CN110023586A - 用于钻孔系统的井筒扩建装置 - Google Patents

Abstract

提供一种用于钻孔系统的井筒扩建装置，所述井筒扩建装置包括靠近所述钻孔系统下端的中空柱。包括向下逐渐变细的第一刀头装置的铰刀区段可旋转地装配至所述中空柱，其中第一驱动装置设置成使所述第一刀头装置相对于所述中空柱旋转，从而向下钻出直径基本上对应于所述第一刀头装置的直径的孔。钻头装置装配至可操作下端，所述钻头装置终止于向下逐渐变细的第二刀头装置，以便在所述钻孔系统继续向下钻孔时，钻出直径小于所述第一刀头装置的所述直径的引导孔或导孔。提供推力区段，以允许所述钻头装置相对于所述铰刀区段前进，其中使用夹持装置，以将所述井筒扩建装置固定在所述钻孔内并控制所述钻头装置相对于所述铰刀区段的所述前进。

Description

用于钻孔系统的井筒扩建装置

技术领域

本发明涉及一种钻孔系统(或钻机或机器)，且具体地，在一种形式中，涉及一种盲井钻孔系统。广义来讲，钻孔系统包括地上支撑钻机装置和地下井筒扩建装置。钻孔系统可以用于通过在地面开始岩石钻孔并竖直向下钻取预定距离来钻出基本上竖直的孔或井筒，而不需要如盲孔钻孔系统经常需要的预沉井。

发明背景

常规的天井钻进开始于通常使用定向钻井系统竖直向下钻出导孔。使用钻井单元在地面钻井，包括装配在一起的多个钻杆的中空钻柱从所述地面向下延伸。用于钻出导孔的旋转钻头装配至钻柱的最下面钻杆，其中所述钻杆具有用于高扭矩应用的标准螺纹。在导孔已经突破至较低水平之后，移除旋转钻头，并用包括多个刀具的铰刀头替换所述旋转钻头。使铰刀头旋转并朝向在地面安装的钻井单元拉回铰刀头，以便通过地面和岩石切割更大的孔或天井钻进。岩屑通常以不受控制的方式借助重力落入孔底部的腔室中，在腔室中使用装载器清除岩屑。

另一方面，盲孔钻孔包括钻出超大导孔。可以在单个步骤中钻出超大导孔，或更典型地，通过首先钻出例如初始400mm导孔，然后将所述导孔扩大以限定3m的超大导孔来钻出超大导孔。此过程在本领域中是众所周知的。然后在钻出的超大导孔上方安装刀头，以便可以进行向下钻井。接着，从超大导孔中冲洗出岩屑。并不经常使用这种特殊技术，因为堵塞导孔且在孔底部产生泥浆涌入的风险会相对较高。

没有已知的钻孔系统能够钻出相对较大的孔(优选地具有6至9.5米的直径)，其中可以从钻孔系统上方清除岩屑而不必使用例如反向循环来冲洗岩屑。

本发明的一个目的是提供一种钻孔系统或钻机以通过有效且通用的方式实现上述目标，而不必如常规那样钻出初始导孔。

发明内容

根据本发明，提供一种用于钻孔系统的井筒扩建装置，所述井筒扩建装置包括：

靠近所述钻孔系统下端的中空柱；

铰刀区段，所述铰刀区段包括向下逐渐变细的第一刀头装置，所述铰刀区段可旋转地装配至所述中空柱，其中第一驱动装置设置成使所述第一刀头装置相对于所述中空柱旋转，从而向下钻出直径基本上对应于所述第一刀头装置的直径的孔；

钻头装置，所述钻头装置装配至可操作下端，所述钻头装置终止于向下逐渐变细的第二刀头装置，以便在所述钻孔系统继续向下钻孔时，钻出直径小于所述第一刀头装置的所述直径的引导孔或导孔；

推力区段，用于允许所述钻头装置相对于所述铰刀区段前进；以及

夹持装置，用于将所述井筒扩建装置固定在所述钻孔内，并控制所述钻头装置相对于所述铰刀区段的所述前进。

在一个实施方案中，所述第一刀头装置包括承载第一有翼装置的支撑体，所述支撑体可旋转地装配在所述柱周围，所述第一有翼装置包括装配至所述支撑体的多个翼，每个翼具有通常以45度成角度的或者横向延伸的支撑梁，在所述支撑梁上装配有或包括多个第一刀具元件。所述成角度的支撑梁被布置成限定基本上V形的切割轮廓。

在一个实施方案中，传动装置壳体安装在所述第一刀头装置上方并围绕所述柱，其中所述第一驱动装置装配在所述传动装置壳体顶上并且被布置成驱动所述传动装置壳体内的传动装置，所述传动装置又被布置成使所述支撑体和所述第一刀头装置围绕所述柱旋转。通常，所述第一驱动装置包括围绕所述传动装置壳体的周边布置的多个电动机。

在一个实施方案中，每个翼可移除地装配至或可装配至所述支撑体，使得可以互换不同尺寸的翼，以实现钻出不同直径的孔。

在一个实施方案中，在所述第一刀头装置下方，在所述中空柱中限定至少一个收集通道，可以将由所述旋转的第一刀头装置产生的岩屑收集到所述收集通道中。所述收集通道限定：用于接收所述岩屑的入口；所述岩屑可以通过其离开所述通道进入所述柱中的出口，其中在所述入口与所述出口之间设置向下成角度的通路，以便于岩屑在重力的影响下进入所述柱中，随后通过沿着所述柱上下移动的吊桶收集。

通常，所述井筒扩建装置包括一对径向相对的收集通道，其中当所述第一刀头装置相对于所述柱旋转时，所述有翼装置的最下部包括刮刀以将所述岩屑刮入所述收集通道中。

在一个实施方案中，所述夹持装置装配至所述中空柱，所述夹持装置包括位于所述第一刀头装置与所述推力区段之间的第一系列周向间隔开的夹持垫，以及位于所述推力区段与所述第二刀头装置之间的第二系列周向间隔开的夹持垫。所述夹持装置被布置成牢固地夹持由所述第二刀头装置钻出的所述引导孔，以便将所述钻孔系统固定在所述钻孔内的适当位置，控制所述钻头装置相对于所述铰刀区段的所述前进，并且便于和/或控制所述第一刀头装置的旋转。

在一个实施方案中，所述第一和第二系列夹持垫通过外部护罩侧向远离所述中空柱延伸，并且可分别通过第一和第二致动器装置在缩回的脱离位置与伸展的接合位置之间移动，其中所述垫夹在由所述第二刀头装置限定的所述引导孔上。

在一个实施方案中，在所述推力区段内，提供第三致动器装置以允许所述钻头装置相对于所述铰刀区段前进。

在一个实施方案中，所述第二刀头装置包括承载第二有翼装置的支撑体，所述支撑体可相对于支撑壳体旋转，所述支撑体从所述支撑壳体延伸。

所述第二有翼装置包括装配至所述支撑体的多个翼，每个翼具有通常以45度成角度的或横向延伸的翼臂，所述翼臂装配有或包括多个第二刀具元件。所述成角度的翼臂被布置成限定基本上V形的切割轮廓。

在一个实施方案中，第二驱动装置装配在所述支撑壳体顶上并且被布置成驱动所述支撑壳体内的传动装置，所述传动装置又被布置成使所述支撑体和所述第二刀头装置旋转。通常，所述第二驱动装置包括围绕所述支撑壳体的周边布置的多个电动机。

在一个实施方案中，护罩围绕所述支撑壳体和第二驱动装置，其中所述支撑壳体和/或第二驱动装置固定至所述中空柱的端部。

在一个实施方案中，提供第四致动器装置，以使所述翼相对于所述支撑体在伸展的可操作V形构造与收缩的基本上对齐(通常是平行)构造之间移动，在所述伸展的可操作V形构造时便于钻孔，在所述收缩的基本上对齐构造时使所述第二刀头装置能够与所述井筒扩建装置的其余部分分离，并通过所述中空柱被上拉至地面。因此，收缩的第二刀头装置的直径基本上对应于所述支撑壳体的直径，小于所述中空柱的直径，以便于这种移除。

在替代的优选实施方案中，所述钻头装置包括具有浆料泵的截头圆锥形浆料钻头，所述浆料钻头包括终止于端面的逐渐变细的侧壁，所述逐渐变细的侧壁和/或所述端面装配有所述第二刀头装置，以在所述钻孔系统向下行进时钻出所述引导孔。在此实施方案中，所述第二刀头装置可以装配有或包含多个第二刀具元件。

在一个实施方案中，所述钻头装置包括支撑壳体，其中所述浆料钻头可相对于所述支撑壳体旋转，其中第二驱动装置装配在所述支撑壳体顶上并且被布置成驱动所述支撑壳体内的传动装置，所述传动装置又被布置成使所述浆料钻头相对于所述支撑壳体旋转。

在一个实施方案中，所述浆料钻头的某一区段可以从所述浆料钻头分离和移除，所述可移除区段包括至少所述端面和所述浆料泵。

在一个实施方案中，所述第二刀具元件中的每一个包括工作面，多排按钮从所述工作面延伸。所述排按钮间隔开大约25mm，这确保了按钮与切割面之间的相互作用所产生的石屑大约为25mm。此外，所述刀具元件的所述工作面与所述切割面间隔开大约50mm。

在一个实施方案中，所述钻孔系统包括多个支撑平台，所述支撑平台可位于所述井筒扩建装置上方，在由所述第一刀头装置钻出的所述孔内，其中所述井筒扩建装置可与所述多个支撑平台分离。

所述钻孔系统还包括地上支撑钻机装置，所述地上支撑钻机装置包括顶置式支撑组件和井架装置，所述井架装置用于提升和降低所述井筒扩建装置和所述多个支撑平台。

在一个实施方案中，在所述多个支撑平台上方提供移动辅助平台，撑杆连接或可连接至所述移动辅助平台，其中所述移动辅助平台可以被提升、分离并临时容纳在所述井架装置之间，以使所述撑杆能够用于取出所述井筒内的部件或物品并将其吊至地面。

在一个实施方案中，为了能够形成远离所述井筒延伸的水平面，所述井筒扩建装置可以与所述钻孔系统的其余部分完全断开(或解耦)，其中提供盖子以覆盖所述井筒在断开的井筒扩建装置正上方的部分。接着，可以将多个支撑平台从断开的井筒扩建装置提升，以提供足够的空间来形成分离水平面。使用炸药或合适的设备，可以形成分离，并且一旦形成，可以移除盖子，并且可以将井筒扩建装置重新连接至钻孔系统的其余部分，以使井筒扩建装置能够继续操作。

在一个实施方案中，所述支撑平台中的一个包括起吊装置。

在一个形式中，所述起吊装置包括泵和弧形筛，其中所述弧形筛接收借助于靠近浆料刀头的浆料泵通过管道泵送上来的浆料水。将所述浆料水分离，其中更多的固体组分/淤泥通过可伸缩的斜槽排放至吊桶中。然后，使用三缸泵通过管道泵送分离的脏水，将在管道处从水中去除细粒。然后，可以将清洁的水泵送回系统。

在另一个形式中，所述起吊装置包括真空系统，用于将干燥淤泥和岩屑吸入真空罐中，然后所述真空罐通过可伸缩的斜槽将干燥材料排放至吊桶中，然后可以将所述吊桶吊至地面。这种装置在不能使用水的地面条件下，例如在盐矿特别有用。

在另一个形式中，所述起吊装置包括用于将水从地面泵送至系统中的高压水管、用于允许溢水流回水仓的低压溢水管、含有要吊至地面的颗粒的高压水管、含有颗粒的低压进水管，以及具有用于调节和控制通过水管的水流的阀门的多腔室装置。

在一个实施方案中，所述钻孔系统包括铺管装置，所述铺管装置包括用于升高和降低至少一个管的顶置式钻机，以及包括多个可旋转辊的引导装置，所述多个可旋转辊限定用于容纳管的外部圆形部分的弯曲凹槽，使得当管升高和降低时，一对相邻的辊容纳管以引导管在其间的移动。

附图说明

当根据以下说明书和附图考虑时，本发明的这些和其它特征将显而易见，在附图中：

图1示出利用根据本发明的井筒扩建装置的一个形式的钻孔系统的第一形式的侧视图；

图2示出根据本发明的一个实施方案的用于钻孔系统的井筒扩建装置的侧视图；

图3示出图2中所示的井筒扩建装置的横截面侧视图；

图4示出图2和图3中所示的井筒扩建装置的底部透视图；

图5示出在图2至图4中所示的装置中使用的第一刀头装置的详细横截面侧视图；

图6示出在图2至图4中所示的装置中使用的夹持装置的详细横截面侧视图；

图7示出在图2至图4中所示的装置中使用的呈浆料铰刀形式的第二刀头装置的透视图；

图8示出呈伸展的可操作构造的图7中所示的第二刀头装置的侧视图；

图9示出呈收缩构造的图7中所示的第二刀头装置的侧视图；

图10和图11示出根据本发明的另一实施方案的用于钻孔系统的井筒扩建装置的横截面视图和侧视图；

图12和图13示出在图10和图11中所示的井筒扩建装置中使用的浆料钻头装置的侧视图和横截面视图；

图14示出将图12和图13中所示的浆料钻头装置的浆料钻头组件从其余部分移除所遵循的一系列步骤；

图15示出在图12和图13中所示的浆料钻头装置中使用的刀具布局和间隔的详细视图；

图16示出使用图10和图11中所示的井筒扩建装置的钻孔系统来允许形成水平分离的能力，其中井筒扩建装置可以与钻孔系统的其余部分解耦；

图17和图18A至图18I示出移动辅助平台和撑杆相对于顶置式支撑组件的相对定位，以使得能够容易地从井筒移除物品；

图19至图21示出可以装配有支撑平台中的一个的各种起吊装置；以及

图22和图23示出可以用于钻孔系统的铺管装置。

具体实施方式

首先参考图1，示出了可以使用本发明的井筒扩建装置10的钻孔系统100。广义来讲，钻孔系统100包括地上支撑钻机装置102，所述地上支撑钻机装置包括顶置式支撑组件102。提供绞车，以在需要时在钻出的井筒或孔104内通过在绞车与井筒扩建装置10之间延伸的绳索或电缆106(如图2中最佳所示)上下移动井筒扩建装置10。还提供吊桶提升机108，以在需要时还通过在吊桶提升机108与吊桶32之间延伸的绳索或电缆110(如图3中最佳所示)上下移动吊桶32穿过装置10的中空柱12。地面上的其它组件包含维护提升机、十字头避雷器和吊桶倾斜装置，所述吊桶倾斜装置用于使吊桶32在地面上倾斜，以处理吊桶32内的岩屑。

在钻出的井筒或孔104内但在井筒扩建装置10上方，提供多个支撑平台112，所述支撑平台用于各种目的，例如操作员平台、钻井支撑和浆料操作平台、液压和电气支撑工作平台、以及用于使孔104排成一行的底部工作/模架平台。

现在转向图2至图4，示出了用于钻孔系统，例如图1中所示的系统的井筒扩建装置10，井筒扩建装置10包括靠近钻孔系统下端的中空柱12。柱12包括上部区段12A、中间区段12B和下部区段12C。柱12还包括伸缩部分12D，其可相对于中空柱12A、12B和12C的其余部分轴向移动，这将在下文进一步详细描述。

对应于铰刀区段的第一刀头装置14可旋转地装配至中空柱12，特别是装配至柱12的中间区段12B。提供电动机16形式的驱动装置，以使第一刀头装置14相对于(即，围绕)中空柱12旋转。这使得向下钻出的孔104的直径基本上对应于第一刀头装置14的直径。柱12通常包括双壁，以便限定通风和/或冷却管道。

第一刀头装置14包括承载有翼装置20的支撑体18，支撑体18可旋转地装配至柱12。有翼装置20包括装配至支撑体18的多个基本上三角形的翼22。每个翼22具有通常以45度成角度的或者横向延伸的支撑梁24，在所述支撑梁上装配有或包括沿着梁24的长度延伸的多个第一刀具元件26。成角度的支撑梁24被布置成在使用时限定基本上V形的切割轮廓。

在一个实施方案中，传动装置壳体28安装在第一刀头装置14上方，其中第一驱动装置装配在传动装置壳体28顶上并且被布置成驱动传动装置壳体28内的传动装置。所述传动装置又被布置成使支撑体18以及因此第一刀头装置14围绕所述柱12旋转。通常，第一驱动装置的电动机16围绕传动装置壳体28的周边布置。

在一个实施方案中，每个翼22可移除地装配至或可装配至所述支撑体，使得可以互换不同尺寸的翼22，以实现钻出不同直径的孔。

如图3中最佳所示，靠近中间区段12B与下部区段12C之间的接合处，在第一刀头装置14下方，在中空柱12中限定至少一个收集通道30，可以将由旋转的第一刀头装置14产生的岩屑收集到所述收集通道中，如箭头31所指示。收集通道30限定：用于接收岩屑的入口；岩屑可以通过其离开通道进入柱中的出口，其中在所述入口与所述出口之间设置向下成角度的通路，以便于岩屑在重力的影响下进入柱12，特别是进入下部区段12C。所述岩屑可以通过沿着柱12上下移动的吊桶32收集。

通常，井筒扩建装置10包含一对径向相对的收集通道30，如图3中最佳所示，其中当第一刀头装置14围绕柱12旋转时，有翼装置20的最下部包括刮刀(未示出)以将岩屑刮入收集通道30中。

在一个实施方案中，井筒扩建装置10包括装配至(即围绕)中空柱12的夹持装置34，现也将参考图6对其进行描述。具体地，夹持装置34包括在使用时位于收集通道30下方的第一系列周向间隔开的夹持垫36，以及在使用时位于所述第一系列夹持垫36下方且在钻头装置38(将在下文进一步详细描述)上方的第二系列周向间隔开的夹持垫37。夹持装置34被布置成牢固地夹持由引导钻头装置38的第二刀头装置39钻出的引导孔114，以便将钻孔系统100固定在钻孔104内的适当位置。

第一系列夹持垫36和第二系列夹持垫37远离中空柱12侧向延伸；具体地，第一系列夹持垫36远离柱12的中间区段12B延伸并穿过外部护罩43。类似地，第二系列夹持垫37远离柱12的下部伸缩区段12D延伸并穿过外部护罩45。夹持垫36、37可分别通过第一致动器装置40和第二致动器装置42在缩回的脱离位置与伸展的接合位置之间移动，其中垫36、37夹在由第二刀头装置39限定的引导孔114上，以便于和/或控制第一刀头装置14的旋转。

柱12的下部伸缩区段12D可通过呈多个液压推力缸形式的第三致动器装置44相对于柱12的其余部分轴向移动，以限定推力区段从而允许钻头装置相对于铰刀区段前进。这一相对轴向移动提供了推力和转向功能，并且通常包括四个液压推力缸，所述液压推力缸将柱12的下部区段12C和中间区段12B相互连接。推力和转向通常与夹持垫36、37的夹紧特征相关联地起作用，使得当夹持垫36、37处于其伸展的夹紧构造时，第三致动器装置44可以致动钻头装置38的向下钻孔动作。

钻头装置38装配至柱12的可操作下端，具体地，装配至伸缩部分12D的下端。在一个形式中，钻头装置38可移除地装配至柱12的可操作下端，使得如果/在需要时所述钻头装置可以与井筒扩建装置10的其余部分分开，如将在说明书中进一步详细描述。

当钻孔系统100进行向下钻孔时，钻头装置38终止于第二刀头装置39中以钻出引导孔114，现将参考图7至图9进行描述。第二刀头装置39通常装配有或包括多个第二刀具元件46。在一个实施方案中，第二刀头装置39包括承载第二有翼装置50的支撑体48，所述支撑体48可相对于支撑壳体52旋转，所述支撑体从所述支撑壳体延伸。

第二有翼装置50包括装配至支撑体48的多个翼54。每个翼54具有通常以45度成角度的或者横向延伸的翼臂56，在所述翼臂上装配有或包括多个第二刀具元件46。成角度的翼臂56被布置成限定基本上V形的切割轮廓。

在一个实施方案中，第二驱动装置58装配在支撑壳体52顶上并且被布置成驱动支撑壳体52内的传动装置，所述传动装置又被布置成使支撑体48和第二刀头装置39旋转。通常，第二驱动装置58包括围绕支撑壳体52的周边布置的多个电动机。

如在图2至图4中最佳所示，护罩60围绕支撑壳体52和第二驱动装置58，其中支撑壳体52和/或第二驱动装置58固定至中空柱12的端部。

转至图7至图9，提供第四致动器装置62，以使翼臂56相对于支撑体48在伸展的可操作V形构造与收缩的基本上对齐(通常是平行)构造之间枢转地移动，在所述伸展的可操作V形构造时便于钻孔，如图7和图8中所示，在所述收缩的基本上对齐构造时使第二刀头装置39能够与井筒扩建装置10的其余部分分离，并通过中空柱12上拉至地面，如图9中所示。因此，收缩的第二刀头装置39的直径基本上对应于支撑壳体52的直径，小于中空柱12的直径，以便于这种移除。

第四致动器装置62通常采用液压活塞的形式以作用在延伸于活塞与翼臂56的端部之间的杠杆构件上，以使翼臂56在所述两种构造之间枢转。

在替代实施方案中，钻头装置38包括浆料钻头，所述浆料钻头终止于可操作的平面以限定浆料护罩，所述平面装配有第二刀头装置，以在钻孔系统向下行进时钻出引导孔。在此实施方案中，第二刀头装置可以装配有或包括多个第二刀具元件，其中设置驱动装置以驱动浆料钻头的第二刀具元件。

井筒扩建装置10通常包括一对平台70、72，如图2中最佳所示，所述平台在第一刀头装置14上方装配至中空柱12，以支撑人员进行井筒支护和/或维护操作。

现在转向图10和图11，示出了根据第二形式的用于钻孔系统152(如图16中最佳示出的)的井筒扩建装置150。井筒扩建装置150包括靠近钻孔系统152的下端的中空柱154。铰刀区段156包括向下逐渐变细的第一刀头装置158，所述第一刀头装置可旋转地装配至中空柱154。虽然这些图中未示出，但提供第一驱动装置，以使第一刀头装置158相对于中空柱154旋转，从而向下钻出直径基本上对应于第一刀头装置158的直径的孔。

井筒扩建装置150还包括装配至井筒扩建装置150的可操作下端的钻头装置160。钻头装置160终止于向下逐渐变细的第二刀头装置162，以便在钻孔系统152继续向下钻孔时，钻出直径小于第一刀头装置158的直径的引导孔或导孔。

在第一刀头装置158与第二刀头装置162之间，设置有推力区段164，以允许钻头装置160相对于铰刀区段156前进，并且设置有夹持装置158.1、158.2，以将井筒扩建装置150固定在钻孔内并控制钻头装置160相对于铰刀区段156的前进。推力区段164和夹持装置158.1、158.2的操作大部分如上所述，因此不再重复。

如图12和图13中最佳所示，钻头装置160包括具有浆料泵172的截头圆锥形浆料钻头170，所述浆料钻头170包括终止于端部平面176的逐渐变细的侧壁174，所述逐渐变细的侧壁174和/或所述端部平面176装配有第二刀头装置162，以在钻孔系统152向下行进时钻出引导孔。在此实施方案中，第二刀头装置162可以装配有或包括多个第二刀具元件178。

钻头装置160包括支撑壳体，其中浆料钻头170通常使用本领域中已知的转环可相对于所述支撑壳体旋转。如上所述，虽然这里未示出，但是第二驱动装置装配在支撑壳体顶上并且被布置成驱动所述支撑壳体内的传动装置，所述传动装置又被布置成使浆料钻头170相对于支撑壳体旋转。通常，所述第二驱动装置包括围绕所述支撑壳体的周边布置的多个电动机。转环能够处理不同的介质类型和相关压力，例如液压油和浆料水。

如图11中最佳所示，护罩180围绕浆料钻头170的一部分，护罩180朝向夹持装置158.2向上延伸。

现在转向图14，浆料钻头170的某一区段170.1可以从浆料钻头170分离和移除，可移除区段170.1包括至少端部平面176和浆料泵172。浆料钻头170的可移除区段170.1产生许多优点。例如，当移除可移除区段170.1时，其允许接近切割面174、176，而不必将整个井筒扩建装置150向上移除到地面。这允许以极其通用且有效的方式执行对切割面174、176的维护。可移除区段170.1的重量由吊桶提升机的提升能力(如上所述和下文进一步描述)确定，所述吊桶提升机现在也可用于提升可移除区段170.1。当可移除区段170.1被吊至地面时，可以执行维护和修理，包括刀具178更换和浆料泵172修理等。浆料钻头170的可移除区段170.1具有前装载刀具，而浆料钻头170的其余部分具有后装载刀具。例如，此装置允许在地面上更换可移除区段170.1的刀具，而不需要移除浆料泵172。

现在转向图15，第二刀具元件178中的每一个包括工作面182，多排按钮184从所述工作面延伸，第二刀具元件178可旋转地容纳在腔186内。所述排按钮184间隔开大约25mm，这确保了按钮与切割面188之间的相互作用所产生的石屑具有大约25mm的大小。此外，刀具元件178的工作面182与切割面188间隔开大约50mm。这对于适应保持石屑悬浮并且通过浆料泵172远离切割面188向上抽吸石屑至分离设备所需的水流量要求是很重要的，因为工作面182距离切割面188越远，所需的水流量就越高。当间距为50mm时，防止大于50mm的颗粒被吸入浆料泵172中，否则可能阻塞浆料泵172的吸嘴(其通常限于容纳50mm的颗粒)。因此，此装置有助于调节进入浆料泵172的颗粒大小。此外，当在用水可能存在问题的地面条件下，例如在盐矿和钾盐矿钻井时，如果必须或需要，这种特殊的间隔装置将使得能够使用真空系统来代替浆料泵系统，如下文参考图20进一步描述。

另外，如图13所示，浆料头172的吸嘴190位于浆料刀头上的特定半径上，以确保从切割面下方清除所有石屑。吸嘴190的直径大约为150mm，以适应足够高的水流速，从而确保夹带石屑。

现在转向图16，钻孔系统152包括多个支撑平台200，所述支撑平台可位于井筒扩建装置150上方，在由第一刀头装置158钻出的孔202内。在一个实施方案中，井筒扩建装置150可以与多个支撑平台200分离或解耦。

钻孔系统还包括地上支撑钻机装置204，所述地上支撑钻机装置包括顶置式支撑组件206和井架装置208，所述井架装置用于提升和降低井筒扩建装置150和多个支撑平台200。井架装置208通常至少包括：

绞车，用于在需要时在井筒202内通过在绞车与井筒扩建装置150之间延伸的绳索或电缆上下移动井筒扩建装置；

吊桶提升机，用于在需要时通过在吊桶提升机与吊桶210之间延伸的绳索或电缆来上下移动吊桶210穿过中空柱154并穿过级200所装配到的中空柱212；以及

平台提升机，用于在需要时上下移动多个支撑平台200。

在一个实施方案中，移动辅助平台214设置在多个支撑平台200上方，撑杆216(具有端钩218)连接或可连接至所述支撑平台。移动辅助平台214可被提升、分离并临时容纳在井架装置208之间，以使撑杆216能够用于取出井筒202内的部件或物品并将其吊至地面220。

具体地，顶置式支撑组件206包括下部支撑框架222，所述下部支撑框架限定区域224以在移动辅助平台214被提升之后容纳所述移动辅助平台。在使用中，当需要从井筒202移除例如支撑平台200和/或井筒扩建装置150的级226的设备时，可以在井架装置208内/之间向上拉动移动辅助平台214，如轮廓228所指示。一旦处于此位置，移动辅助平台214就被移开，且因此不需要从井架装置208中移除。提升撑杆216现在可以用于取出在井筒202中向下的相关部件或设备物品，并将其吊至地面220，在地面可以移除相关部件或设备物品。

在使用中，参考图18，可以提供承载平台230，其中井筒的顶部通常由盖子232覆盖(如图18A中所示)。如上所述，移动辅助平台214被提升并且移开。在移除盖子232之后，然后可以结合撑杆216使用井架装置208提升支撑平台200的级226，如图18B中所示。然后可以更换盖子232，以允许平台230在开口上方移动，如图18C中所示。然后，上级226可以从撑杆216解耦，加载到平台230上，然后移开(图18D和图18E)。然后可以降低撑杆216并将其连接至下一个或多个级226(图18F)。然后简单地重复所述过程以使剩余的级226被提升并移开。

返回参考图16，为了能够形成远离井筒202延伸的水平面240，可以将井筒扩建装置150与钻孔系统152的其余部分完全断开(或解耦)。提供盖子242以覆盖井筒202位于断开的井筒扩建装置150正上方的部分。接着，可以将多个支撑平台200从断开的井筒扩建装置150提升，以提供足够的空间来形成分离水平面240。使用炸药或合适的设备244，可以形成分离240，并且一旦形成，可以移除盖子242，并且可以将井筒扩建装置150重新连接至钻孔系统152的其余部分，以使井筒扩建装置150能够继续操作。

现在转向图19至图21，支撑平台200的级226中的一个分别包括起吊装置250、270和290。

在一个形式中，如图19中所示，起吊装置250包括“湿式”起吊装置250。起吊装置250包括三缸泵252和弧形筛254，其中弧形筛254接收借助于靠近浆料刀头的浆料泵172通过管道256泵送上来的浆料水。将所述浆料水分离，其中更多的固体组分/淤泥通过可伸缩的斜槽258排放至吊桶210中，然后可以用吊桶提升机将所述吊桶吊至地面。然后，使用三缸泵252通过管道260泵送分离的脏水，将在管道处从水中去除细粒。然后，可以将清洁的水泵送回系统中。

在另一形式中，如图20中所示，起吊装置270是“干式”起吊装置。起吊装置270包括真空系统，用于将干燥淤泥和岩屑吸入真空罐272中，然后真空罐272通过可伸缩的斜槽274将干燥材料排放至吊桶210中，然后可以将所述吊桶吊至地面。这种装置在不能使用水的地面条件下，例如在盐矿特别有用。

在另一形式中，如图21中所示，起吊装置290是“液压式”起吊装置。起吊装置290包括用于将水从地面泵送到系统290中的高压水管292、用于允许溢水流回水仓的低压溢水管294、含有要吊至地面的颗粒的高压水管296、含有颗粒的低压进水管298，以及具有用于调节和控制通过水管的水流的阀门302的多腔室装置300。在使用中，当第一腔室304等待被吊起时，第二腔室306正被吊起；当第二腔室306正通过高压输送系统吊起时，第三腔室308正装载颗粒。溢水将通过水管294流回水仓中。所有阀门302以严格控制的定时顺序致动，以确保通过系统的平稳流量。含有颗粒的高压水将通过管296吊至地面。此系统不需要吊桶，因为钻孔时产生的所有颗粒将用此液压起吊系统290吊起。如图所示，此系统290将全部固定至级226中的一个，使得当井筒扩建装置150前进时，液压起吊系统290也前进，从而允许连续前进。

现在转向图22和图23，钻孔系统152包括铺管装置310，管312通常包括引入管，例如水管和通风管。铺管装置310包括顶置式钻机314，所述顶置式钻机可以安装在顶置式支撑组件206顶上，以升高和降低至少一个管312(但通常是多个管312，如图23中所示。提供引导装置316，其包括多个可旋转辊318，所述辊限定用于容纳管312的外部圆形部分的弯曲凹槽320。因此，当管312升高和降低时，一对相邻的辊318容纳管312以引导管在其间的移动。

Claims (17)

1.提供一种用于钻孔系统的井筒扩建装置，所述井筒扩建装置包括：

靠近所述钻孔系统下端的中空柱；

铰刀区段，所述铰刀区段包括向下逐渐变细的第一刀头装置，所述铰刀区段可旋转地装配至所述中空柱，其中第一驱动装置设置成使所述第一刀头装置相对于所述中空柱旋转，从而向下钻出直径基本上对应于所述第一刀头装置的直径的孔；

钻头装置，所述钻头装置装配至可操作下端，所述钻头装置终止于向下逐渐变细的第二刀头装置，以便在所述钻孔系统继续向下钻孔时，钻出直径小于所述第一刀头装置的所述直径的引导孔或导孔；

推力区段，用于允许所述钻头装置相对于所述铰刀区段前进；以及

夹持装置，用于将所述井筒扩建装置固定在所述钻孔内，并控制所述钻头装置相对于所述铰刀区段的所述前进。

2.如权利要求1所述的井筒扩建装置，其中所述第一刀头装置包括承载第一有翼装置的支撑体，所述支撑体可旋转地装配在所述柱周围，所述第一有翼装置包括装配至所述支撑体的多个翼，每个翼具有成角度的或者横向延伸的支撑梁，在所述支撑梁上装配有或包括多个第一刀具元件。

3.如权利要求1或权利要求2所述的井筒扩建装置，其中在所述第一刀头装置下方，在所述中空柱中限定至少一个收集通道，可以将由所述旋转的第一刀头装置产生的岩屑收集到所述收集通道中，所述收集通道限定：用于接收所述岩屑的入口；所述岩屑可以通过其离开所述通道进入所述柱中的出口，其中在所述入口与所述出口之间设置向下成角度的通路，以便于所述岩屑在重力的影响下进入所述柱中，随后通过沿着所述柱上下移动的吊桶收集。

4.如前述权利要求中任一项所述的井筒扩建装置，其中所述夹持装置装配至所述中空柱，所述夹持装置包括位于所述第一刀头装置与所述推力区段之间的第一系列周向间隔开的夹持垫，以及位于所述推力区段与所述第二刀头装置之间的第二系列周向间隔开的夹持垫。

5.如前述权利要求中任一项所述的井筒扩建装置，其中所述第二刀头装置包括承载第二有翼装置的支撑体，所述支撑体可相对于支撑壳体旋转，所述支撑体从所述支撑壳体延伸。

6.如权利要求5所述的井筒扩建装置，其中所述第二有翼装置包括装配至所述支撑体的多个翼，每个翼具有成角度的或横向延伸的翼臂，所述翼臂装配有或包括多个第二刀具元件，其中提供第二驱动装置以旋转地驱动所述支撑体和第二刀头装置。

7.如权利要求6所述的井筒扩建装置，其中提供第四致动器装置，以使所述翼相对于所述支撑体在伸展的可操作V形构造与收缩的基本上对齐构造之间移动，在所述伸展的可操作V形构造时便于钻孔，在所述收缩的基本上对齐构造时使所述第二刀头装置能够与所述井筒扩建装置的其余部分分离，并通过所述中空柱上拉至地面。

8.如权利要求1至4中任一项所述的井筒扩建装置，其中所述钻头装置包括具有浆料泵的截头圆锥形浆料钻头，所述浆料钻头包括终止于端面的逐渐变细的侧壁，所述逐渐变细的侧壁和/或所述端面装配有所述第二刀头装置，以在所述钻孔系统向下行进时钻出所述引导孔。

9.如权利要求8所述的井筒扩建装置，其中所述浆料钻头的某一区段可以从所述浆料钻头分离和移除，所述可移除区段包括至少所述端面和所述浆料泵。

10.如权利要求8所述的井筒扩建装置，其中所述第二刀头装置装配有或包括多个第二刀具元件，其中所述第二刀具元件中的每一个包括工作面，多排按钮从所述工作面延伸，所述排按钮被布置成将所述岩屑的大小限制为小于预定大小。

11.如前述权利要求中任一项所述的井筒扩建装置，其中所述钻孔系统包括多个支撑平台，所述支撑平台可位于所述井筒扩建装置上方，在由所述第一刀头装置钻出的所述孔内，其中所述井筒扩建装置可与所述钻孔系统的其余部分分离。

12.如权利要求11所述的井筒扩建装置，其中所述钻孔系统还包括地上支撑钻机装置，所述地上支撑钻机装置包括顶置式支撑组件和井架装置，所述井架装置用于提升和降低所述井筒扩建装置和所述多个支撑平台。

13.如权利要求12所述的井筒扩建装置，其中在所述多个支撑平台上方提供移动辅助平台，撑杆连接或可连接至所述移动辅助平台，其中所述移动辅助平台可以被提升、分离并临时容纳在所述井架装置之间，以使所述撑杆能够用于取出所述井筒内的部件或物品并将其吊至地面。

14.如权利要求11至13中任一项所述的井筒扩建装置，其中所述支撑平台中的一个包括起吊装置，所述起吊装置包括泵和弧形筛，其中所述弧形筛接收借助于靠近浆料刀头的浆料泵通过管道泵送上来的浆料水，然后将所述浆料水分离，其中更多的固体组分/淤泥通过可伸缩的斜槽排放至吊桶中。

15.如权利要求11至13中任一项所述的井筒扩建装置，其中所述支撑平台中的一个包括起吊装置，所述起吊装置包括真空系统，用于将干燥淤泥和岩屑吸入真空罐中，然后所述真空罐通过可伸缩的斜槽将所述干燥材料排放至吊桶中，然后可以将所述吊桶向上吊至地面。

16.如权利要求11至13中任一项所述的井筒扩建装置，其中所述支撑平台中的一个包括起吊装置，所述起吊装置包括：

高压水管，用于将水从地面泵送至所述系统中；

低压溢水管，用于允许溢水流回水仓；

高压水管，所述高压水管含有要吊至地面的颗粒；

低压进水管，所述低压进水管具有颗粒；以及

多腔室装置，所述多腔室装置具有用于调节和控制通过所述水管的水流的阀门。

17.如前述权利要求中任一项所述的井筒扩建装置，其中所述钻孔系统包括铺管装置，所述铺管装置包括用于升高和降低至少一个管的顶置式钻机，以及包括多个可旋转辊的引导装置，所述多个可旋转辊限定用于容纳管的外部圆形部分的弯曲凹槽，使得当所述管升高和降低时，一对相邻的辊容纳所述管以引导所述管在其间的移动。