地面钻机切削装置的就地更换设备

本发明涉及一种地面钻机切削装置的就地更换设备，具体说， 它涉及一种(虽然并不是局限于此)芯样钻机的钻头和/或扩孔钻的 就地更换设备。

在对地面钻孔时，通常在地面钻机钻杆柱的下端以可拆卸的方 式固定有一个钻头，通过该钻杆柱的旋转，借助于钻头在地面上钻 出一个孔眼。一个扩孔钻一般被连接在钻杆柱的下端与钻头之间， 以便将所钻出的孔眼扩展成一个具有环形壁面的孔。钻杆组是通过 将一根根的钻杆螺接在一起而构成的。钻杆的长度一般是固定的， 为1.5、3或6米。随着钻井向地面的进展，新的钻杆不断地螺接 在钻杆组的上端。

在钻进过程中，必须更换钻头或扩孔钻，这是因为钻头会钝化 或者由于下部地层会不断变化的原因。当解，钻头的更换要比扩孔 钻的更换更为经常(通常至少为6倍)。

为了对钻头或扩孔钻进行更换，必须将整个钻杆组从地面拉 出，即将钻杆一根接一根的提出；更换钻头；重新组装钻杆组，即 将钻杆一根接一根地放入地层，然后继续钻进。当更换钻头/扩孔钻 时的这种整体抽出，折开钻杆组然后再重新组装钻杆具的要求是一 种很缓慢并且花费很大的过程。随着孔眼的不断加深以及钻杆组的 不断加长，这种花费更为增大。

至今为止，人们为了克服上述难题已经作出了种种偿试。采用 一种可收回的钻头，使之以一种可解脱的方式连接在钻杆组的下 端，通过钻杆组可以将它们折下来并收回，而钻杆组留在原处，从 而避免将整个钻杆组从孔眼中拉出。但这些偿试并未获得商业规模 的成功，其原因有多种，其中包括：其设计或应用极其复杂，从而 造成大量失误和/或其制造或将之维持于一种可操作的状态的花费 很大；由于钻井液体以及污物会沾附在钻头的部件上，有可能导致 堵塞；钻头部件与钻杆组结合时不能对齐；由于钻头固定在钻杆组 的内筒中，使芯样的直径变小；穿透率降低；钻头部件的单个破碎。

本发明的目的在于提供一种结构简单、操作方便的对地面钻机 的钻头和/或扩孔钻进行就地更换的设备，克服上述现有技术的缺 陷，使其更适合于商业应用。

根据本发明，所提供的设备可以对地面钻机的切削装置就地进 行更换，所述的切削装置由若干个部件构成，该设备包括：

一个可以与地面钻机的下端相连的筒形元件，该筒形元件具有 支承元件，它沿圆周形成在该筒形元件的一个内壁上，以便对处于 切削位置的部件进行支承，在该位置所述部件能接触地面。

在所述的元件内装有一个大致呈圆筒形的卡套，其中，该卡套 一直保持在所述元件内，可以在一个安装位置与一个回收位置之间 移动，在安装位置时，所述的卡套将所述的部件固定在所说的支承 装置上，并且将所述的部件保持在卡套与所述元件之间的切削位 置，而在回收位置时，所述的卡套回缩从而将所述的部件从卡套与 元件之间松脱开，使所述部件能退回，这样，所述的部件就可以被 回收进行更换。

所述的支承元件最好包括一系列锥形及平坦的表面，它们位于 所述元件的内周壁上。

所述的切削装置最好是一个钻头，所述的部件是钻头部件，该 钻头部件带有一系列锥形及平坦的表面，当钻头部件被夹持在卡套 与所述元件之间时，上述表面正好面对着所述元件上的一系列表 面，所述系列表面构形及并置成：当处于切削位置时，即随钻机被 从所钻孔眼的底部提起以及被降至该底部时，所述的钻头部件可以 相对所述的元件滑动。

所述的一系列表面最好还具有这样的构形及并置方式，当所述 的钻机被用作一种芯样钻机，并且被从所述孔眼的底部提起以便破 断一个芯样时，所述钻头部件的下端可以从所述元件的中心纵轴沿 径向向外弯曲以与所述元件的内周壁相抵靠。

所述的支承装置最好包括一个环绕所述的元件的内周壁沿圆周 方向延伸的平台，以便与每个部件的上端部相结合，所述的平台位 于所述元件最上方的那个锥形及水平表面的附近及上方。

所述的设备最好还包括一个工具，其尺寸可以穿过所述的钻机 并进入所述的元件中，以便将所述的部件运进或运出所述的元件， 所述的工具可以在安装模式与回收模式之间进行转换，在安装模式 时，部件被装在工具上，以便在所述的元件内安装，而在回收模式 时，所述的工具不带部件，以便对先前安装在元件中的部件进行回 收；所述的工具带有结合装置，以便与卡套相结合，这样，所述的 工具就可以使卡套在安装位置与回收位置之间运动。

借助于使工具处于安装模式，将所述的工具放下钻进并抵达一 个位置，在该位置，所述工具的位置伸过卡套的下端，所述的结合 装置与卡套相接合，当工具进一步下移时，便可使卡套移至其安装 位置，在此处所述的卡套将所述的部件固定在其支承装置中，并将 部件保持在卡套与所述元件之间的切削位置上，从而将一组新的部 件安装完毕，然后可以将工具撤出并进行钻进。

所述的工具最好包括安装挡块装置和回收挡块装置，以便与卡 套相结合，该安装装置在工具处于安装模式时是可操作的，而所述 的回收挡块装置则是不可操作的，而在工具处于回收模式时，二者 都是可操作的，此时，当所述的工具被下进钻机中时，所述的安装 装置可以与卡套相结合，而当所述的工具被上拉一段第一距离时， 卡套也被上拉第一段距离，所述的回收挡块装置可以与卡套相结 合，当上拉所述的工具使之越过第一段距离时，该回收挡块装置便 从卡套中自动解脱出来。

所述的工具最好包括模式选择装置，以便在安装及回收模式之 间进行转换，该模式选择装置包括一个套筒，它以可滑动及可旋转 的方式安装在工具的主体部，该套筒还设有安装孔及回收孔，所述 的安装挡块及回收挡块装置可以分别穿过这些孔而伸出，其中所述 的选择器套筒可以从相应于安装模式的第一位置旋转到相应于回收 模式的第二位置，在第一位置时，其安装孔位于安装挡块装置的上 方，而回收孔则与其回收挡块装置在径向上相错开，而在第二位置 时安装孔及回收孔都置于其相应的安装挡块装置及回收挡块装置的 上方。

所述的安装挡块装置最好通过与卡套上端附近的一个或多个抵 靠表面的相互抵靠而实现与卡套的结合。

卡套上端具有这样一种构形，即当安装挡块装置与该上端部相 接触时，所述的工具可以绕其纵轴旋转，与所述的工具，卡套以及 所述的部件对齐，以便将这些部件安装到卡套与所述的元件之间， 或者从中将其回收。

卡套最好带有可与回收挡块装置相结合的第一锁销装置，所述 的设备最好还包括一个装置，当所述的工具被上拉并超越其第一距 离时，该装置可以将回收挡块装置从所述的第一锁销装置中解脱出 来。

所述的解脱装置最好包括一个锥形表面，它可以压缩所述的回 收挡块装置。

所述的工具最好包括一个运载装置，所述的部件可以装在其 上，以便将部件运往所述的元件及从该元件上将部件运出，当所述 的工具与卡套相结合时，所述的工具可以进行操作，使所述的部件 相对于工具的主体滑动，从而使所述部件的上端横向于工具延伸， 并与所述的支承装置及卡套相结合。

所述的运载装置最好包括一个吊架，所述的部件沿径向相间地 环绕着该吊架，当所述的工具处于安装模式时，而且该工具又与卡 套相结合时，所述的吊架可相对于工具的一部分进行滑动，这样， 依靠吊架与工具部分的相对滑动，部件的上端从工具中横向伸出， 从而与支承装置及卡套相结合。

所述的设备最好还包括一个环绕着所述部件的弹性条带，以便 将该部件保持在工具上，当所述的部件被保持在其切削位置上时， 该弹性条带朝所述元件的中心纵轴方向对所述的部件施以偏压，这 样，在部件的回收过程中，该弹性条带有助于将所述的部件落回到 在所述的工具上。

所述的吊架最好包括一个细长的杆体，它从工具主体的锥形下 端延伸出来，可滑动地容纳在所述主体部的一个孔中，偏压装置可 将该杆体推回进孔中，在安装模式中，在工具与卡套结合之前，该 偏压装置处于压缩状态，所述的杆体从孔中伸出，使部件的上端靠 在所述的锥形端部，当工具与卡套结合时，偏压装置从压缩状态松 开，将杆体推入孔中，从而使所述部件的上端沿锥形端部滑动，并 沿工具的横向伸出。

所述的选择器套筒最好操纵一第二锁销装置，以便使所述的偏 压装置处于压缩状态，而且所述的选择器套筒与安装挡块装置相配 合，当安装挡块装置与卡套相结合时，选择器套筒可相对于工具的 主体滑动，将第二锁销装置松开，这样，便可使所述的偏压装置张 伸，将杆体送进孔内。

在一个替换实施例中，该设备可以用来对地面钻机的扩孔钻进 行就地更换，其中的扩孔钻是由若干独立的部件组合而成的。在该 实施例中，其吊架包括若干形成于工具主体上的凹槽，每个凹槽的 上端都带有一个通向该主体外表面的斜面，选择器套筒带有若干个 孔，无论在安装模式还是在回收模式中，这些孔都位于所述部件的 上方，每个孔的下端都带有一个沿径向向内延伸的唇部，以便与每 个部件的下端相抵靠，这样，当安装挡块装置在安装模式中通过工 具与卡套相结合时，选择器套筒可以相对工具的主体滑动，使所述 的唇部推动所述的部件，使部件的上端沿所述的斜面滑动，并横穿 工具，与支承装置及卡套相结合。在该实施例中，支承装置最好包 括一组切口，它们径沿向环绕所述的元件，部件的一个切削面可以 穿过这些切口而伸出，以便对地面进行切削。

在另一个实施例中，设计了一种更换设备，以便对一台钻机中 的钻头及扩孔钻就地进行更换。其中的钻头是由若干钻头部件组成 的，扩孔钻也是由若干扩孔钻部件组成的，该设备包括一个更换钻 头部件的第一分设备和一个更换扩孔钻部件的第二分设备，每个分 设备都包括一个筒形元件及大致圆筒形的卡套，其中，第二分设备 的元件被连接在钻机的下端，而第一分设备的元件则连在第二分设 备的元件上，这样，钻头与扩孔钻便可同时进行更换。

现在将参照附图以举例的方式对本发明的实施制进行说明。附 图中：

图1是放置在一台地面钻机中的该设备的第一个实施例的侧视 图；

图2是在图1所示的设备中采用的一个工具的侧视图；

图3是图2所示的工具的纵剖图；

图4A是图2及3所示的工具中一个选择器套筒的侧视图；

图4B是图4A所示的套筒的一个端视图；

图4C是图4A所示的套筒的另一个端视图；

图4D是沿图4A的B-B线作的剖视图；

图4E是沿图1A的C-C线作的剖视图；

图4F是沿图4A的A-A线作的剖视图；

图4G是沿图4A的D-D线作的剖视图；

图5A是在图1所示的设备中采用的一个卡套的侧视图；

图5B是图5A所示的卡套的一端视图；

图5C是图5A所示的卡套的另一端视图；

图6A是用于图1所示设备中的一个元件的纵剖图；

图6B是图6A所示元件的一端视图；

图6C是图6A所示元件的另一端视图；

图6D是图6A所示元件的下部视图；

图7A是图1所示设备中采用的一个钻头部件的侧视图；

图7B是图7A所示的钻头部件的顶视图；

图7C是图7A及7B中所示的钻头部件的端视图；

图8A是图1所示的设备中采用的一个锁定夹的顶视图；

图8B是图8A所示锁定夹的侧视图；

图9是本设备下端部的放大局部剖面图；

图10是在钻井模式中钻机一端的剖视图，其中的钻头部件被卡 套锁定在切削位置；

图11是图10中所示的钻杆组的视图，只不过其钻杆组被从所 钻井眼的底部向上拉起；

图12是在本发明第二个实施例中采用的一个工具的剖视图；

图13是本发明第二个实施例中采用的一个扩孔钻部件的顶视 图；

图14是本发明第二个实施例的局部剖视图，其中的扩孔钻部件 处于其切削位置上；

图15是图1所示设备中使用的传送套筒的侧视图；

图16是图1所示设备中使用的传送套筒自重的侧视图。

图1描述了设备10的第一个实施例，该设备可用于地面钻机 12的钻头这类切削装置的就地更换。钻机12包括若干根内联的钻 杆14，它们组合在一起构成了一个钻杆组。在最下方的钻杆14的 自由端，螺接着一个标准的扩孔钻16，其作用是使所钻的孔具有 一个圆周形的孔壁。

该设备10包括若干个分立的但又相互作用的组件，它们包括一 个圆筒状的元件，其呈连接在钻机12下端的驱动件(drive sub)18， 还包括一个安装及回收用的工具20，它的尺寸适合于穿行于钻机 12中，以便将钻头部件22(见图7A、7B及9)运送至驱动件18或 者从该处运走，还包括一个大致呈圆筒形的卡套24，该卡套被保 持在元件18内，可在一安装位置与一回收位置之间滑动，在安装 位置上，该卡套将钻头部件22夹持在驱动件18内，而在回收位置 上，该卡套24则缩回，允许钻头部件22叠放在工具20中，以便 从钻机12中撤出。

参照图6A和6D，可以看出在驱动件18下端28的内壁26处， 设有支座30，以便放置钻头部件22。支座30包括一个台阶32， 它环绕着内壁26呈圆周形延伸，在其下游方向，设有一系列锥形 及平坦的表面和凹槽58，凹槽位于这些表面中最下方的表面上。 具体说，朝台阶32的下游方向，各表面的排列顺序是这样的：表 面34自驱动件18的中心纵轴线36向外扩出；表面38平行于轴线 36延伸；表面40朝轴线36缩进；表面42自轴线36向外扩出；表 面44平行于轴线36延伸；表面46朝轴线36缩进；表面48自轴 线36向外扩出并一直延伸至驱动件18的纵向末端50。与表面48 相连接的是一表面52，它向轴线36及末端50向外扩出，一直通 向驱动件18的外周面54。

在表面46上设有若干推进凸块56，在推进凸块56的附近形成 凹槽58，在钻进过程中，钻头部件22的下端置于槽中，从图6B 中可以很清楚地看出，推进凸块56的宽度在朝着轴线36的径向上 是渐缩的。一对相互对置的沟槽60平行于轴线36延伸，它们是用 机加工的方式在驱动件18各端的内壁26上制出的。在每条沟槽60 的上端部64内都插有一个锁定夹62(参照附图8A及8B)。每个锁 定夹的下端部都具有一个朝内壁26渐缩的表面65，在与内壁26 相对置的一个表面上，该锁定夹的上端部附图处连接着一个弹簧夹 66。

如结合附图7A及7B所描述的那样，钻头部件22的形状适宜 与推进部18的支座30相咬合。钻头部件包括一杆体68和位于该 杆体68下端部的冠状体70，其作用是咬住并切削地面。冠状体70 一般包括一个钻石及金属的基体。在使用过程中，随着冠状体与大 地接触的表面72的不断磨损，新的钻石层将会出现，以便切削。

钻头部件22的侧面74(图7B最上部所示)面对着驱动件18的 内壁26。杆体68的侧面74依次包括下述表面：首先是冠状体70(在 图7A中为便于参照，轴线36以虚线的形式的示出)；表面76朝轴 线36缩进；表面77平行于轴线36延伸；表面78自轴线36向外 扩出；表面80朝轴线36缩进，水准面82平等于轴线36延伸；表 面84自轴线36向外扩出；表面86朝轴线36缩进；表面88平行 于轴线36延伸。在表面88之后便是一个突起的台阶90，它直通 一个朝轴线36缩进的表面92，该表面又一直延伸至杆体68的末 端94。

杆体68的另一面96包括下列平面，它们自末端94至冠状体 70依次是：朝轴线36缩进的表面98；平行于轴线36延伸的水准 表面100；朝轴线36缩进的表面102；以及平行于轴线36延伸的 水准面104。

如图7C所清楚显示的，冠状体70的形状为一环状的一段扇 形，它具有内、外弧面106和108，弧面108的长度大于弧面106 的长度。在冠状体70与切削面72相对置的面上具有下列平面，它 们自外表面108至外表面106依次是：平行于切削面72的表面 110；朝切削面72倾斜并终止于杆体68的邻近表面76的表面112； 自切削面72向外扩张并终止于弧面106的表面114。表面112与 76与构成一V形的凹槽116，它能够与驱动件18的辅助装置48 及52相接触(图10)。

参照图2～4F，工具20包括一个主体部118，一个选择器套 筒120以可滑动和可旋转的方式置于其上。主体118的上端112带 有一个螺纹，以便连接一个标准缆绳适配器124。在主体118的端 部122处，加工了一对相互对置的纵向凹槽(未示出)，以便一圆环 126进行滑动。该环的内周面上设有一对突起部(未示出)，它们插在 凹槽中，以便于环126沿主体118的纵向滑动。一个弹簧128放置 在缆绳适配器124与环126之间，其作用是将环126及套筒120压 离端部122。一个突起130位于环126靠近套筒120的一端，以便 与设置在套筒120邻近端的二条模式选择器凹槽132、134中的一 条相咬合。

主体118具有一内腔室136，它装有一对安装挡块138。销140 穿过二块挡块138的一端并将主体118装配在套筒120上。销140 被放置在主体118的一条纵向沟槽(未示出)以及套筒120的一条横 向延伸的沟槽142中。销140的各端安置在槽142外周形成的唇部 143上。这样便构成了主体部118与套筒120之间的连接，使套筒 能相对于主体118纵向滑动及转动。

第二根销144平行于销140延伸，并且被安置在主体118的一 条纵向沟槽148中。弹簧150将挡块138的对置端连接到销144上。 弹簧150压迫挡块138，使之沿主体118的横向伸展，并且穿过套 筒120上切出的孔眼或沟槽139(参见图4A、4D)，每个挡块138 都带有一个承压面152，以便与卡套24相接。

一对与插入挡块138相似的收回挡块154也设置在工具20上， 它位于挡块138的与端部122相对那一侧。但是，该收回挡块154 却位于一个与插入挡块138所在的平面相垂直的平面内，此外，该 回收挡块的朝向也与插入挡块138相反。也就是说，回收挡块154 的端部156受一弹簧的偏压(未示出)，使之沿主体118的横向伸出 并穿过套筒120上的孔眼或沟槽155(图4A、4E)，其另一端158 则被一根横穿主体118的销160固定住，支承面162位于回收挡块 154的端部156，以便与卡套24相接。

从图4D及4E可以明显看出，安装挡块沟槽139比回收挡块沟 槽155更宽。

在回收挡块154附近，主体118具有一矩形腔室164。一个孔 眼168沿纵向穿过腔室164的一端166，并与圆形沟槽170相通。 沟槽170穿过主体118锥台形的端部172。腔室164，孔眼168以 及沟槽170共同构成了吊架176的滑道174，在吊架176上装有钻 头部件22。

吊架176包括一根中心杆178，从其一端同轴延伸出一根带螺 纹的杆180，在另一端，该杆终止于一个挡块182。杆180穿过沟 槽170及孔眼168而进入腔室164。杆178靠近杆168的一端以可 滑动的方式装配在沟槽170中。一弹簧184放置在杆180上，它位 于拧在杆180上的张力调节螺母186与腔室164的端部166之间。 螺母186的二个端面188和190都呈锥形或被斜切，以便使其厚度 沿径向自螺母168的中心向外渐减。

在主体118的沟槽192中，分别放有一对锁定销(未示出)。这 二个销借助套筒120而被保持在其相应的沟槽192中，它们还有一 个端部，借助于套筒120的相对运动，该端部可以选择性地伸进腔 室164中或者从腔室中退出。参照图4F，套筒120的内周壁194 带有一个圆形的槽196。如果套筒20定位之后，沟槽196盖住槽 192，销的端部便可以从腔室164中退出，使弹簧184得以伸展。 然而，如果套筒120被定位之后，沟槽196并没盖住槽192，由于 销与壁194的接触，使销的端部被迫伸入腔室164中。在这种情况 下，销紧靠着螺母186，而螺母又使弹簧184处于压缩状态。

当安装工具20以便装配钻头部件22时，这些部件借助于连接 在挡块182上的冠状体70而环绕着杆178沿径向放置。每个钻头 部件22的表面98都靠在相对于主体118来说锥台端部172直径较 大的一端。一条弹性条带198将钻头部件22压在各自相应的表面 82上，从而将这些钻头部件保持在吊架176中。

在套筒120的外面表上设有若干个隆起部200，它们平行于套 筒120的长度延伸，这些隆起部200均匀地间隔开来，相邻的隆起 部之间构成了一些浅槽202，当工具20通过钻机12被放下时，流 体可以流过这些浅槽。

在设备10中设有卡套24(参照附图5A-5C)，其作用是抗抵住 弹性条带198的偏压而使钻头部件22膨胀，并将该钻头部件22紧 靠着驱动件18的内表面而固定在其切削或钻进位置中。

卡套24呈圆筒形，一对相互对置的尖部206从其上游端204 伸出，每个尖部的侧边都沿下游方向急骤倾斜，直至平坦部208， 该部将二尖部206隔离开来。一对纵向延伸的导轨210从卡套24 的外周面212突起。该导轨210插入驱动件18的沟槽60中。一对 相互对置的呈纵向延伸沟槽214(仅示出一个)状的止动装置设置在 卡套24上，它可以与收回挡块154相咬合，每个沟槽214的上游 端都是倾斜的，即朝着上游的方向倾向卡套24的内表面。套筒24 上与尖端206相对的一端设有若干条纵向延伸的键槽218，相邻的 键槽218之间被突缘220隔开。沿着卡套24内表面的整个长度加 工有水槽222，该水槽为钻头冷却润滑以及冲洗用水提供了一个通 路。

用于更换扩孔钻部件(参见图13及14)的器具20’，(图12)其结 构及功能都相当于更换钻头部件22的器具20。所以在描述工具20 时所采用的一些标号也用来表示工具20’类似的部件，一个缆绳适配 器124’旋拧在工具20’的上端部122，弹簧128’介于缆绳适配器124’ 与环126’之间。如同工具20一样，借助于一个可与套筒120’上端的 切槽(未示出)相咬合的突起部130，环126’可以沿工具20’的纵向滑 动。安装及回收挡块138’及154’与工具20的配置相同。工具20’与 20之间的基本区别是：吊架176’包括若干切口227，它们沿径向成 形于主体118’的下端部附近。每个切口的上端都带有一斜台228， 它直通主体118’的外表面。此外，套筒120’还设有若干个孔眼230， 它们叠置在切口227的上方。在每个孔眼230下端处都设有一个沿 径向朝向中心的唇部232。

工具20与224之间的另一个区别是用来放置安装及回收挡块的 销件的沟槽其长度不同。具体说，工具20’的沟槽(例如槽148’)比工 具20中相应的沟槽长很多。

一个标准的过调连接器234连接在工具224的下端，以便与工 具20的缆绳适配器124相连。这种连接可以使工具20与20’相对 转动。

当扩孔钻部件226被装进钻机12中或者从中收回时，它都被保 持在切口227中。扩孔钻部件226的形状为带有倾斜侧面的矩形棱 台形。每个部件226都被放置在一个矩形的板面236上。直立的唇 部238及240分别横过板236的上游端及下游端延伸。唇部240及 板236的上游端都是倾斜的，从而沿上游方向相互会合。

部件236借助于橡胶带242及244而保持在切口227中，橡胶 带在部件226的端部附近将板236包住。

一个作为辅助驱动件18’的筒状元件被拧在钻机上，其作用是将 扩孔钻部件226保持在一个切削位置上，辅助驱动件18’设有支承装 置，它包括一个从驱动件18’的内周壁向内突起的突台32’以及具有 倾斜边缘248的切口246(仅示出一个)，以便放置钻头部件226。 在驱动件18’的内表面，每个切口246的下游端附近，都切有一个凹 槽250，以便容纳唇部238。

辅助卡套24’与辅助驱动件18保持在一起，以便在切削位置上 将部件226握持住。而在更换时则松开部件226。卡套24’大致与 卡套24相同，只是它不包括卡套24中的键槽218和突缘220。工 具20’的作用是使卡套24’在一安装位置与一回收位置之间滑动。在 安装位置时，卡套24’将切削位置上的部件226定位并将之握持住。 而在回收位置时，卡套24’被回缩并放开部件，使之借助于弹性带 242及244而回落到工具226中。

现再参照图1，该实施例中的地面钻12是一个芯样钻机，例如 由LONGYEAR制造的那类钻机。芯样钻机一般包括一个接缝环 (Landing ring)252，它位于钻机12的下端部。该接缝环252的作用 是阻挡住传统的芯样筒体254(参见图10及11)的通路。芯样筒体254 的顶部靠在接缝环252上。防止该芯样筒体254从钻机12中掉出。 该芯样筒体254是用来收集和保存所钻地层的芯样的。一旦芯样筒 体被装满，钻机即停止，将钻机从所钻孔眼的底部提起，断开芯样， 再通过一根缆绳256将芯样筒体从钻孔12中提出。

如果该设备10仅用来就地换下一个钻头，那么将一个螺纹连接 着扩孔钻16的驱动件18替换传统的芯样钻头(未示出)。在该设备 10也用来就地更换扩孔钻的情况下，就用驱动件18′来拆换标准的 扩孔钻16。卡套24和/或24′总是被保持在其相应的驱动件18及 18′内。工具20及20′被放下并从钻孔12中收回，以便分别用来安 装和回收钻头部件22及226。当工具20及20′被取出之后，标准 芯样筒体254便可放进钻机下方，它穿过卡套24及24′，以便接受 一个芯样。

该设备10的操作方法将结合钻头部件的更换过程进行介绍。

将驱动件18拧紧在一台标准芯样钻机的扩孔钻16上。将工具 20调整到安装模式，即相对于环126旋转套筒120，使突缘130与 安装模式选择器的凹槽132相咬合，吊架176从主体118中伸出， 压缩弹簧184，该弹簧一锁定销(未示出)保持在压缩状态，销的端 部伸进腔室164中。在这种结构形式中，安装挡块138从套筒120 的沟槽139中横向伸出。然而，回收挡块154并不与沟槽155对齐， 因此在套筒120中处于被压缩状态。将钻头部件22放进吊架176 中，并用弹性条带198固定之，该条带与每一个钻头部件22的表 面82相接触，各钻头部件的冠状体70抵靠挡块182。再将卡套24 放进驱动件18中，借助于唇部62使之位于支承元件30的上方。 放置卡套24时应使其尖部206指向上游方向，卡套24的导轨210 插进沟槽60内，以便使卡套24沿驱动件18的内侧滑动。

工具20经由缆绳适配器124而连接在一个标准缆绳过调部 (overshot)上，并被插进传送套筒260中(如图15所示)，该套筒压住 安装挡块138。然后，将传送套筒260连同工具20一起穿过钻机 12的中心放下，传送套筒自身重量262(参照图16)可以加在套筒260 的上端，以便提高工具20的下降率。与接缝环252的抵靠阻止传 送套筒260的下降，但是工具20的外直径要小于环252的内直径， 所以工具20仍然会继续下降，当工具穿过接缝环252时，在弹簧 150的作用下安装挡块138受到偏压，便从套筒120上的沟槽139 中伸出。挡块138的支承面152与尖部206接触，使工具20旋转， 直至支承面152靠在尖部206之间的平台208上。工具20的旋转 可以确保钻头部件22与驱动件18的凹槽56以及卡套24的键槽218 的对齐。

借助于尖部206的碰撞，挡块138被后推一小段距离，这引起 了套筒120的相应运动。这一运动使凹槽196位于沟槽192的上方， 从而使位于其中的销(未示出)从腔室164中退出，使弹簧184伸长。 这同时也使吊架176退回至主体118中。每个钻头部件的表面98 都沿截锥端172滑动，即沿主体118的横向延伸，并与内壁22相 接触(图9)。随着工具120继续它的下降。杆体部68的台阶90与驱 动件18上的平台32相咬合。

工具120的连续下移，借助于支承在平台208上的安装挡块138 使卡套24也向下移动，当每个钻头部件的台阶90与平台32相接触 时，钻头部件22的进一步下移就被阻止。卡套24会集钻头部件的 背面96，并且使钻头部件22抵住弹性条带198的偏压沿径向向外 膨胀，使这些钻头部件固定于各自的凹槽58中。卡套24继续向下 运动。直至抵达其安装位置。此时，其键槽218滑过钻头部件22而 将这些钻头部件保持在驱动件18内，弹性条带198位于一腔室内， 该腔室位于驱动件18的表面44与钻头部件22的表面82之间。

然后，工具20经由缆绳256被撤向接缝环252上。通过环252 而向后拉，安装挡块138在接缝环上被压缩，工具20再重新进入传 送套筒206中，二者一起被从钻机12中全部拉出。

位于驱动件18附近的钻头部件22组成一个可切削地面的钻 头，通过缆绳256可以将标准芯样筒体254送下钻机12，以便去装 载一个钻出的芯样。卡套24的尺寸应允许芯样筒体254(图10、11) 穿过。

使钻头部件22保持在驱动件18与卡套24之间，从而组成了一 个钻头，将钻机12降至所钻孔眼的底部，使之旋转，重新开始钻进。 参见图10，当钻头冠状物70到达孔眼的底部，钻头部件22被向后 滑动，使钻头部件22的表面34、48和52与钻头部件的表面86， 112及114相互承靠。在这一模式中(钻井模式)，台阶90在平台32 上方一段距离。钻头部件的滑动是借助了钻头部件的表面77和88 以及驱动件的表面38而实现的，所有这些表面都是与轴线36平行 延伸的。

钻头部件22以及驱动件18上的各个表面的排布方式，将钻头 的重量和钻进时产生的内外旋转力传递到驱动件18上而且随着每个 钻头部件最上部的内侧边缘被迫稍向内靠压到卡套24的外周壁212 上，这一作用也通过一种夹持力而将卡套24锁定。

在钻进过程中钻头部件22与驱动件18之间力的传递情况也示 于图10中，以下特作叙述。箭头A表面在钻井过程中，钻具组一部 分重量从钻头冠状物70至驱动件18的传递方向。这一作用力朝向 驱动件18的纵向，并且施加至表面48和52。如图10中箭头F所 示，钻具组的剩余重量通过每个钻头部件的表面86传递给每个键槽 的表面34。这一作用力同样引起钻头部件22向内的径向移动，从 而对卡套24提供了一个钻井过程中所需的夹持作用力。

作用于冠状体70的表面108上的外部径向的作用力通过表面 52而被转移给驱动件，如箭头B所示，这些作用力同样也被驱动件 18的表面52和48所承受。作用于钻头冠状体70以及驱动块56上 的内部径向的作用力则经由表面48而被传递给驱动件，如箭头C所 示。

在岩芯断开过程中(图11)，当钻机12从钻孔的底部提出之后， 钻头部件相对于驱动件18滑动，直至台阶90与平台32咬合，驱动 件的表面40及46分别与钻头部件的表面84及78的相抵靠。芯样 筒体254同样也施加一作用力给钻头部件22的表面102，这一作用 力沿对角线的方向，偏向孔眼的底部从钻头部件22传向驱动件18， 力的传递是在相应的表面对77与46,84与40之间进行的，如箭 头D,E及G所示。

钻头部件22与驱动件18的表面78及46之间都存在一定间隙 (图10)，在岩芯破碎过程中，当芯样筒体254对钻头部件22施加一 作用力时，这一间隙允许钻头部件22沿径向向外弯曲。这样，在岩 芯破碎过程中便使钻头部件沿径向从轴线36向外分散开，同时可以 让芯样从以传统的方法，经由一个芯样筒体提升器(未示出)钻出的 岩内构形断开。

在钻井过程中，如上所述，由于每个钻头部件的上端最内侧边 缘都是受力稍微向内挤向卡套24的外周壁212，至使卡套24能够 借助于一个夹持力而将钻头部件22固定住。

旋转动力是从驱动件18经由推进突块56而传给钻头部件22 的。

钻头的润滑及冷却是以传统方式进行的。将流体泵入钻机12， 并经过卡套24的内部水道222进行导引，流体可以流至钻头冠状体 70处。但是，在钻头冠状体70处的冷却与标准钻头相比，却存在很 大不同。在本发明的设备10中，借助于相邻钻头部件22之间的间 隙，自然而然地提供了一种极宽的水道。

对于传统的钻头来说，在其冠状体中仅开有比较窄的通道或沟 槽以供润滑液或冷却液的流通。而本发明实施例中的钻头部件之间 的间隙则比标准钻头的水道宽度提高300％～600％，而其钻头冠 状体70的表面积却有实质性的减小。这是与钻头基质设计的标准实 践相反的。可以相信，本发明的钻头部件的排列方式具有更高的切 削效率。因为它的冷却，杂质的冲洗，以及润滑都具有更高的效率， 而且泵的压力也较低，由于钻机重量集中于一个更小的切削区域， 该冠状体的设计也提供了一个更高的穿透力。相邻的钻头部件之间 所具有的附加宽度的水道也克服了钻头水道被堵塞以及由于钻头冠 状体的毛刺或钻井切出的杂质而引起的循环不良。

为了收回或放置钻头部件22，起初应将钻机12稍稍提离井底 一段距离，以便将芯样自岩石构形264断开。然后利用传统的方法 即可用缆绳256将芯样筒体254从钻机中取出。

利用套筒120的一个反向拧转可以使工具20被放置在回收模式 中，即使回收槽134与突起部130相咬合，这样，沟槽155便与回 收挡块154对齐，后者此时充分胀开，而且伸出套筒120的表面之 外，将工具20插进传递套筒260中，并且通过钻机12送下。当抵 达接缝环252时，套筒260的下降被停止，但工具20继续穿过接缝 环252，将收回及安装挡块138,154暴露出来，使之与钻机12的 内周壁相接触。

随后，工具20即进入卡套24中，此时，通过与卡套24的内周 壁的接触，使收回挡块被压缩。安装挡块138与尖部206相接触， 使工具产生转动，以便与驱动件18适当对齐。安装挡块138底部位 于平台208之上，收回挡块154发生膨胀，进入卡套24中的沟槽214 中，吊架176处于延伸位置，弹簧184压缩，通过装在凹槽192中 的锁定销(未示出)将螺母186锁住，使之无法作直线移动。吊架176 都位于钻头部件22的中心，而挡块182伸过钻头冠状体70。当工 具20通过一根缆绳256而被提起一段短距离时，收回挡块154将卡 套24拉回，卡套沿驱动件18内的沟槽60滑动。同时，钻头部件22 被松开由于弹性条带198的收缩使其落在吊架176中。当进一步向 上拉动工具20时，收回挡块154受到夹持件62上锥形表面65的压 力而从卡套24中自动解脱。

随着工具的继续上移，它将离开卡套24，收回挡块及安装挡块 都将与钻机12的内壁相接触。当抵达接缝环252时，安装挡块 抵抗着弹簧150的压力而被压缩，从而穿过环252，为了压缩收回 挡块154，表面162连同接缝环252的下端面都被制成倾斜的，当 收回挡块与接缝环接合时，收回挡块施加向上的力将致使被压缩穿 过接缝环252。

然后工具20重新进入传送套筒260，并与之一起被拉至地面。 可以将钻头部件22从吊架176中取出，并装入新的钻头，以便装 入驱动件18。

借助于扩孔钻工具20′，辅助驱动件18′以及辅助卡套24′对扩 孔部件226进行原地更换，基本上与上述对钻头部件22的描述相同， 二者唯一的不同是吊架176′的操作方式，参照图2，扩孔钻部件226 被放在吊架176的凹槽227中，当安装挡块138碰到卡套24′的尖部时， 套筒120′被迫向后，即朝向上游方向。这样，套筒120′上的唇部 232便与平板236的唇部238抵靠，从而引起扩孔部件226沿斜面228 滑动，使唇部240沿套筒120′外表面的横向伸出。这样，唇部240便 与平台32′接触，阻止扩孔钻部件226的进一步下移。扩孔部件的收 回与钻头部件的方法相同。

如果希望在钻机12包括可更换扩孔钻部件，用驱动件18′对标 准扩孔器16进行更换。典型地，通过将工具20′的缆绳过调器234与 工具20的缆绳适配器124相连接，可与钻头部件22同时更换扩孔钻 部件226。这可以使工具20与20′相对转动。虽然扩孔钻部件与钻头 部件的更换是可以同时发生的，扩孔钻部件的更换并不象钻头部件 那样频繁，当扩孔钻部件不被更换时，工具20′便留在安装模式，  也不将扩孔钻部件226放进吊架176′中即可。 

从以上的描述可以清楚的看出，与现有技术相比，本发明具有 许多优点和效益。最重要的一点是，本发明不需将钻杆组从井孔中 撤出，即可非常容易和迅速的更换钻头及扩孔钻，从而节省了时间 提高了效率，同时也降低了钻井成本。这种更换钻头的简易性同时 也便于根据各种不同地层结构来更换钻头，从而依照各种地层的情 况选用硬度及特性更为适当的钻头，就此而言，如果不是依照碰到 的地层情况来具体选用钻头，钻入地层深度不足一米，钻头就将完 全磨损。此外，与驱动件的键槽相结合的钻头所具有的独特形状和 构造，以及卡套所具有的构形可以使下述功能得以实现：

1、钻头部件及驱动件的锥形表面可以将钻头冠状体在钻杆组 提起以便将芯样断开及收回时所受到的负荷力均匀地传过驱动件18 从而消除钻头部件22被折断的可能性。

2、与推进凸块56以及卡套24相接合的钻头部件22侧面74的各 个表面，可以将钻井过程中钻杆组的重量以及转动力矩均匀地传递 给整个驱动件组件。

3、当钻井作业从其钻井模式改变成断芯模式时，驱动件18以 及钻头部件的表面可以使钻头部件在驱动件18与卡套24之间滑动， 这样便可以在安装及回收过程中为钻头部件的方便快速(snap-over 的锁定及开锁作好准备。

4、驱动件18以及钻头冠状体70基座的诸表面对钻井过程中钻 头冠状体经受的内/外径向作用力可提供一个反作用力。

5、钻头部件在驱动件当中的滑动非紧密配合可以便于其插入 及收回。这同时也就避免了钻井流体或切削物对部件的玷污而引起 的一些问题。

6、用倾斜的接合表面代替纹螺，可以使每个钻头部件22的整 个长度都获得最大的设计强度，从而实现了一种非常坚固而简单的 钻头部件设计。

7、根据驱动件18的设计，当钻机被从井孔的底部提起或与井 底接触时而产生的前后运动，将自动连续地清洁(defouls)该钻头 部件。同时也将自动地消除在某些钻井过程中由一些污物之类的东 西所造成的钻头部件的堵塞。

8、在钻井模式中，钻头部件的表面与键槽之间的相互作用还 可以自动在钻头冠状体70与孔底接触的瞬间，将卡套24锁住，以及 在钻杆被提升离孔进底的瞬间，将卡套松开。