偏心安装的套管下扩眼器(underreamer)是公知技术。这种偏心 安装的套管下扩眼器包括一个臂形件，所述的臂形件沿着一定轨迹运 行以进行套管下扩眼的作业，并且为了取出钻井工具，该臂形件可以 向着井眼轴线回缩。然而，如果套管下扩眼器遇到岩石碎块、埋藏的 金属物体等等，偏心安装的套管下扩眼器可能偏离井眼轴线。在大多 数钻井操作中(特别是在需要形成多个密集分布的井眼时)，一个大钻 头的任何偏移均是令人无法接受的。任何的偏离都将会大大阻碍套管 在一个已钻井眼内的安装。
另外一些公知的套管下扩眼设备使用安装了三个钻头的板形件， 这些板形件可以向外移动，但是该板形件的整个工作表面基本上小于 井眼的周边。这样的一个小尺寸的板形件将受到严重的磨损而使得钻 速缓慢。
套管下扩眼作业也可以通过利用冠形顶钻或者环状钻头来实现， 但是在钻井完成后这些钻头的部件必须留在套管下扩眼区域，这是非 常浪费的，因此在某些钻井操作中是无法令人接受的。
本申请人的共同未决的美国专利申请08/674123以及本发明所公 开和要求保护的套管下扩眼器解决了上述的每一个问题。
除了与公知的套管下扩眼器有关的上述问题以外，快速而有效地 从井眼和钻头处清除钻屑也是一个问题。在本申请人的美国专利 5511628(在此引入作为参考)中，公开了一种具有中央排放出口的气 动井下钻机。美国专利5511628中的设备允许大的钻屑碎块通过在钻 头上形成的一个中央轴向孔眼以及通过连接到该中央轴向孔眼上的一 个中央排放管进行连续排出。压缩空气穿过周边通道向下到达钻头下 面然后进入所述的中央排放管。压缩空气穿过中央排放管的流动实现 了从井眼连续和有效地清除地层碎块，其包括快速清除无法通过套管 的周边通道进行清除的较大碎块。
然而，仍然需要提供一种反向循环气动钻机，该钻机可以实现： 井眼的套管下扩眼、从井眼内的钻进工作面连续排放钻屑碎块以及用 于在钻井操作的过程中或钻井操作完成之后通过套管取出钻头。

本发明针对现有技术中的缺点而用一个反向循环钻井系统来实 现。
本发明的一个目的就是提供一种用于井眼下气动冲击锤上的钻头 装置，该钻头装置包括：压缩流体源；一个推进器；井眼下气动冲击 锤，其与所述推进器连接，并且可操作成响应于接受压缩流体的供给 而冲击推进器；至少一个与所述压缩流体源和井眼下气动冲击锤连通 的流体通道，所述通道包括细长的环形空间，该环形空间至少部分由 连接压缩气体供给与井眼下气动冲击锤的管的同心壁形成；一个导向 钻头，该导向钻头具有一个轴、一个周边钻井工作面、一个下表面和 一个从所述的下表面向上穿过所述轴延伸的通孔；连接装置，该连接 装置可旋转地将所述的推进器连接到所述的导向钻头上；套管下扩眼 器臂形件，该臂形件可旋转地安装在所述推进器和所述导向钻头的中 间，该臂形件包括套管下扩眼表面，该套管下扩眼表面可以定位到所 述导向钻头的周边的外侧；凸轮表面，所述的凸轮表面可以与套管下 扩眼器臂形件上的对应表面接合，以用于：将套管下扩眼器臂形件展 开到一个伸出位置，并将该套管下扩眼器臂形件锁定在所述的伸出位 置，以及通过所述推进器和所述导向钻头之间的旋转运动而将所述套 管下扩眼器臂形件从所述的伸出位置回缩；以及表面，该表面在所述 推进器的一个外表面和所述导向钻头中的通孔之间形成至少一个空气 通道。
根据本发明的另外一个方面，提供一种连续利用从井下冲击锤排 放出来的压缩空气来冲洗钻头的方法。排放空气流按照设定的路线穿 过钻头装置上的开口而进入到中央排放管内。还可以提供一个第二压 缩空气流以便连续冲洗钻头的周边区域。在一个实施例中，清洗周边 的空气来自井口所产生的压缩空气，从而对套管加压。
本发明的这些和其它方面将参照附图详细描述。

图1是根据本发明的一个钻井装置的局部剖面图。
图2是图1中的钻井装置的放大的局部剖面图，表示动力压头装 置、压缩空气入口套和双壁管装置的上接头。
图3是图1中的钻井装置的放大的剖面图，更详细地表示套管推 进器。
图4是图1中的钻井装置的放大的剖面图，表示双壁管装置和箱 体以及支撑压头装置，该支撑压头装置将双壁管装置的下接头连接到 井下气动冲击锤。
图5是井眼下气动冲击锤的剖面图，其中包括一个钻头装置。
图5A是井眼下气动冲击锤的锤筒的另外一种形式的立体图。
图6A是根据本发明的一个钻头装置的第一个实施例的分解立体 图。
图7A是图6A中的导向钻头的立体图。
图7B是图7A中的导向钻头的底视图。
图8是图6A中的实施例中使用的一个套管下扩眼器臂形件的立体 图。
图9A是图8中所示的一个套管下扩眼器臂形件的端视图。
图9B是图8中所示的套管下扩眼器臂形件的外侧侧视图。
图10是图6A中的实施例的钻头推进器的底视图，表示该钻头推 进器的轴向表面形成了用于容纳套管下扩眼器臂形件的凹槽，该轴向 表面抵靠着套管下扩眼器臂形件以便臂形件的伸出和回缩。
图11本发明的第二个实施例的钻头推进器的底视图。
图12是图11中实施例的一个套管下扩眼器臂形件的底视图。
图13是图12中的臂形件的底视图，表示该臂形件在图11中的钻 头推进器上处于其回缩位置。
图14是与图13中的钻头推进器和套管下扩眼器臂形件一起使用 的导向钻头的俯视图。
图15是图14中的导向钻头的底视图。
图16是图13中的钻头推进器和套管下扩眼器臂形件，表示其套 管下扩眼器臂形件处于其伸出位置。
图17是图13中的钻头推进器和套管下扩眼器臂形件的放大的部 分视图。
图18是图11-17中所示的钻头装置的部分剖开的底视图，表示 其中的压缩空气流动通道。

参考图1，一个反向循环钻井系统用附图标记10表示，包括一个 压头装置11、一个双壁管装置12和一个位于一钻孔套管14内的井眼 下气动冲击锤13。参考图2和3，压头装置11包括一个套管推进器 15和一个动力压头装置16。其中，所述的套管推进器15用于当钻头 前进时向下推动钻孔套管14，而所述的动力压头装置16为标准类型， 用于在钻孔套管14向下移动时旋转该钻孔套管14。套管推进器15包 括一个环形锤17，当压缩空气交替进入环形锤17上方和下方的腔室 中时，该环形锤17作垂向往复运动。环形锤17冲击砧18，该砧18 则又冲击套管帽19。套管帽19密封到钻孔套管14的内表面上，从而 使得钻孔套管14能在套管帽19和井眼下气动冲击锤13之间通过开口 20充有一定压力。钻孔套管14充有一定压力使得该钻孔套管14与井 眼下气动冲击锤13之间形成一个向下的空气流动，因此可以防止井眼 下气动冲击锤13和钻孔套管14之间的钻屑向上运移，因为这种运移 可能会阻碍冲击锤的取出。动力压头装置16通过连杆装置21连接到 砧18，用于向双壁管装置和井眼下气动冲击锤施加旋转运动。动力压 头装置16是本领域的一般性设计，只是其中央元件22有所不同，该 中央元件22通过螺纹连接到双壁管装置14的上端，并包括一个与双 壁管装置12相连通的中央孔，用于穿过动力压头装置16将钻屑排放 通道延伸到弯管29。中央元件22和双壁管14之间的接头包括一个开 口23，用于允许空气进入双壁管装置12的内壁25和外壁26之间的 环形空间24内。套子27安装在接头周围并包括空气入口28，通过该 空气入口28压缩空气可以进入双壁管装置，以按照如下所述的方式驱 动井下冲击锤13。一个弯管29可旋转地安装和密封到中央元件22的 上端。而弯管29、中央元件22和双壁管装置14的内壁25一起形成 一个中央钻屑排放管，用于按照如下所述的方式从井眼下气动冲击锤 连续排放钻屑。
参考图4，双壁管装置12由单个的管段组装而成，每一个管段包 括一个内管31和一个外管33。每一个管段的相对两个端部分别包括 一个公螺纹连接器33和一个母螺纹连接器35。公螺纹连接器14和母 螺纹连接器15中的每一个均包括空气开口36和37，这两个开口分别 与双壁管装置11的外侧环形空间24连通。双壁管装置11的上端用螺 纹连接到动力压头装置16的中央元件22。在双壁管装置11的下端则 连接到一个箱体38，该箱体38又用螺纹连接到井眼下气动冲击锤13 的支撑压头40。开口42和44与双壁管装置的环形空间24相连通， 从而提供路线使得这里的压缩空气进入井眼下气动冲击锤。
参考图5，井眼下气动冲击锤13包括一个螺纹连接到支撑压头40 上的箱体38。一个套筒41和一个锤筒42用螺纹连接到支撑压头40 上。一个中央定位的排放管43被挤压到套筒41内。一个耐磨套筒44 配合在锤筒42周围并挤压配合到环状物45和支撑压头40的肩部46 上。套筒41和锤筒42形成一个环形的上部空气腔室48。而中央排放 管43和锤筒42形成一个环形的下部空气腔室50。锤筒42的下端与 钻头推进器52贴靠着，该锤筒42还包括周向唇部54，该周向唇部54 与耐磨套筒44接合，从而将锤筒42定位在耐磨套筒的中央。冲击锤 53可滑动地配合到锤筒42上，从而可以进行往复运动。钻头推进器 52可滑动地配合到锤筒42内、位于冲击锤53的下方且位于中央排放 管43的下端的上方。钻头推进器52通过多个键56保持在锤筒42内。 每一个键均配合到一个键槽58和钻头推进器52的环形凹槽60中。(参 见申请人的美国专利US5511628，该专利在上文中已经引入进行了参 考，该专利公开了另外一种形式的锤筒，其锤筒包括类似的键和键槽 装置，用于将钻头推进器安装在锤筒中)。这种键和键槽装置使得钻头 装置在钻进过程中前进到双壁管装置的前方。
根据本发明的一个钻头装置如图6所示。参考图6，一个钻头装 置包括一个钻头推进器52、导向钻头82和臂形件88a-c。导向钻头 82包括一个具有凹形槽(recessed chamfer)84的上部轴83，凸轮表面 85a和85b以及一个下部86。下部86包括三个周边凹槽87a-c。最好 由硬质合金材料制成的硬质钻井球齿安装在导向钻头的周边和底表面 上(图7)。臂形件88a-c座落在导向钻头82的顶部，并按照如下所述 的方式沿着一定的弧形路径在导向钻头上进行滑动。每一个臂形件包 括一个隆起凸块89，该隆起凸块89可以容纳到钻头推进器52的对应 凹槽90内(图10)。隆起凸块89具有几个功能。首先，来自冲击锤 的冲击力通过钻头推进器52、隆起凸块89和臂形件88向下传递到导 向钻头82。其次，隆起凸块89容纳并保持在凹槽90内，它可以在该 凹槽90内作有限弧度的旋转以便伸出和回缩臂形件88。当臂形件88 处于其回缩位置时，表面91与凸轮表面85a相邻。在该结构中，钻头 装置的总体直径小于钻孔套管14的内径，因此允许钻头装置从钻孔套 管中收回。当臂形件88绕导向钻头82在钻头推进器52的顺时针旋转 作用下而沿着顺时针方向旋转时，倾斜表面85a与表面92接合，从而 迫使臂形件88向外伸出。臂形件88的旋转和伸出一直持续到表面92a 与表面85b贴靠着且表面92b与表面85a贴靠着，从而将臂形件88保 持锁定在其伸出位置。为了释放和回缩臂形件88，钻头推进器52沿 相反方向旋转。在臂形件的完全回缩位置，套管下扩眼器装置的总体 直径小于钻孔套管的内径，从而使得在需要时将整个套管下扩眼器钻 头装置穿过套管取出。该特点相对于现有技术中的套管下扩眼器具有 显著的优点，因为在现有技术中臂形件不可能在必要时通过套管回缩 和取回。
在操作过程中，压缩空气通过开口37、径向开口60、环形空间 62和轴向开口64输送到环形腔室59。在图5中，冲击锤53处于向下 的冲程。唇部66与唇部68接合，从而对腔室48进行密封。唇部72 与唇部74接合，从而密封腔室50。开口78关闭。当活塞53继续向 下移动时，开口76打开，腔室48进行排放。几乎与此同时，唇部74 脱离唇部72，从而在活塞53撞击钻头推进器52以后，使得新的压缩 空气充入腔室50以将活塞53向上举升到其上方位置。当活塞53举升 时，开口78打开，腔室50进行排放。唇部74与唇部72接合，从而 密封腔室50。开口76被活塞53密封，而唇部66与唇部68脱开接合， 从而使得新的压缩空气充入腔室48。腔室48内重新充入压缩空气后 能推动活塞53向下移动，从而开始另外一个冲程。排放到开口76和 78内的压缩空气收集在开口80(如图5A)中，然后通过钻头装置排 放到中央排放管43内，从而携带着钻头切削下的钻屑和地层碎块。为 了防止钻屑在臂形件88a-c和导向钻头之间堵塞，在如图6B中所示的 实施例中，提供一个开口91，压缩空气可以通过该开口91排放以清 洗钻屑。压缩空气穿过钻头装置的流动基本上是连续的，从而实现了 对钻孔之钻井工作面的钻屑进行连续的排放。而且，中央排放管和双 壁管装置内壁的基本上恒定的直径也使得空气流动速度恒定，这有助 于钻屑的清除。从中央排放管连续清除钻屑促进了钻井的进行。很少 有必要通过中止钻井过程而将钻头举升出来以清洗钻孔内的钻屑。这 直接导致钻速的显著提高，此外，由于钻屑堵塞时可以被快速清除， 故能够从钻孔内获得相对精确的“芯”样。本发明的这个方面对于勘 测和环境应用都非常有用。
根据本发明的另外一个方面，导向钻头104利用锁定在展开位置 的套管下扩眼器臂形件钻进到地层内，该展开位置位于套管前端C的 下方并径向越过套管的前端C。套管的移动则是通过相对较大的扩眼面 积和套管推进器15(如果需要)来实现。在如图1和3所示的实施例 中，如果钻头装置前进超过套管前面的一个预定的距离，则连杆21操 作一个阀以将压缩空气提供到气动冲击锤17和有关的套管推进器15。
本发明的另外一个实施例将参照附图11-19进行描述。在该实施 例中，钻头装置也包括一个钻头推进器100、臂形件102a-c和导向钻 头104，这些部件如同图6中的前述实施例那样装配在一起。然而在 该实施例中，从开口80排放的压缩空气沿着设定路线穿过钻头推进 器、臂形件和导向钻头中的内部开口。参考图1，来自开口80的冲击 锤排放空气利用开口106a-c流入并穿过钻头推进器100。冲击锤排放 空气然后分别流动穿过臂形件102a-c上所形成的开口108a-c(参见 图12)。在图13中，如图所示臂形件安装到钻头推进器100上，并且 处于其闭合和回缩位置。来自开口108a-c的排放空气流动到导向钻头 104上的开口110a-c(如图14，15所示)中，并流动通过通道112a-c， 开口114a-c进入到中央排放管43(参考图5)。对开口106a-c、108a-c 和110a-c的位置进行设置，从而使得这些开口可以在臂形件102a-c 伸出时全部对齐；亦即，开口106a，108a和110a对齐，开口106b、 108b和110b对齐，开口106c，108c和110c对齐。参考图16、17，当 钻头推进器100相对于导向钻头104旋转以将臂形件102a-c定位在闭 合且回缩的位置中时，开口108a-c(分别穿过臂形件102a-c)分别部 分地偏离于开口106a-c；而开口110a-c(穿过导向钻头)分别完全偏 离于开口108a-c(穿过臂形件102a-c)。为了在臂形件回缩时也能够 提供穿过开口106a-c，108a-c和110a-c的连续空气流动，在臂形件 112的下面设置有通道112a-c。参考图15，导向钻头104还包括轴向 凹槽114a-c和横向通道116a-c。凹槽114a-c和通道116a-c提供通 路以用于从钻孔套管的外侧排放压缩空气并且还使压缩空气通过中央 排放管43排放。
本发明的上述描述是说明性的而不是限制性的。本领域的普通技 术人员应该能够理解，在不偏离本发明权利要求书所限定的范围内可 以在细节上进行多个变化。