地面钻机切削装置的就地更换系统

技术领域

本发明涉及一种地面钻机切削装置的就地更换系统，具体说， 它涉及一种(虽然并不是限局于此)芯样钻机的钻头和/或扩孔钻 的就地更换系统。 背景技术

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。钻杆的长度一般的固定的， 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。当然，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。但这些偿试并末获得商业规模的成 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。 发明概述

本发明的目的在于克服上述现有技术的至少一个缺陷，提供一 种对地面钻机的钻头和/或扩孔钻进行就地更换的系统。

根据本发明，所提供的系统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，该系统包括：

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。

一个可以穿过上述地面钻机进入上述元件中的工具，所述的元 件的尺寸可将所述的切削部件传送到上述元件中并从中将其送出， 所述的工具可以在一种安装模式及一种回收模式之间作出选择，在 安装模式中，所述的切削部件被放置在上述工具中，以便装进所述 的元件之中，而在回收模式中，上述的工具不带切削部件，可以将 在先安置在上述元件中的切削部件回收起来。

在上述的元件中放有一个大致呈圆筒形的卡套，通过上述工具 可以使该卡套在一安装位置与一回收位置之间运动，当在安装位置 时，该卡套将上述部件放置在支承装置中，并将这些部件保持在切 削位置上，该切削位置位于卡套与上述元件之间，而当在回收位置 时，上述卡套回缩，以便将这些部件从卡套与元件之间松开，该卡 套的尺寸可以使上述的工具延伸穿过，而且该卡套与工具可以以一 种可折卸的方式相互连接；

在使用过程中，可以通过使所述的工具转换到回收模式中，而 将经由卡套安置在其切削位置并保持在所述的元件内的切削部件回 收，将上述的工具放进钻机中，使之降低到可伸过卡套并与之相接 触的位置上，再向上提拉上述工具，从而将所述的卡套送进回收位 置，在此位置上，上述切削部件可以落到并固定在上述工具中，将 上述工具所钻机中提出时即可进行回收，然后可以将工具转换到安 装模式，对一组新的部件进行安装，将上述工具放入钻机中，使之 伸过卡套并与之相接触，然后再使工具进一步下移，从而将卡套送 入其安装位置，在此位置上，卡套将所述的切削部件固定在支座中， 并使它们保持在卡套与上述元件之间的切削位置上，然后即可将工 具撤出，钻进工作即可进行。

为了便于与卡套的结合，上述的工具最好包括一种安装挡块装 置及回收挡块装置，当工具连在安装模式中的时候，上述安装装置 进行工作，而回收挡块装置不工作，而当工具连在回收模式中时， 安装及回收挡块装置都工作，其中，当工具被放入钻机中时，所述 的安装装置与卡套相结合，而当工具被上拉第一段距离时，所述的 回收挡块装置可以与所述的套筒相结合，此时卡套也被上拉第一段 距离，当工具被上拉并越过上述第一段距离时，回收挡块装置自动 从卡套中解脱出来。

所述的工具最好包括可以使之在安装模式与回收模式之间进行 转换的模式选择装置，该模式选择装置包括一个以可滑动及可旋转 的方式安装在上述工具的一个主体部位的一个选择器套筒，该套筒 带有安装孔及回收孔，安装挡块装置及回收挡块装置可以分别穿过 各自的孔而伸出来，所述的选择器套筒可以从与安装模式相对应的 第一位置转到与回收模式相对应的第二位置，在安装模式中，其安 装孔位于安装挡块装置的上方，而回收孔则相对于回收挡块装置在 径向上错开一段距离，而在回收模式中，安装孔及回收孔则分别置 于安装挡块装置及回收挡块装置的上方。

安装挡块装置最好通过抵合在卡套的上端部与卡套相结合，卡 套上端部的构形最好在安装挡块装置与上端部结合时，所述的工具 能够绕其纵轴旋转，使该工具与支承装置对齐，从而使所述的切削 部件能被安置在支承装置上以便进行安装，或者使其从支承装置中 落回到所述的工具上以便进行回收。

所述的卡套最好带有一个第一锁销，以便与上述回收挡块装置 相接，该系统最好还包括一个装置，当工具被向上拉，超越其第一 段距离时，该装置可以将回收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，以便对回收挡块装置 进行压缩。

上述的工具最好还包括载运装置，所述的切削部件可以被放置 在该载运装置上，以便被送向或送出所述的元件，当工具与卡套结 合时，可以操纵工具使切削部件相对于工具的主体滑动，使各部件 的上端沿工具的横向伸展，从而与支承装置及卡套相结合。

所述的载运装置最好包括一个吊架，上述的切削部件以一定的 径向间隔环绕着该吊架，当所述的工具位于安装模式而且工具与卡 套相结合时，该吊架可相对于工具的一个部位进行滑动，由于吊架 与工具所述部位之间的相对滑动，使切削部件的上端沿工具的横向 伸出，以便通过上述的支承装置及卡套进行接合。

所述的支承装置最好包括一个环绕上述元件的内表面沿周向延 伸的平台，在使用时，当沿工具的横向扩展时，所述的部件的上端 部可以与该平台结合，从而阻止这些部件的进一步下移。

所述的系统最好还包括一根环绕在所述切削部件周围的弹性条 带，以便将部件保持在工具上，当部件被保持在切削位置上时，该 弹性条带朝着元件纵轴的中心方向对所述的部件施加一个偏压，这 样，在部件的回收过程中，该弹性条带协助将所述的部件落到在所 述的工具上。

上述支承装置最好还包括一系列锥形及平坦的表面，它们位于 所述的元件的内周壁上。

所述的一切削装置最好是一个钻头，而所述的部件是钻头部件， 该钻头部件具有一系列锥形及平坦的表面，当钻头部件被保持上在 卡套与上述元件之间时，这些表面与所述元件上的那一系列表面相 对，这些表面中的每一个的构形及其并置都使得在切削位置时，钻 头部件能够相对于所述的元件滑动，所述的切削位置相当于钻机被 从其钻孔的底部提起，以及被降至其底部时的位置。

上述一系列的表面最好具有这样一种形式及排列方式，即当钻 机被用来钻取一个芯样并将该芯样从孔眼的底部提起并将该芯样破 开时，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，并与所述元件的内周壁相接触。

所述的吊架最好包括一根从所述工具的主体部下锥形端部延伸 出来的长干体，它可滑动地容纳在所述主体部的一个孔眼中，还包 括一偏压装置，它可使所述的干体回缩到所述的孔眼中去，这样， 在安装模式中，在所述的工具与卡套相结合之前，所述的偏压装置 处于压缩状态，所述的干体从所述的孔眼中延伸出来，从而使所述 部件的上端坐靠在所述的锥形端部，由于所述的工具与卡套的接触 作用，所述的偏压装置由压缩状态放松，从而将所述的干体缩回至 所述的孔眼内，这样，所述部件的上端部便沿着锥形端部滑动，沿 所述的工具的横向伸展开来。

所述的选择器套筒最好可以操作一个第二锁销装置，以便使所 述的偏压装置处于压缩状态，而且该选择器套筒与所述安装挡块装 置相配合，当所述的安装压紧装置与卡套相结合时，所述的选择器 套筒可相对于所述工具的主体滑动，并将所述的第二锁销装置放松， 使所述的偏压装置张伸，使所述的干体缩回到所述的孔眼中去。

在一个替换实施例中，该系统可以被用来就地更换一地面钻机 中的扩孔钻，其中的扩孔钻是由若干个独立的部件组成的。在该实 施例中，其吊架包括多个凹槽，它们位于所述工具的主体上，每根 凹槽的上端都带有一个通向该主体外表面的倾斜面，选择器套筒带 有若干孔眼，它们在安装及回收模式中都位于所述部件的上方，在 每个孔眼的下端部都带有一个沿径向向内伸出的唇部，以便与每个 部件的下端部相咬合，这样，在安装模式中当所述的安装挡块装置 通过工具与卡套相结合时，选择器套筒可以相对工具主体滑动，使 所述的唇部推动所述的部件，并使这些部件的上端沿所述的倾斜面 滑动，滑横向伸出工具之外并与支承装置及卡套相结合。在该实施 例中，其支承装置最好包括一些切口它们在所述元件的周围沿径向 形成，部件的一个切削面可以通过切口伸出，以便对地面进行切削。

在另一实施例中，设想用一种组合系统用来就地更换一个地面 钻机的钻头及一个扩孔钻，其中所述的钻头包括若干个钻头部件， 所述的扩孔钻也包括若干个扩孔钻部件，该组合系统包括一个第一 分系统，它用来更换钻头部件，还包括一个第二分系统，它用来更 换扩孔钻部件，每个分系统都包括与本发明的第一个方面相一致的 一个筒形元件，一个工具以及一个卡套，其中第二分系统的元件与 钻机的下端部相连，而第一分系统的元件则与第二分系统的元件相 连，第二分系统的工具以可旋转、可折卸的方式连接在第一分系统 中工具的上端部，这样，钻头及扩孔钻可以同时进行更换。 附图的简要说明

现在将结合附图以举例的方式对本发明的一些实施例进行说明， 附图中：

图1是安装在一个地面钻机中的本系统的第一实施例的侧视图；

图2是图1中所示的系统中采用的工具的侧视图；

图3是图2中所示的工具的纵向剖面图；

图4A是图2及3中所示的工具的选择器套筒的侧视图；

图4B是图4A中所示的套筒的端面视图；

图4C是图4A中所示的套筒的另一端的视图；

图4D是图4A中沿B-B线作的剖面图；

图4E是图4A中沿C-C线作的剖面图；

图4F是图4A中沿A-A线作的剖面图；

图4G是图4A中沿D-D线作的剖面图；

图5A是图1所示系统中采用的卡套的侧视图；

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是图1所示系统中采用的一元件的纵向剖面图；

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所示系统中使用的钻头部件的侧视图；

图7B是图6A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一端视图；

图8A是在图1所示的系统中采用的锁定夹的顶视图；

图8B是图8A所示的锁定夹的侧视图；

图9是本系统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，其钻头部件由卡套锁 定在其切削位置上；

图11是图10所示的钻杆组的视图，但其中的钻杆组被从所钻井 孔的底部向上拉起；

图12是在本发明第二实施例中使用的工具的剖视图；

图13是在本发明第二实施例中使用的扩孔钻部件的顶视图；

图14是本发明第二实施例的局部剖面图，其中扩孔钻部件被夹 持在一个切削位置；

图15是用于图1所示系统中的传送套筒的侧视图。 最佳实施例的详述

图1描述了系统10的第一个实施例，该系统可用于地面钻机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。

该系统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， 该卡盘将钻头部件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的内周壁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 着内表面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各端的内在壁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。钻头部件包括一干体68和位于该干体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 表面26。干体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平行于轴线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于体68的末端94。

干体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 倾斜并终止于干体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将档块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凹槽 164中或者从槽中退出。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。 一根弹性条带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。

在系统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， 它可以与收回档块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′的下端部附图。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226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，卡盘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(Land- ing 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将芯样筒体从钻机12中提出。

如果该系统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)。在该系统 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′被放下并从钻机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。

该系统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，该弹簧被一锁定销(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(over- shot)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续续它的下降。干体部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260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分件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与驱动件分18之间力的传递情况也示 于图10中，以下特作叙述。箭头A表示在钻井过程中，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 岩石构形断开。

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。在本发明的系统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， 该冠状物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，收回挡块及安装档块 都将与钻机12的内周壁相接触。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。