相互垂直方向之间进行枢转运动；以及
由在所述钻柱和每个所述切割刀片中的流体供给通道之间延伸的 流体供给孔整体构成的流体供给装置。
12.如权利要求11所述的钻头尖组件，其中一盘设置在所述切割刀片 的面对的表面之间，处在延伸通过所述切割刀片的枢转轴线上，用于所述 切割刀片彼此相对地独立的枢转运动。
13.如权利要求11所述的钻头尖组件，其中所述流体供给通道包 括多个沿着所述切割刀片前刃的流体排放喷嘴，和设置在所述流体排 放喷嘴之间的切割元件。
14.如权利要求13所述的钻头尖组件，其中所述切割元件在沿着 每个所述刀片的向外的径向方向具有增大的直径。
15.如权利要求11所述的钻头尖组件，其中每个所述切割刀片包 括沿着其前刃和后刃的多个径向间隔的切割元件。
16.如权利要求15所述的钻头尖组件，其中所述一对流体排放喷 嘴相互以一前一后的方式安装。
17.一种用于在地下地层中扩大地面孔的工具，其中旋转驱动装 置通过地面孔降低到希望扩大该孔的位置，其改进包括：
多个长条的切割刀片，每个所述刀片在其中具有多个流体排放通 道；
连接于所述驱动装置的刀片支撑体，并且该刀片支撑体具有与所 述驱动装置中的流体供给通道连通的至少一个流体供给孔；以及
将所述切割刀片枢转地连接于所述刀片支撑体的枢转安装装置， 从而在所述刀片支撑体的所述流体孔和所述刀片中的流体排放通道之 间形成连通，且其中所述枢转安装装置包括在所述刀片之间的第一枢 转件和在所述刀片和所述刀片支撑体之间的第二枢转件，所述第一和 第二枢转件设置在公共枢转轴线上。
18如权利要求17所述的工具，其中所述第二枢转件由球接头形 成。
19.如权利要求18所述的工具，其中所述刀片支撑体中的所述流 体孔延伸通过所述球接头之一与所述流体排放通道形成连通。
20.如权利要求17所述的工具，其中所述刀片支撑体是空心的大 致圆柱结构并终止在下部分叉的端部，并且所述一对切割刀片枢转地 连接在所述分叉的端部之间。
21.如权利要求17所述的工具，其中所述枢转安装装置包括在所 述端部中成相互面对关系的球接头，并且所述径向延伸孔延伸通过所 述球接头。
22.如权利要求17所述的工具，其中所述刀片支撑体为空心的大 致圆柱形结构，该圆柱形结构具有中间分叉的安装部分，并且所述一 对切割刀片枢转地连接于所述分叉的安装部分之间。
23.如权利要求22所述的工具，其中所述分叉的安装部分设置在 所述刀片支撑体的相对两端之间的中间，并且所述流体供给孔包括延 伸通过所述刀片支撑体的相当大的长度的孔部分。
24.如权利要求23所述的工具，其中所述刀片支撑体具有相对的 连接端，并且所述流体供给孔在所述刀片支撑体的所述相对的两端之 间延伸。