CN112020594A - 井眼横截面操纵 - Google Patents

Abstract

在陆地上形成井眼的钻头可以通过井眼的横截面形状被横向地推动，从而在井眼中产生弯曲。例如，具有包括两个不同半径的圆弧的横截面形状的井眼，一个大于钻头的量规且一个小于钻头的量规，可以将钻头推离较小的圆弧而进入较大的圆弧。可以通过针对仅钻头的整个旋转的一部分从钻头的侧面伸出切削元件来实现形成具有这样的圆弧的井眼。由这些圆弧所占据的半径和角度范围可以通过改变可伸出切削元件的伸出和缩回的时间来调节。

Description

井眼横截面操纵

背景技术

本申请涉及2018年3月26日提交的美国专利申请号15/935,316；2018年4月3日提交的15/944,605；2018年12月11日提交的16/217,019；2018年12月11日提交的16/216,966；2018年12月11日提交的16/216,999；2019年2月19日提交的16/279,168；以及在2019年2月25日提交的16/284,275，其全部内容通过引用合并于此。

在勘测或开采地下资源(例如石油、天然气或地热能)时，以及类似的尝试中，通常会在地上形成井眼。这样的井眼可以通过使地与能够破碎坚硬地下材料的旋转钻头接合而形成。随着旋转的继续，井眼可能会伸长，并且钻头可能会在钻柱的端部被送入井眼。

有时可能需要改变钻头从其形成井眼时可能自然通过陆地的路径的行进方向。这可能是为了使其操纵有价值的资源或远离障碍物，或者仅仅是防止钻头偏离路线。已经开发出多种技术来完成这种操纵。许多已知的钻头操纵技术需要推压井眼的内表面。一种这样的技术包括用可径向伸出的垫推离井眼的内壁。这种推动可将钻头横向地推入与垫相反的内壁。垫的伸出可以与钻头的旋转协调地定时以实现一致的操纵。该推动通常需要将大量能量消耗到井下。此外，所需的能量的量可以随着井眼的期望曲率半径的减小而增加。因此，用于形成弯曲的井眼(特别是包括相对较小的曲率半径的弯曲的井眼)、同时在井下消耗较少的能量并延长工具的使用寿命的装置可能是有价值的。

垫的伸出可以经由柱塞内的液压来实现。典型的柱塞可以在中空缸体内滑动以改变其中的容纳体积。这种柱塞-缸体组合可以形成一种能够在流体压力和机械运动之间转换能量的换能器。例如，在发动机中，为封闭在缸体内的膨胀气体形式的能量可以被传递到柱塞，从而使其滑动。在泵中，此功能可能会因来自柱塞的压力而逆转，从而压缩缸体内的流体。

在某些情况下，可能希望定义一最大距离，称为“行程长度”，柱塞可以在缸体内移动。这可以通过多种方式来完成。例如，Hall等人的美国专利号9,085,941描述了可以插入柱塞的通道中的销。当柱塞平移时，通道可与销接触，以阻止柱塞的进一步平移运动。销可以构造成允许柱塞平移指定的距离。

其他装置不仅可以限定柱塞的行程长度，而且可以调节该行程长度。Lucas等人的美国专利号7,409,901描述了如何通过各种机械手段，例如，通过调节旋转以驱动柱塞的偏心凸角的偏移度(throw)，或通过调节旋转件、凸轮或连杆机构，手动地调节柱塞行程长度。尽管这样的手段可以实现其预期的功能，但是通过更简单的过程来调节柱塞的行程长度可能是有价值的。

在图1中，示出了钻头110的实施例，其通过钻柱114悬挂在井架112上。虽然示出了陆基井架，但是水基结构也是常见的。这样的钻柱可以由首尾相连紧固在一起的多个钻杆部分形成，或者在其他实施例中，可以使用挠性管。当钻头110从井架112或由井下马达旋转时，它可能接合并破碎地下地层116，从而形成井眼118。钻井流体可以沿着钻柱114穿过并在钻头110处排出，以冷却和润滑钻头110，并通过围绕钻柱114的环形空间将松散的碎屑运送到井眼118的地面。

有时可能需要在进行钻井时在井眼内进行测量或执行各种功能。据信，某些测量和功能在尽可能靠近钻柱端部或在钻头本身上进行或执行时最有效。但是，由于钻井过程中遇到的苛刻条件，这种钻头在钻井过程中经常遭受明显的磨损和损坏。磨损或损坏的钻头通常需要更换，这可能既昂贵又耗时。仪表化钻头以进行测量或执行功能可能会大大增加更换费用和复杂性。

仪表化这种钻头的更复杂的方面之一是提供一种用于在钻头和钻柱之间的连接之间来回通信的机构。这样的连接通常是在经常肮脏且忙碌的钻井操作中，通过将钻头拧到钻柱上来进行的。考虑到这种情况的混乱，可能难以确定钻头相对于钻柱的旋转或轴向最终位置。跨越这种连接的任何通信机构都必须稳健且可操作，而与取向无关。

增加钻头仪表的复杂性的另一个特征是通常形成连接两侧的外螺纹突起和内螺纹腔。特别地，将通信传递到腔中可能是困难的，因为通路可能受到空间约束的限制。因此，一种能够在不依赖于特定旋转取向的情况下跨钻柱到钻头的连接传递通信同时提供螺纹腔内部的通路的机构可证明对仪表化钻头时是有用的。

发明内容

一种用于在钻头形成穿过陆地的井眼时控制钻头的行进方向的技术可以是赋予井眼一横截面形状以横向推动钻头。当井眼进行推动而不是钻井工具时，可以通过这种方式节省大量能量。能够横向推动钻头的井眼可以具有包括两个圆弧的横截面形状，其中一个圆弧的半径大于穿过该井眼的钻井工具的半径，而另一个半径小于穿过该井眼的钻井工具的半径。可以将钻井工具推离较小的圆弧，并推入由较大的圆弧提供的开放空间中。该横向推动可以向井眼添加弯曲，因为其形成为具有比较小的圆弧更靠近较大的圆弧的曲率中心。

这两个圆弧虽然以井眼的公共轴线为中心，但每个都可以围绕该轴线占据不同的角度范围。形成井眼时给予井眼的曲线的锐度可能取决于两个圆弧的相对半径和角度大小。因此，通过改变两个圆弧在沿着井眼的长度的不同位置处的这些相对半径和角度大小以及旋转取向，可以精确地操纵钻头。

产生这两个圆弧可以通过首先旋转钻井工具以在陆地上钻一孔，然后仅在其旋转的一部分期间从钻井工具的侧面伸出一切削元件来实现。当伸出时，该切削元件可以从井眼的内表面移除附加的土料，以形成第一圆弧。当缩回时，可以形成第二圆弧。通过改变伸出和缩回的时间，可以实现在形成井眼时调节这两个圆弧的相对半径、角度大小和旋转取向，以操纵钻井工具。

可操纵的井下工具可以通过从设置在工具侧面的开口伸出一根杆来改变钻头在钻入陆地时的行进方向。杆可在腔内滑动，横跨工具的宽度，从开口中的一个通到另一个并在各个时间从各个开口伸出。

通过使表面与露出在杆的相对尖端上的切削器元件接合，杆可以使钻头在其中行进的井眼的内表面上的材料破碎。从工具的侧面突出的稳定器然后可以从与破碎区域相反的井眼壁推离，以将钻头驱动到破碎区域中。

例如，当工具在井眼内旋转时，杆可以从第一开口中伸出。在杆伸出的情况下，工具可绕其轴线旋转以使井眼的一部分破碎。在一定量的旋转之后，在一些实施例中，大约为整个旋转的一半，杆可以缩回到工具内的中间位置。工具可以继续旋转，直到第二开口与杆最初伸出的区域相邻。在这一点上，杆可以从第二开口伸出，并且工具可以旋转大约另一半旋转，以继续破碎相同区域。

在另一个实施例中，可以旋转钻头以形成穿过陆地的井眼。这样的钻头可以包括固定的切削元件，该切削元件能够从主体的外部突出来破碎地下材料。这些固定的切削元件可以与主体的旋转轴线以恒定的半径间隔开，以形成初始为圆筒形的井眼。

主体还可以包括从其外部突出的至少一个可旋转的切削元件。为了从井眼的内壁移除土料，可旋转的切削元件可被定位在第一旋转取向上，其中它可径向伸出超过固定切削元件的恒定半径。为了停止从井眼壁上移除材料，可旋转的切削元件可被定位在第二旋转取向上，其中它可径向保持在恒定半径内。

可旋转的切削元件的旋转可以与钻头的旋转同步，以在井眼的某些角部分中提供一致的移除。通过改变在这些角部分中的材料移除，可以形成各种井眼横截面形状。具体地，可以在某些角位置向井眼提供较小的内部半径，其可以将钻头横向地推入包括较大内部半径的其他角度位置，以操纵钻头。

在另一个实施例中，设备可以包括轴向主体，例如钻头或稳定器的轴向主体。当主体在井眼内旋转时，一个或多个可伸出的切削元件可以从主体的外部沿单个径向方向伸出。切削元件的伸出可以允许它们接合并破碎井眼的内壁。通过定时这些伸出，可以创建各种横截面形状。

从主体的外部突出的耐磨量规垫可能会跨骑到井眼壁，而不会迅速磨损量规垫或严重损坏井眼。跨骑在设置有上述横截面形状的井眼壁上可以径向推动主体。

柱塞的行程长度可以由穿过柱塞上的通孔、限制柱塞运动的杆来限定，并通过调节该杆来改变。在一些实施例中，该杆可以包括可以与柱塞的通孔的内部相互作用的非圆柱形的外部几何形状。该非圆柱形外部几何形状的半径可以沿着杆的轴向长度或围绕杆的圆周变化。杆的调节，例如经由轴向平移或旋转，可以改变杆的外部几何形状和通孔内部之间的接触点，并调节可能的行程长度。可替代地，通孔可以包括独特的几何形状，其中杆可以径向平移以调节柱塞的行程长度。

钻头组件可包括与钻头分开的底盘，该底盘容纳在钻头的腔内。可以将钻柱固定至钻头，并将底盘保持在腔内。底盘可包括两对接口交换表面，第一对设置在底盘和钻柱之间，第二对设置在底盘和钻头之间。第一对接口交换表面中的两个都是环形形状的，并且与旋转取向无关地固定在一起。第二对接口交换表面以特定的旋转取向固定在一起。这些成对的接口交换表面可以允许交换各种类型的信号，例如电、液压、光学或电磁信号，并使其通过底盘或传递到设置在底盘上的电子设备。这些电子设备可以设置在底盘的外部上并且包含在形成于底盘的外部与钻头的内部之间的至少一个压力室内。在这样的构造中，当一个钻头磨损或损坏时，可将仪表从一个钻头上移除并插入另一个钻头中，从而重新使用。

井下钻井组件可以包括固定在钻柱和钻头之间的短节。该短节可以包括在其中形成的腔，并且底盘可以容纳在该腔内。钻头还可包括在其中形成的腔，并且伸出器可容纳在该腔内。该伸出器可以在该腔的基部接触钻头并且伸出到腔的口部的两英寸内。该伸出器可以提供用于各种类型的通信的入口，以到达钻头的腔中。

几对接口交换表面可以允许这些各种元件之间的通信(例如，通过电、液压、光或电磁信号)。在钻柱和底盘之间的一对接口交换表面可允许进行通信，而与相对旋转取向无关。另外两对接口交换表面，一对在底盘与伸出器之间，另一对在伸出器与钻头之间，可能需要特定的旋转取向以进行通信。

不管旋转取向如何，第一对接口交换表面可允许通信。同时，伸出器可以允许进入钻头的腔内。该组合可以允许测量在钻头上进行测量或在钻头上执行。

附图说明

图1是地下钻井操作的实施例的正交图；

图2是附接到钻柱的端部的钻头的实施例的透视图；

图3-1至图3-4是设置在非圆形地下井眼内的钻井工具的实施例的截面图；

图4-1至图4-4是设置在非圆形地下井眼内的钻井工具的其他实施例的截面图；

图5是非圆形地下井眼的实施例的正交图；

图6和7分别是可操纵的井下钻头的实施例的透视图和经度截面图；

图8是包括可互换的稳定器的可操纵的井下钻杆部分的实施例的经度截面图；

图9是包括锁定机构的可操纵的井下工具的实施例的截面图；

图9-1和9-2是各种几何形状的可滑动杆的实施例的正交图；

图10-1至10-4是井眼中的钻头的实施例的正交图，每个代表用于操纵井下工具的方法的一个步骤；

图11是可滑动地设置在中空缸体内的柱塞和穿过柱塞中的通孔以限制其行程的杆的实施例的截面图；

图12-1和12-2是柱塞的实施例的截面图，该柱塞包括穿过其中的可调节杆，该可调节杆能够改变每个柱塞的行程限制；

图12-3是图12-1和12-2中所示类型的杆的实施例的透视图；

图13-1和13-2是包括穿过其中的可调节杆的柱塞的附加实施例的截面图；

图13-3是图13-1和13-2所示类型的杆的实施例的透视图；

图14是柱塞和杆组合的另一实施例的正交图；

图15是可形成地下钻井操作的一部分的钻头的实施例的透视图；

图16-1和16-2是以不同的旋转取向、以放大图示出的包括可旋转的切削元件的钻头的实施例的正交图；

图17-1和17-2是处于不同旋转取向的可旋转的切削元件的实施例的正交图；

图18-1和18-2是包括可旋转的切削元件的钻头的实施例的透视图，该可旋转的切削元件可通过包括齿条和小齿轮构造的扭矩生成设备旋转；

图19-1和19-2是可旋转的切削元件的实施例的透视图，该可旋转的切削元件可通过包括蜗轮(蜗杆齿轮)构造的扭矩生成设备旋转；

图20-1和20-2是可通过扭矩生成设备旋转、能够接触外部地层并由制动设备限制的可旋转的切削元件的实施例的透视图；

图21是多个可旋转的切削元件的实施例的正交图，该多个可旋转的切削元件都可通过单个扭矩生成设备旋转；

图22是可形成地下钻井操作的一部分的钻头的实施例的透视图；

图23是钻头的另一实施例的经度截面图；

图24-1是包括超硬材料板的柱塞的实施例的透视图；

图24-2是包括多个切削元件的柱塞的一个实施例的透视图；

图25-1和25-3是包括可经由铰接臂的旋转而伸出的切削元件的钻头的实施例的透视图；

图25-2是铰接臂的实施例的透视图；

图26-1和26-3是包括可经由圆筒形滚筒的旋转而伸出的切削元件的钻头的实施例的透视图；

图26-2是圆筒形滚筒的实施例的透视图；

图27是钻头的实施例的经度截面图，该钻头包括与可伸出切削元件相反定位的可伸出推垫；

图28-1至28-3是量规垫的实施例的透视图；

图28-4和图28-5是耐磨装置的实施例的透视图；

图29是钻头的另一实施例的透视图；

图30是稳定器的实施例的透视图；

图31是钻头组件的实施例的透视图；

图32是拆卸的钻头组件的实施例的透视图；

图32-1是可互换板的实施例的透视图；

图33是钻头组件的一实施例的经度截面图；

图34-1和34-2是底盘的实施例的透视图；

图35是可形成地下钻井操作的一部分的井下钻井组件的实施例的经度截面图；

图36-1和36-2是井下钻井组件的其他实施例的透视图；

图37是一对旋转独立的接口交换表面的实施例的透视图；

图38是一对旋转特定的接口交换表面的实施例的透视图。

具体实施方式

现在参考附图，图2示出了固定到钻柱214的端部的钻头210的实施例，该钻柱可以形成上述类型的地下钻井操作的一部分。多个刀片220可从钻头210突出，围绕其旋转轴线间隔开。每个刀片220可包括固定到其上的能够破碎土料的多个固定切削器221。当钻头210旋转时，这些切削器221可能会穿过陆地形成一个长的中空井眼。这样的井眼可包括由固定切削器221和钻头210的旋转轴线之间的间隔确定的初始半径。

至少一个也能够使陆地破碎的切削元件222可以从钻头210的侧面(或在替代实施例中的另一井下工具)伸出。该可伸出切削元件222可将土料从最初由固定切削器221形成的井眼的内壁刮除。当伸出时，可伸出切削元件222可在某些区域可能会从其初始尺寸扩大井眼的半径。

图3-1示出了钻头310-1的实施例，该钻头设置在形成于陆地316-1中的细长中空井眼318-1中。井眼318-1可以包括穿过其中的中心轴线335-1和在垂直于轴线335-1的平面内形成的横截面形状。可以在钻头310-1上设置多个能够使泥土316-1破碎的固定切削器321-1。这些固定切削器321-1可以围绕轴线335-1间隔开，以在旋转钻头310-1时形成具有恒定半径的初始圆柱形井眼。可伸出的切削元件322-1可从钻头310-1的侧面伸出，以通过从井眼318-1的内壁移除附加的土料来伸出该初始井眼半径。该可伸出的切削元件322-1可以在缩回之前仅伸出钻头310-1的整个旋转的一小部分，使得该较大的井眼半径仅存在于井眼318-1的角度范围内。通过这种技术，井眼318-1可获得横截面形状，其包括两个不同的圆弧，每个圆弧具有唯一大小的半径。特别地，以轴线335-1为中心的第一圆弧330-1可包括第一半径331-1，而以同一轴线335-1为中心的第二圆弧332-1可包括第二半径333-1，其小于第一半径331-1。

图3-2示出了设置在非圆形井眼318-2内的钻井工具310-2的实施例，其类似于图3-1所示。钻井工具310-2可以包括一横截面，其具有小于图3-1中所示的第一半径331-1的半径334-2，其由可伸出切削元件322-1的伸出而形成。该钻井工具310-2的横截面半径334-2也可以大于图3-1的第二半径333-1，其由钻头310-1的固定切削器321-1形成。实际上，在没有由可伸出切削元件322-1造成的扩大的情况下，钻井工具310-2可能无法穿过仅由固定切削器321-1形成的井眼。该尺寸失配可能会(在钻井工具310-2施加很少的能量的情况下)随着较小的第二半径333-1将钻井工具310-2推动到由较大的第一半径331-1建立的空间中时恒定地横向地(如由箭头340-2所示的)推动钻井工具310-2。

同样由于该尺寸差异，钻井工具310-2可能通常在所示横截面的两个点336-2和337-2处接触井眼318-2的内壁。这两个点336-2、337-2可以位于较小的第二半径333-1上。通常将接触限制在两点可减少钻井工具310-2和井眼318-2之间的摩擦。

图3-3示出了设置在非圆形井眼318-3内的钻井工具310-3的实施例。在该实施例中，形成井眼318-3的横截面形状的一部分的由第一圆弧330-3占据的第一角度范围338-3大于由第二圆弧332-3占据的第二角度范围339-3。这些第一和第二角度范围338-3，339-3的相对尺寸可以通过改变可伸出切削元件的伸出和缩回的时间来确定和调节，如关于图3-1所述的。

图3-4示出了设置在非圆形井眼318-4内的钻井工具310-4的另一实施例。在该实施例中，由第一和第二圆弧330-4、332-4占据的第一和第二角度范围338-4、339-4在相对尺寸上甚至比先前实施例中所示的更渐扩。当第二角度范围339-4相对于第一角度范围338-4减小时，井眼318-4对钻井工具310-4的横向推动力(如箭头340-4所示的)可能也会减小。因此，当钻头形成穿过陆地的井眼时，其操纵速度可以通过改变可伸出切削元件的伸出和缩回的时间来控制。

图4-1和图4-2示出了沿其长度在不同位置的单个地下井眼418-1的实施例，如图4-1所示，在沿井眼418-1的长度的第一位置处，井眼418-1的横截面可以包括位于第一旋转取向的第一圆弧430-1。在该取向上，可将设置在井眼418-1内的钻井工具410-1推向第一圆弧430-1(如箭头435-1所示)。在沿井眼418-1长度的第二位置，如图4-2所示，第一圆弧430-2的旋转取向可以相对于图4-1中所示的第一圆弧430-1旋转(如箭头450-2所示)。第一圆弧430-2的重新取向可能会导致井眼418-1沿不同方向推动钻井工具410-1(如箭头435-2所示)。因此，通过调节井眼的圆弧的旋转取向，可以沿各种方位方向推动钻井工具。

图4-3和图4-4示出了沿其长度在不同位置的单个地下井眼418-3的实施例。在沿井眼418-3的长度的第一位置处，如图4-3所示，横截面可以包含第一圆弧430-3，该第一圆弧430-3包含第一半径440-3。可以将设置在井眼418-3内的钻井工具410-3推向第一圆弧430-3(如箭头435-3所示)。在沿井眼418-3长度的第二位置处，如图4-4所示，第一圆弧430-4的半径440-4可以相对于第一圆弧430-3的半径440-3扩大，如图4-3所示。半径440-4的这种大小调节可以使井眼418-3的曲率半径更小。

图5示出了以泥陆地层形成的细长中空井眼518的一部分的实施例。该井眼518可具有穿过其中的轴线544和包括以轴线544为中心的不同半径的第一和第二圆弧530、532的横截面形状。这些第一和第二圆弧530、532可在钻孔过程中在半径、角度大小和旋转取向上相对于彼此进行调节，使得它们在沿着井眼518的长度的各个点处不同。通过随着钻井的进行调节这些第一和第二圆弧530、532，井眼518可以形成为包括沿其轴线544的多个曲线。这些各个曲线可以包括基于第一和第二圆弧530、532的相对尺寸以及由此产生的横向推力的独特的曲率半径。例如，井眼518的朝向第一圆弧530弯曲的第一曲线540可以包括第一曲率半径541。该第一曲率半径541的大小可以取决于第一和第二圆弧530、532的相对半径和角度大小。如果该第一曲率半径541没有如期望的那样迅速地改变井眼518的方向，则可以改变第一和第二圆弧530、532的相对尺寸，因此导致推动力增加。例如，在井眼518的第二曲线542中，可以减小第一圆弧530的角度大小，而可以伸出第二圆弧532的角度大小。这样一来，第二曲线542内的第二曲率半径543可以小于第一曲率半径541，从而导致方向变化更快。

图6示出了钻头612的一个实施例，该钻头在旋转时能够破碎陆地以形成穿过其中的井眼。钻头612可在其附接端620处结合至沿这样的井眼的长度伸出的钻柱(未示出)。与附接端620相反，钻头612可包括接合端621，该接合端包括从其突出的多个刀片622。这些刀片622通常可以围绕接合端621的周边间隔开，并且从接合端621缠绕到钻头612的侧面623。多个坚硬的切削器元件626可以固定到每个刀片622以帮助破碎坚硬的土料。

侧面623可以从附接端620伸出到相对的接合端621，并在其中包括开口624。尖端625，其包括固定到其上的附加切削器元件627，可以从开口624内伸出到破碎围绕钻头612的相邻井眼壁(未示出)的特定部分。稳定器628，与开口624轴向间隔开，可从侧面623突出。该稳定器628可包括坚固的量规元件629，其设计成可沿井眼壁推动并沿井眼壁行进而不磨损。如前所述，由于尖端625的切削器元件627破碎特定的壁部分，因此稳定器628可能会从井眼壁推掉到破碎的部分中，如下所述的。

图7示出了钻头712的另一个实施例。钻头712包括设置在其附接端720内的多个螺纹737，从而提供了用于附接至钻柱(未示出)的机构。钻头712还包括穿过其中的导管738，以允许沿着钻柱引导的钻井流体通过设置在其中的喷嘴739从钻头712的接合端721流出，以辅助钻井。

钻头712的侧面723上的第一开口724可以通过穿过钻头712的细长腔730连接到与第一开口724相反的第二开口734。可以分别从第一开口724和第二开口734伸出的切削器元件725、726可以附接到可在腔730内滑动的公共杆731。当杆731在腔730内滑动时，切削器元件725、726可从其各自的开口伸出或缩回。由于两个切削器元件725、726均固定在同一杆731的相对尖端上，因此一个伸出时另一个可能缩回。在所示的实施例中，杆731位于钻头712的接合端721与管道738的气室(plenum)740之间，其中喷嘴739与之分开。

切削器元件725、726的伸出或缩回可能是由于引入加压流体而引起的，该加压流体可能会促使杆731在腔730中滑动。在所示的实施例中，第一通道732中的加压流体可能会促使杆731从第一开口724伸出。随后，第二通道733内的加压流体可促使杆731回到腔730内的中间位置。在一些实施例中，例如所示的，至少一个弹簧735也可将杆731推向中间位置。然后，第二通道733中的加压流体可能会推动杆731从第二开口734伸出。

将切削器元件725、726固定到单个杆731上的一种动机可能是在钻井时保持井眼宽度大致一致。此外，据信切削器元件725、726相对于钻头712的其余部分的特定定位对于保持一致的井眼宽度可能很重要。在所示的实施例中，设置在杆731的相对尖端上的切削器元件725、726与从钻头712的侧面723突出的相对的稳定器728相比彼此更远离。稳定器728本身可以定位成比钻头712的接合端721的宽度分开更远，使得使得切削器元件725、726不需要破碎太多的材料。在这样的构造中，切削器元件725、726可能始终在一定程度上保持露出于围绕钻头712的相邻井眼壁(未示出)。

图8示出了另一种可操纵的井下工具(在这种情况下是钻杆部分)的实施例。钻杆部分包括主体812，主体812可绕轴线841旋转，并包括与第二端821相反的第一端820。第一端820和第二端821均可包括用于连接至其他元件的螺纹。侧面823可以跨在第一和第二端820、821之间。该侧面823可以包括在其中的两个开口824、834，其中两个开口都通向穿过主体812的腔830。杆831可以可滑动地设置在腔830内。杆831和腔830都可以位于垂直于旋转轴线841的平面内。在所示的实施例中，杆831实际上与主体812的旋转轴线841相交，但是这不是必需的。

杆831可以包括被轴承套843围绕的轴842。杆831还可以包括固定在轴842的相反尖端上的可替换盖844、845。在所示的实施例中，可替换盖844、845经由螺栓保持轴上842；然而，各种其他连接也是可能的。盖844、845可以更换，以便在它们磨损或损坏时可以快速更换。

稳定器主体846可以螺纹地固定到主体812的第一端820。该稳定器主体846可以具有从其径向突出的稳定器828。当稳定器主体846拧到主体812上时，稳定器828可以与主体812的开口824轴向隔开。在此位置，当杆831从相反的开口834伸出时，稳定器828可能会推向井眼壁(未示出)。在此螺纹连接构造中，稳定器主体846可与其他类似的主体互换，以便快速修改稳定器的尺寸，或仅在磨损或损坏时才更换。

图9示出了可操纵的井下工具的另一实施例，该井下工具包括杆931和从工具的主体912的旋转轴线941偏移的腔930。在该实施例中，工具还包括容纳在主体912内的锁定机构950。尽管可以进行多种设计，但是所示的锁定机构950包括闩锁951，闩锁951可以相对于杆931平移。当朝杆931平移时，闩锁951的会聚点可与杆931的配合几何形状接合，以首先将杆931推向腔930中的中间位置，然后最终将杆931锁定在腔930中的适当位置。在远离杆931平移时，闩锁951可以释放杆931，使得其再次在腔930中自由滑动。已经发现，由不同材料制成的闩锁951和杆931各自具有独特的性能，可以减少锁定期间的卡滞(galling)，以便于释放。

闩锁951的平移可通过调节闩锁951周围的各个室中的流体压力来实现。这些室可以由用于推动杆931伸出或缩回的相同加压流体填充。例如，在所示的实施例中，第一室952可以在大致恒定的压力下加压。当没有其他作用力作用时，此大致恒定的压力可能会促使闩锁951抵靠杆931将其锁定到位。然而，当第二室953或第三室954中的任何一个充满加压流体时，第一室952内通常恒定的压力可能会被克服，以促使闩锁951远离杆931并将其从锁中释放。被引导以推动杆931沿一个方向轴向滑动的加压流体也可进入第二室953，而被引导以推动杆931沿相反方向轴向滑动的加压流体也可以进入第三室954。因此，在这种构造下，杆931可以轴向锁定，直到送出流体以沿任一方向推动它，然后才它可以解锁并自由滑动。

图9-1和9-2示出了包括各种横截面几何形状的杆931-1、931-2的实施例。杆931-1、931-2的横截面几何形状可以是非圆柱形的，并且可以与匹配的腔配合以限制杆931-1、931-2相对于它们各自的腔的旋转。该约束可以使附接到每个杆931-1、931-2的切削器元件925-1、925-2随其各自的工具旋转而对准。

图10-1至10-4示出了通过前述实施例的各个方面实现的井下操纵的不同步骤。具体地，图10-1示出了操纵工具1012-1的初始位置，该操纵工具包括容纳在其中的可滑动杆1031-1。在此图中，杆1031-1位于工具1012-1中的中间位置。如图10-2所示，当工具1012-2围绕其中心轴线旋转时，杆1031-2可以沿其长度沿一个方向滑动，以使其从工具1012-2的一侧伸出。该杆1031-2的伸出可能会导致附接到杆1031-2的第一切削器元件1025-2接合并破碎工具1012-2周围的井眼壁1011-2。该伸出还可将与第一切削器元件1025-2相反定位的稳定器1028-2推向井眼壁1011-2，从而将整个工具1012-2沿破碎方向推动。

如图10-3所示，在绕其轴旋转大约180度后(还可以预料到其他量)，杆1031-3可能缩回至其各自的工具1012-3中的中间位置。从该位置，如图10-4所示，附接到杆1031-4的、与第一切削器元件1025-4相反的第二切削器元件1026-4可以从工具1012-4的侧面伸出，而工具1012-4以与前面所示类似的方式又旋转另一个大致180度；用不同的稳定器1028-4推向破碎区域。从这里，该方法可以从开始重复。

图11示出了柱塞1110的实施例，该柱塞1110可滑动地设置在形成为块体1112的中空缸体1111内。箭头示出了该柱塞1110的可能行进方向1113，该方向可以与柱塞1110的中心轴线1117对准。柱塞1110和缸体1111可以组合形成能够容纳流体的容积1114。垫圈1115可能围绕着柱塞1110，并阻止容积1114中包含的流体从柱塞1110和缸体1111之间逸出。容积1114中的流体压力增加可能会促使柱塞1110从缸体1111中滑出。相反，流体压力降低可能会将柱塞1110拉回到缸体1111中。

柱塞1110可包括穿过其中的通孔1116。在所示的实施例中，通孔1116垂直于并接触柱塞1110的中心轴线1117径向穿过柱塞1110。尽管其他布置也是可能的。

杆1118可以从一侧到另一侧横跨中空缸体1111；固定在缸体1111的在其相对两端处的内壁。该杆1118也可以垂直于柱塞1110的中心轴线1117定位，类似于通孔1116，并伸出穿过通孔1116。通过伸出通孔1116并连接到缸体1111的相对侧，杆1118可能会限制柱塞1110的轴向运动。

通孔1116的内部尺寸可能大于杆1118的外部尺寸，从而允许柱塞1110在被杆1118限制之前平移一定的距离。柱塞1110在与杆1118接触之前可以移动的距离可以定义为柱塞1110的行程长度为1119。此外，通孔1116的横截面可包括大体上长方形形状，该形状在柱塞1110的行进方向1113上伸长。

螺线管1120或在替代实施例中的其他类型的控制装置可以调节该杆1118的位置，并且该调节可以改变所定义的行程长度1119。这种调节可以提供附加的好处，例如在杆1118和柱塞1118之间分配冲击磨损。螺线管1120可以包括至少一根缠绕在线圈中的导线1121。如果电流流经此类导线1121，则可能会产生磁场，该磁场可能作用于形成杆1118的某些材料上。其他类型的能够调节杆位置的控制装置的示例，其在其他实施例中可以代替螺线管，包括液压泵和滚珠丝杠。相信这样的替代控制装置可以以增加附加的复杂性为代价来提供附加的精度。

图12-1和12-2示出了可调节杆1218-1、1218-2的实施例，这些杆可能会改变相关柱塞1210-1、1210-2的各自行程长度1219-1、1219-2。杆1218-1、1218-2具有独特的几何形状可以实现这些改变。具体而言，这样的杆1218-1、1218-2可能每个都具有非圆柱形的外部几何形状，该几何形状可以基于杆1218-1、1218-2的定位在不同的点处遇到与其相关联的柱塞1210-1、1210-2的通孔1216-1、1216-2的内部。

图12-3示出了杆1218-3的实施例，杆1218-3包括非圆柱形外部几何形状，其特征是与杆1218-3的中心轴1223-3间隔的半径1222-3，其大小沿杆1218-3的轴向长度变化。尽管预期会有各种各样的径向变化，但是为了简化起见，该实施例包括两个基本恒定的径向部分；包括相对较小半径的第一部分1224-3和包括相对较大半径的第二部分1225-3。本实施例还包括这两个基本恒定的径向部分之间的大致倾斜的过渡。

在图12-1中，线性螺线管1220-1将关联的杆1218-1保持在相对缩回的位置，使得只有其包括相对较小半径的第一部分1224-1可以伸出到柱塞1210-1的通孔1216-1中。因为只有相对较小的第一部分1224-1可以接触通孔1216-1的内部，所以柱塞1210-1在通过与杆1218-1接触被限制之前可能具有相对较长的潜在行程长度1219-1。

在图12-2中，线性螺线管1220-2将相关的杆1218-2轴向弹出到相对伸出的位置，以使其包括相对较大半径的第二杆1225-2也可以伸出到柱塞1210-1的通孔1216中，除了第一相对较小的部分1224-2之外。通过该相对较大的第二部分1225-2也潜在与通孔1216-2的内部接触，因此柱塞1210-2由于与杆1218-2接触的位置发生了变化，因此可能具有相对较短的潜在行程长度1219-2。

图13-1和图13-2示出了其他可调杆1318-1、1318-2的实施例，这些杆可通过不同的机构改变相关柱塞1310-1、1310-2的行程长度1319-1、1319-2。通过包括非圆柱形外部几何形状的杆1318-1、1318-2仍可实现这种行程长度改变。但是，在这些实施例中，杆1318-1、1318-2的外部几何形状可能会围绕其圆周变化。

例如，图13-3示出了杆1318-3的实施例，杆1318-3包括的半径1322-3与杆1318-3的中心轴1323-3间隔开，在杆1318-3的圆周上大小变化。尽管可能有多种变化或径向变化，但再次为简单起见，该实施例包括平行于杆1318-3的中心轴1323-3且垂直于杆1318-3的半径伸出的平坦表面1330-3。

在图13-1中，旋转螺线管1320-1将相关的杆1318-1旋转地定位，使得其平坦表面1330-1面向柱塞1310-1的行进方向1313-1。与杆1318-1的其他部分相比，由于该平坦表面1330-1建立了从杆1318-1的中心轴1323-1到其外部几何形状的更短距离，因此当杆1318-1处于该旋转位置时，柱塞1310-1可以具有相对较长的潜在行程长度1319-1。

在图13-2中，旋转螺线管1320-2可以使相关的杆1318-2旋转，使得其平坦表面1330-2以相对于柱塞1310-2的行进方向1313-2大体成直角地面对。在此位置，行程长度1319-2可能会缩短，因为杆1318-2可能会更快地限制柱塞1310-2的平移。虽然仅示出了两个位置，通常绕杆的中心轴彼此成直角，但是这两个极端之间的各种角度位置中的任何一个都可能提供部分限制作用，以允许对行程长度的可变控制。

至此所讨论的实施例的通孔具有大致长方形的横截面形状。但是，也可以预期其他形状。例如，图14示出了具有穿过其中的通孔1416的柱塞1410的实施例。该通孔1416可包括具有大体三角形部分1440和凹口1441部分的横截面形状。穿过通孔1416的杆1418在与通孔1416的内部接触时可能会限制柱塞1410的平移。在所示的实施例中，该杆1418能够径向平移或垂直于柱塞1410的中心轴1417平移。以该方式调节杆1418可能会使其相对于通孔1416重新定位。具体而言，杆1418在通孔1416的大致三角形部分1440中的径向平移可能会改变内部宽度1442，该内部宽度在杆1418的位置沿平行于柱塞1410的中心轴1417的方向伸出。改变该通孔1416的宽度1442可以赋予柱塞1410不同的行程长度。

另外，通孔1416的凹口1441部分可包括内部宽度1443，该内部宽度基本上类似于杆1418在相同方向上的外部尺寸。如果将杆1418平移到凹口1441部分中，则柱塞1410的行程长度1419可能会被限制为零，从而有效地将柱塞1410的位置锁定在适当的位置。

图15示出了可以形成地下钻井操作的一部分的类型的钻头1510的实施例。钻头1510可包括大致圆柱形的主体1520，其可绕其中心轴线1521旋转。在一端上，主体1520可包括附接机构1522，在此示为一系列螺纹。该附接机构可以将钻头1510固定至设置在钻柱(未示出)的远端上的配合附接装置。与附接机构1522相反，主体1520可包括多个刀片1523，刀片1523从其径向和纵向伸出，围绕主体1520的轴线1521间隔开。

这些刀片1523中的每一个可包括前缘，该前缘具有从其突出的多个固定切削元件1524。这些固定切削元件1524中的每一个都可以包含固定在基板上的一部分超硬材料(即，维氏硬度测试值超过40吉帕斯卡的材料)。基板可以由能够牢固地附接到主体1520的材料形成。随着钻头1510的旋转，每个固定切削元件1524的超硬材料可能会接合并破碎坚硬的泥土。每个固定切削元件1524可以相对于主体1520的轴线1521以恒定的半径间隔开，以产生初始为圆柱形的井眼。

除了固定的切削元件1524之外，可旋转的切削元件1525还可以从主体1520的外部突出。该可旋转的切削元件1525还可以包括固定在基板上的一部分超硬材料，在某些方面与固定切削元件1524相似。可旋转的切削元件1525的露出表面可以包含三维几何形状，其中包含一些这种超硬材料。基于其旋转取向，该露出的几何形状可接合井眼的内壁并从中移除泥土。移除该材料可能会在某些区域改变井眼的内半径。可以通过旋转切削元件1525相对于主体1520的旋转来改变移除的泥土量。

图16-1示出了可绕轴线1621-1旋转的钻头1610-1的实施例。钻头1610-1包括露出在多个刀片1623-1的前缘上的多个固定切削元件1624-1。定位成距离多个中的任一轴线1621-1最远的固定切削元件1624-1中的至少一个可以形成量规切削元件1634-1。当钻头1610-1旋转时，从轴线1621-1到该量规切削元件1634-1的距离可以定义井眼的初始半径1630-1。

可旋转的切削元件1625-1也可以从钻头1610-1的外表面突出，相对靠近量规切削元件1634-1。与固定切削元件1624-1相反，此可旋转的切削元件1625-1可能够相对于钻头1610-1围绕其自身的轴线1631-1旋转。该可旋转的切削元件1625-1的露出部分可以包括三维几何形状，该三维几何形状包括偏移的远端1632-1。该露出的几何形状还可以包括倾斜表面1633-1，该倾斜表面可以从偏移的远端1632-1向其近端基部伸出。

如所示的，该三维露出几何形状的独特方面可以使其在第一旋转取向上径向伸出超过初始半径1630-1。在该第一旋转取向上，倾斜表面1633-1可以定位成与量规切削元件1634-1的前表面大致平行对齐。可以相信，在某些地下构造中，这种对齐可能导致偏移远端1632-1的伸出更平滑。同样，在该第一旋转取向中，倾斜表面1633-1可以定位成相对于初始半径1630-1大体法向对齐。

当以这种方式伸出时，偏移的远端1632-1可通过从井眼的内壁上除去其他土质，将伸出半径1635-1切入井眼中。从该内壁移除材料可至少在其角部改变井眼的内半径。可以经由对可旋转的切削元件1625-1进行有意的旋转控制，将伸出的半径1635-1限制在围绕井眼圆周定位的某些角度部分，以有目的地创建非圆柱形的横截面形状。

图16-2示出了钻头1610-2的另一个实施例，在许多方面与图16-1所示相似。然而，在此实施例中，从钻头1610-2的外表面突出的可旋转的切削元件1625-2可以旋转成第二旋转取向。在该第二旋转取向上，可旋转的切削元件1625-2的露出的三维几何形状可以保持在由最外侧的固定量规切削元件1634-2限定的初始半径1630-2内。具体而言，在此第二旋转取向上，露出几何形状的倾斜表面1633-2可以相对于初始半径1630-2大致相切对齐定位，使得可以平滑地避开井眼的内壁而没有从其移除材料。

如果可旋转的切削元件1625-2的伸出与钻头1610-2的旋转一致进行，使得钻头1610-2的给定旋转取向与可旋转的切削元件1625-2的设定旋转取向相关，则可以创建一致的井眼横截面形状。这种一致旋转的各种实施例可以包括连续整圈旋转可旋转的切削元件1625-2或者使其来回摆动。另外或可替代地，可旋转的切削元件1625-2的伸出和缩回可以更高的频率执行以减少钻头1610-2粘附到井眼壁上的可能性。

图17-1和图17-2示出了可旋转的切削元件1725-1、1725-2的实施例，其从钻头1710-1、1710-2的外表面突出，相对靠近也从该外表面突出的固定量规切削元件1734-1、1734-2。与量规切削元件1734-1、1734-2相比，该可旋转的切削元件1725-1、1725-2可能够相对于钻头1710-1、1710-2围绕其自身的轴线1731-1、1731-2旋转。该可旋转的切削元件1725-1、1725-2的露出部分可包括大体平坦的远侧表面1733-1、1733-2。

如图17-1所示，在可旋转的切削元件1725-1的第一旋转取向上，露出部分可以径向伸出超过由量规切削元件1734-1的位置限定的初始半径1730-1。在第二旋转取向上，如图17-2所示，可旋转的切削元件1725-2可以绕其轴线1731-2旋转，以使露出部分可以保持在初始半径1730-2之内。

图18-1和18-2示出了钻头1810-1、1810-2的实施例，该钻头包括从其外表面突出的可旋转的切削元件1825-1、1825-2。可旋转的切削元件1825-1、1825-2可以通过扭矩生成设备1850-1、1850-2主动旋转。这种扭矩生成设备可以由能够将电能、液压能或其他类型的能量转换成线性或旋转运动的各种已知换能器中的任何一种来提供动力；例如螺线管、柱塞、涡轮等。基于所选择的传感器的类型，扭矩生成设备可以进行外部控制、连续全旋转、旋转振荡、保持设定位置等。

该扭矩生成设备1850-1，1850-2可以经由一组齿轮连接到可旋转的切削元件1825-1，1825-2。在所示的实施例中，扭矩生成设备1850-1、1850-2包括可轴向平移的齿条齿轮1851-1、1851-2。该齿条齿轮1851-1、1851-2的齿可与附接至可旋转的切削元件1825-1、1825-2的小齿轮1852-1、1852-2的齿啮合。因此，随着齿条齿轮1851-1、1851-2平移，小齿轮1852-1、1852-2可以旋转该可旋转的切削元件1825-1、1825-2。具体来说，如图18-1所示，当扭矩生成设备1850-1将齿条齿轮1851-1沿其轴线向外平移1853-1时，小齿轮1852-1旋转1854-1可旋转的切削元件1825-1进入伸出位置，径向越过固定的量规切削元件1834-1。如图18-2所示，当扭矩生成设备1850-2将齿条齿轮1851-2向内平移1853-2时，小齿轮1852-2将可旋转的可旋转的切削元件1825-2旋转1854-2到缩回位置，其径向地在固定的量规切削元件1834-2内。在替代实施例中，这种布置可以颠倒。

图19-1和19-2示出了可旋转的切削元件1925-1、1925-2的实施例，该切削元件可以经由扭矩生成设备1940-1、1940-2进行旋转。在这些实施例中，扭矩生成设备1940-1、1940-2经由涡轮齿轮构造连接到可旋转的切削元件1925-1、1925-2。特别地，扭矩生成设备1940-1、1940-2可包括可旋转的蜗杆齿轮1941-1、1941-2。该蜗杆齿轮1941-1、1941-2的齿可与附接到可旋转的切削元件1925-1，1925-2的涡轮齿轮1942-1、1942-2的齿啮合。因此，随着蜗杆齿轮1941-1、1941-2的旋转，涡轮齿轮1942-1、1942-2也可能旋转可旋转的切削元件1925-1、1925-2。具体来说，如图19-1所示，当扭矩生成设备1940-1在第一方向上旋转1943-1蜗杆齿轮1941-1时，涡轮齿轮1942-1旋转1944-1可旋转的切削元件1925-1进入伸出位置。如图19-2所示，随着扭矩生成设备1940-2在第二方向上旋转1943-2蜗杆齿轮1941-2，涡轮齿轮1942-2旋转1944-2可旋转的切削元件1925-2到缩回位置。在替代实施例中，这种布置可以颠倒。

图20-1和20-2示出了可旋转的切削元件2025-1、2025-2的实施例，该切削元件可通过扭矩生成设备2040-1、2040-2进行旋转。在这些实施例中，扭矩生成设备2040-1、2040-2围绕可旋转的切削元件2025-1、2025-2的圆周环绕，并且包括能够从钻头突出并与钻头可能正在前进穿过的外部地层接合的几何形状。在这样接合时，钻头的旋转或其在地层中的前进可能导致此扭矩生成设备2040-1、2040-2旋转可旋转的切削元件2025-1、2025-1。

如图20-1所示，可旋转的切削元件2025-1可以绕其轴线自由旋转2044-1。但是，在图20-2中，制动设备2070-2可能与可旋转的切削元件2025-2的凸轮2071-2部分接合。在接合时，此制动设备2070-2可以旋转固定可旋转的切削元件2025-1并限制2044-2使其自由旋转。

图21示出了多个可旋转的切削元件2125-1、2125-2和2125-3的实施例，这些切削元件均可通过单个扭矩生成设备2140旋转。在某些方面类似于图19-1和19-2所示的扭矩生成设备，该扭矩生成设备2140可以包括蜗杆齿轮2141，其周围环绕有齿。然而，在该实施例中，多个可旋转的切削元件2125-1、2125-2和2125-3中的每一个可分别包括与其连接的唯一涡轮齿轮2142-1、2142-2和2142-3。这些涡轮齿轮2142-1、2142-2和2142-3中的每一个的齿都可以与蜗杆齿轮2141的齿啮合，使得随着扭矩生成设备2140旋转蜗杆齿轮2141，每个可旋转的切削元件2125-1、2125-2和2125-3可能同时旋转。如可以看出的，这些可旋转的切削元件2125-1、2125-2和2125-3中的每一个都可以远离扭矩生成设备2140伸出，并从钻头2110的外部沿不同的径向角度方向突出而不互相干扰。虽然示出了涡轮齿轮系统，但是替代实施例可以包括其他布置，该布置包括连接至单个扭矩生成设备的多个可旋转的切削元件。

图22示出了可以形成地下钻井操作的一部分的钻头2210的实施例。尽管多种类型的钻头中的任何一种都可以与本文所述的新颖元件一起使用(例如，牙轮钻头、浸渍金刚石的钻头及其混合物)，但是所示的钻头2210的实施例包括从其一端突出的多个刀片2220，该多个刀片绕其旋转轴线2221间隔开。在所示的实施例中，多个刀片2220通常与旋转轴线2221对准，但是在其他实施例中，刀片可以围绕钻头的圆周成螺旋形。可以在每个刀片2220上设置多个能够破碎坚硬的泥土的切削元件2222。如果此钻头2210在土层中旋转，则这些切削元件2222通常会形成大致圆柱形的具有恒定半径的井眼。钻头2210还可包括可螺纹附接件2223，该可螺纹附接件2223包括设置在腔内(隐藏的)的一系列螺纹，该一系列螺纹设置在与多个刀片2220相反的端部上。

附加的切削元件2224可以从钻头2210的外部沿大体径向方向伸出。这些切削元件2224的伸出可以使它们接合井眼的壁(未示出)，钻头2210可以穿过该井眼行进并且在围绕其圆周的某些点处从井眼壁刮擦掉土料。这种刮擦可能会导致井眼的形状偏离最初由钻头2210的牢固固定的切削元件2222产生的大致圆柱形的形状。例如，如果切削元件2224仅在钻头2210的完整旋转的一部分期间伸出，则井眼可以被给予新的横截面形状，其包括两个不同半径，由固定切削元件2222形成的初始半径和由可伸出切削元件2224形成的扩大半径。

虽然各种切削元件类型中的任何一种都可以用于伸出，但是本实施例描绘了一种可旋转类型的切削元件，其在某些方面与Shen等人的美国专利No.7,703,559中所示的类似。

在所示的实施例中，这些可伸出的切削元件2224被固定到柱塞2226的露出端，其可通过液压而伸出或缩回。尽管在本实施例中仅示出了单个柱塞，但是在各种其他实施例中，多个可伸出的切削元件，每个均固定在其自己的独特柱塞上，其在某些方面与Johnson等人的美国专利No.8,763,726的图2A中所示的那些类似，也是可能的。

耐磨量规垫2228可以从钻头2210的外部突出，并定位成在轴向上与可伸出切削元件2224相邻。在所示实施例中，仅示出了一个耐磨量规垫2228与单个径向方向对准，但是在其他实施例中，多个耐磨量规垫可围绕主体的圆周定位在多个位置。例如，在一些实施例中，多个刀片中的每个刀片可包括其自己的量规垫。在该量规垫2228处，钻头2210可包括尺寸在先前讨论的两个井眼半径之间的横截面半径；大于由刚性切削元件2222形成的较小半径，但小于可伸出切削元件2224形成的较大半径。实际上，在没有可伸出切削元件2224造成的扩大的情况下，该量规垫2228的半径可能无法穿过由刚性切削元件2222专门形成的井眼。当较小的半径将钻头2210推入由较大的半径产生的空间时，这种尺寸不匹配会持续地并且在钻头2210施加很少能量的情况下横向推动钻头2210。

为了实现其耐磨性，防止由摩擦井眼壁而引起的磨损，量规垫2228可以包括一个或多个嵌入其中的螺柱2229。这些螺柱2229可由超硬材料(即，维氏硬度测试值超过40吉帕斯卡的材料)制成。在本实施例中示出通常圆柱形的螺柱，但是也可以考虑各种形状和尺寸的螺柱，并且以各种图案布置。

在轴向上邻近可伸出切削元件2224和量规垫2228，可以将第二切削元件2225和第三切削元件2227刚性地固定到钻头2210的外部。第二切削元件2225可在轴向上邻近可伸出切削元件2224，与量规垫2228相反，而第三切削元件2227可在轴向方向邻近量规垫2228，与可伸出切削元件2224相反。在所示的实施例中，这些第二和第三切削元件2225、2227被示出为与单个径向方向对准，但是在其他实施例中，类似的切削元件可以定位在围绕主体的圆周的多个位置处。第三切削元件2227可以有效地铰除由可伸出切削元件2224产生的井眼偏差，或者铰大到更大的直径，使井眼再次大致呈圆柱形。尽管本实施例示出了单独的第三切削元件2227，但是在其他实施例中，多个切削元件可以执行这种铰孔功能。

图23示出了钻头2310的另一个实施例，其包括可伸出的切削元件2324、耐磨的量规垫2328以及第二和第三切削元件2325、2327。可以看到量规垫2328倾斜远离钻头2310的旋转轴线2321。据认为，量规垫2328的这种倾斜可能有助于使井眼壁向侧面推动钻头2310，同时避免由于摩擦而导致快速磨损。从该角度还可以看出，虽然从旋转轴线2321到可伸出切削元件2324的距离是可变的，但到量规垫2328以及第二和第三切削元件2325、2327的类似距离可以是固定的。在该固定布置中，量规垫2328可以比第二切削元件2325更远离钻头2310的旋转轴线2321突出，并且第三切削元件2327可以比量规垫2328更远突出。

可伸出的切削元件2324可基于作用在固定到切削元件2324上的柱塞2326的基部上的液压而伸出或缩回。加压的液压流体可经由为此建造的穿过钻头2310的导管2330朝柱塞2326的基部引导。在各种构造中，可调节此液压流图以控制柱塞2326的物理位置或施加到柱塞2326的力。在所示实施例中，销2331可固定在钻头2310上并穿过相交柱塞2326的通道，其在某些方面类似于Hall等人的美国专利9,085,941中所示的那些。该销2331可以调节切削元件2324的伸出和缩回极限。

密封件2332可以围绕柱塞2326的周边，以阻止加压的液压流体从柱塞2326和钻头2310之间逸出并进入井眼。在所示的实施例中，该密封件2332采用两个弹性体环的形式，该弹性体环设置在附近环绕柱塞2326在其轴向长度的中点附近的凹槽内。然而，在其他实施例中，类似的密封件可以位于沿着柱塞从露出部分到其基部的轴向上的任何点处。另外，其他密封件实施例可包括诸如薄金属波纹管的柔性材料，在某些情况下，其可比弹性体提供更高的耐磨性。在一些实施例中，紧密配合可以足以在没有这种密封件的情况下保持流体。

图24-1示出了柱塞2426-1的一实施例，该柱塞可以从钻头(未示出)或其他轴向主体径向可伸出。如先前讨论的柱塞的实施例中所示，不是包括固定到其上的单独的切削元件，而是可以用超硬材料板覆盖柱塞2426-1的整个露出部分2440-1，以形成单个可伸出的切削元件。柱塞2426-1可以绕其中心轴线自由旋转，以围绕露出部分2440-1的圆周分布磨损。在所示的实施例中，柱塞2426-1的露出部分2440-1包括大致平坦的主表面。然而，替代实施例可以具有多种非平坦轮廓中的任何一种。

图24-2示出了柱塞2426-2的另一实施例，其包括两个固定在其露出端上的切削元件。固定到柱塞2426-2的第一切削元件2424-2可以从露出的端部突出第一距离，并且可以挖掘到井眼壁2442-2中一定量。第二切削元件2444-2可以比第一切削元件2424-2突出得更远，但挖掘到井眼壁2442-2中的量与第一切削元件2424-2基本相同。如果第二切削元件2444-2比第一切削元件2424-2与轴向主体(未示出)的远端更远离地隔开并且第一切削元件2424-2在其挖掘时从井眼壁2442移除物质，则这是可能的。在这种构造中，由第一和第二切削元件2424-2、2444-2承受的反作用力可以平衡围绕柱塞2441-2的轴线的旋转扭矩。

图25-1示出了包括一个或多个切削元件2524-1的钻头2510-1的实施例，该切削元件可从其外部径向伸出和缩回。在所示的实施例中，切削元件2524-1处于使它们受到外部冲击的伸出构造。这些切削元件2524-1可固定在铰接臂2550-1上。图25-2示出了这种铰接臂2550-2的实施例，该铰接臂包括附接到其上的几个切削元件2524-2和从其主体伸出的销2551-2。销2551-2可以将铰链臂2550-2附接到钻头(未示出)，以使铰链臂2550-2可以绕穿过销2551-2的旋转轴线2552-2旋转。

图25-3示出了钻头2510-3的另一个实施例，该钻头包括铰接臂2550-3，该铰接臂具有固定在其上的切削元件2524-3。在该实施例中，旋转铰链臂2550-3以使切削元件2524-3从钻头2510-3的外部缩回。在此缩回构造中，可以屏蔽切削元件2524-3免受冲击。因此，如图25-1所示，在伸出时，切削元件2524-1可与围绕钻头2510-1的井眼壁(未示出)接合。或者，如图25-3所示，在缩回时，可将切削元件2524-3屏蔽以免与井眼壁接合。

在这些实施例中，铰接臂可绕其旋转的旋转轴线大致平行于钻头的旋转轴线伸出。但是，在某些方面与Hutton的美国专利No.8,141,657中所示的那些类似的其他构造也是可能的。

图26-1和26-3示出了钻头2610-1和2610-3的另外的实施例，每个钻头包括一个或多个可径向地从其外部伸出和缩回的切削元件2624-1和2624-3。这些切削元件2624-1和2624-3可以固定到可旋转的圆筒形滚筒2660-1和2660-3。图26-2示出了这种圆筒形滚筒2660-2的实施例，其包括固定在其上并可绕旋转轴线2662-2旋转的切削元件2624-2。如图26-1所示，当旋转到伸出构造时，切削元件2624-1可以与围绕钻头2610-1的井眼壁(未示出)接合。如图26-3所示，当旋转到缩回构造时，切削元件2624-3可能会被屏蔽以免与井眼壁接合。在这些实施例中，圆筒形滚筒可绕其旋转的旋转轴线大体上平行于圆筒形滚筒附接到其上的钻头的切线伸出。

图27示出了钻头2710的另一实施例。除了可沿单个径向方向伸出的切削元件2724(在许多方面与前述实施例相似)之外，本实施例的钻头2710还包括可从与单一径向方向相反的外部伸出的推垫2770。这样的推垫2770可以推离围绕钻头2710的井眼壁(未示出)，以将钻头2710推向切削元件2724。当切削元件2724接合井眼时，该推动可以稳定钻头2710。该推动还可能将钻头2710推入现已破碎的井眼壁中，以帮助在钻头2710前进时对其进行导向。

在所示的实施例中，推垫2770和切削元件2724都连接到可将其向外推动的加压液压流体源。在一些实施例中，这甚至可以是相同的源。在这种情况下，如果将加压液压流体导引至推垫2770的导管2737与将加压液压流体导引至可伸出切削元件2724的导管2730同时被激活，则两者均可同时伸出。

为了避免损坏井眼壁和扰乱其横截面形状，可以将各种元件添加到前面所述的量规垫中。例如，图22所示的量规垫2228包括多个由嵌入其中的超硬材料形成的螺柱2229。这些螺柱2229可以使量规垫2228平稳地推离井眼壁。在其他实施例中，例如如图28-1所示的，量规垫2828-1可以包括固定在其上并覆盖其露出部分的超硬材料板2829-1。可以相信，这样的板可以增强光滑的井眼推离。

在图28-2所示的实施例中，耐磨装置2829-2可以附接到量规垫2828-2，使其可以绕轴线2882-2自由旋转。当受到外力作用时(例如，从井眼壁)，该耐磨装置2829-2可能会旋转到一边而不是抵抗。可以认为，这种没有阻力可以保护井眼壁和量规垫2828-2。图28-4示出了类似于图28-2所示的耐磨装置2829-4的实施例，其包括固定在轴2881-4上的超硬材料板2880-4。该轴2881-4可以附接到量规垫上，以使板2880-4围绕其旋转。

图28-3示出了可旋转地附接到量规垫2828-3上的耐磨装置2829-3的另一个实施例，图28-5示出了类似的耐磨装置2829-5的实施例。不是包括超硬材料板，耐磨装置2829-5可以包括由硬质材料形成的板2880-5，其中嵌入有多个由超硬材料形成的螺柱2889-5。尽管图28-2和图28-3示出了耐磨装置2829-2、2829-3的实施例，这些耐磨装置在仅从量规垫2828-2、2828-3向外突出的可旋转轴线的一端连接到量规垫2828-2、2828-3，耐磨装置的其他实施例可包括在各种交替取向上的旋转轴线，并可能在多个端部连接到量规垫。

图29示出了包括独特的量规垫2928的钻头2910的实施例。该量规垫2928包括耐磨装置2929，该耐磨装置2929通常形成为具有多个螺柱2929的环2990的形状，该螺柱2929由超硬材料形成，并嵌入其外表面。在所示的实施例中，该环2990通常围绕钻头2910的圆周。但是，其他尺寸和构造也是可能的。当受到外力作用时，环2990可能绕其轴线旋转而不是抵抗旋转。

图30示出了可以形成地下钻井操作的一部分的稳定器3010的实施例。稳定器3010可包括多个从其突出的刀片3020，刀片3020绕其旋转轴线3021间隔开。可以在每个刀片3020上设置多个能够破碎坚硬的泥土的切削元件3022。稳定器3010还包括设置在其相反两端的螺纹附接件3023、3123。附加的切削元件3024可以从稳定器3010的外部沿单个径向方向伸出。这些切削元件3024的伸出可以使它们接合稳定器3010行进通过的井眼壁(未示出)。该接合可能使井眼壁在其周围的某些点处破裂，从而导致井眼的横截面形状偏离圆形。此外，耐磨量规垫3028可以从稳定器3010的外部突出，并定位成轴向地靠近可伸出切削元件3024。

图31示出了井下钻头组件的实施例，其包括固定至钻柱3114的端部的钻头3112。钻头3112可以包括从其突出的多个刀片3122。这些刀片3122通常可以围绕钻头3112的一端(与钻柱3114相反)的周边间隔开，并包括附接到每个刀片3122的多个坚固的切削器元件3126，以帮助破碎硬土料。虽然示出了固定刀片型钻头，但是可以交替地使用多种其他钻头类型。

图32示出了井下钻头组件的实施例，其已被部分地拆卸以突出其几个特征。例如，钻柱3214可包括从其一端伸出的突起3230。该突起3230可以插入钻头3212的腔3231中。在所示的实施例中，突起3230包括围绕其设置的多个螺纹3232，其可以与形成在腔3231的内表面上的可比较的螺纹3233接合以固定所述突起3230在腔3231内。这些螺纹3232和3233可包括互补的几何形状，使得一旦突起3230相对于腔3231到达相对于腔3231的固定位置，它们就会停止相对旋转。分别在钻柱3214和钻头3212的外表面上露出的各种标记3240和3241也可能表示相对对准。

突起3230可包括设置在其远侧尖端上的接口交换表面3234。接口交换表面的各种实施例可以允许交换电、液压、光学和/或电磁信号。在所示的实施例中，接口交换表面3234能够经由电力和液压流体与容纳在腔3231内的另一个接口交换表面3258交换功率和数据。具体地说，接口交换表面3234包括感应环3235，该感应环3235定位成相邻另一个接口交换表面3258的另一个感应环3236。当相邻时，通过一个感应环3235的电信号可以传送到另一个感应环3236。不管钻柱3214相对于钻头3212的旋转取向如何，都可以传递这些电信号。

也如该实施例中所示，接口交换表面3234包括露出在突起3230上的两个管道3237，该管道可将流体引导到腔3231中，并引导到露出在另一个接口交换表面3258上的另外两个管道3238。这几组两个管道3237和3238可以允许将液压动力从钻柱3214传输到钻头3212。还可以在接口交换表面3234上定位两个近似于半环形的凹槽3239，一个邻近露出在其上的两个管道3237中的每一个。在钻柱3214相对于钻头3212的旋转取向的宽跨度内，这些近似于半环形的凹槽3239可以使流体从突起3230的两个管道3237流过其流到腔3231的两个管道3238。此外，在可能的旋转取向跨度不足的情况下，板3259，如图32-1中从接口交换表面3234移除所述的，形成所述近似半环形的凹槽3239，可以用一个包括偏移凹槽的板来进行更换调节相对位置。如可以看出的，用于这种类型的旋转独立的流体传递，只有一对接口交换表面中的一个需要这样的凹槽。

图33示出了井下钻头组件的另一实施例。如可以看出的，可以将包括与钻头3312分离的主体的底盘3342设置在钻头3312的腔3331内。钻柱3314可以拧入腔3331中并将底盘3342保持在其中。如果钻柱3314要被拧开，则可将底盘3342从腔3331中移除并插入不同的钻头中。如果钻头3312磨损或损坏，这可能是有利的。钻柱3314和底盘3342都可以包括从中穿过的流体通道3349，从而允许通过钻柱3314行进的钻井流体通过钻头3312的至少一个喷嘴3348离开。

钻柱3314可以经由一对接口交换表面3334连接到底盘3342，类似于先前描述的那些。在该实施例中，接口交换表面3334允许电力和液压流体的交换。例如，一对感应环3335可以允许在钻柱3314和底盘3342之间交换电信号。这些电信号可以传递到设置在底盘3342的外表面上的电子元件3334。这些电子元件3343可以容纳在压力室3344中，该压力室形成在底盘3342、钻头3312的腔3331和设置在电子设备3343的两侧上的压力密封件3345之间。

电子设备3343可以从传感器3346接收附加的电信号，该传感器3346能够感测位于钻头3312的外表面上的周围井眼的特征或相关联的钻井操作的参数。据信，定位某些类型的传感器尽可能靠近钻头的端部可能是有利的。

在另一个示例中，流体管道3337可以允许流体从钻柱3314流入底盘3342内的另一管道3338。无论钻柱3314相对于底盘3342的旋转定位如何，该流动都是可能的。该另一管道3338可能会完全穿过底盘3342，并将流体传导到钻头3312内的腔3347中。随着腔3347的填充，柱塞3350可能会被腔3347内的流体压力推动以从钻头3312的外部伸出。

在所示的实施例中，底盘3342和钻头3312之间的电气和液压接口交换表面3357可以以特定的旋转取向固定在一起，从而它们一起旋转。如可以看出的，这些接口交换表面3357中的一个可以通过底盘3342连接到先前描述的另一个接口交换表面3334中的一个。此外，在进行电气连接的情况下，电子设备3343可以连接到接口交换表面3334、3357之一或二者。

图34-1和34-2示出了底盘3442-1、3442-2的实施例。这些底盘3442-1、3442-2可以是大体为管状的，成形有穿过其中的流体通道3449-1、3449-2。这些底盘3449-1、3449-2还可以包括各种电子设备3443-1、3443-2，这些电子设备围绕其外表面沿周向设置。接口交换表面可以设置在底盘3442-1、3442-2的任一端上。具体地，提供独立于旋转取向的连接的第一接口交换表面3451-1、3451-2可以设置在相应的底盘3442-1、3442-2的一端上，以及提供特定旋转取向的连接的第二接口交换表面3450-1、3450-2可以设置在其相反端上。第一接口交换表面3451-1可包括用于液压交换的管道3452-1和用于电气交换的感应环3453-1。第二接口交换表面3450-2可以包括用于液压交换的管道3452-2和用于电气交换的插接(stab)连接3453-2。

图35示出了井下钻井组件3511的实施例，该井下钻井组件3511包括固定到短节3520上的钻柱3514，并且短节3520进一步固定到钻头3510上。连续的流体通道3525可以轴向地穿过钻柱3514和短节3520，并进入钻头3510。虽然各种类型的钻头中的任何一种都可以起到本文所述的新颖元件的作用和功能，但本实施例的钻头3510包括多个刀片3521，这些刀片围绕中心轴线间隔开，从其一端突出。多个切削元件3522可以露出在每个刀片3521的前缘上。这样的切削元件3522可以包括能够破碎坚硬的地下材料的超硬材料(即，包括维氏硬度测试值超过40吉帕斯卡的材料)。当钻头3510绕此轴线旋转时，刀片3521会与土层接合，使切削元件3522在其中钻孔。

虽然通常在井下钻井中使用的钻头包括从其伸出的用于附接的螺纹突起，但是所示实施例的钻头3510包括与刀片3521和切削元件3522轴向相反定位的内螺纹腔3523。伸出器3524可以被安置在该腔3523内。这可以允许进入钻头3510的深处。当安置时，该伸出器3524可以包括与钻头3510的腔3523的最低点接触的近端。腔3523可以形成为进入到钻头3510中如此深，以使得切削元件3522轴向横跨该近端和最低点。伸出器3524还可以包括远端，该远端伸出到腔3523的口部的两英寸之内。据信，相对于腔3523的口部的这种定位可以允许相对容易地接近该远端。在所示的实施例中，伸出器3524包括大致圆锥形的外部形状。该圆锥形可以朝着近端变宽，并且随着接近远端而变窄。此外，流体通道3525可能轴向穿过伸出器3524。

短节3520可经由外螺纹突起3526固定到钻头3510，该外螺纹突起3526可插入钻头3510的腔3523中并与其中的内螺纹配合。这些螺纹可以设计成停止旋转并在固定的旋转和轴向位置锁定到位。将该突起3526拧入腔3523中可以起到将伸出器3524保持在腔3523内的作用。类似地，将突起3526和腔3523拧开可以释放该伸出器3524，使得它可以与替代的伸出器互换。

短节3520还可包括设置在其中的腔3527，该腔3527包括在其至少一部分上分布的内螺纹。底盘3528，包括一大体为管状的结构，可以容纳在该腔3527内。钻柱3514可以包括一外螺纹突起3530，该突起可以插入短节3520的腔3527中并与其中的内螺纹配合。这些螺纹可以设计成停止旋转并在固定的旋转和轴向位置锁定到位。将该突起3530拧入腔3527中既可以将钻柱3524固定到短节3520上，又可以将底盘3528保持在腔3527内。同时，将钻柱3524从短节3520上拧开可以允许短节3520和底盘3528二者可与轴向长度不同的备用短节或底盘(或两者)互换。流体通道3525可能轴向穿过底盘3528。

在钻头3510、短节3520和钻柱3514之间的每个交点处的成对的接口交换表面可以允许在这些元件之间进行各种类型的通信。这些对接口交换表面对中的每对以允许通信的方式配合自然可能是由将钻柱3514物理附接至短节3520并将短节3520附接至钻头3510引起的，而没有其他动作。这可以允许这种配合作为已经作为钻井操作的一部分而早已通常执行的活动的一部分来完成。

第一对接口交换表面3531可将钻柱3514连接到短节3520内的底盘3528上；具体地，第一对接口交换表面3531中的一个可以设置在形成在钻柱3514的一端上的突起3530的尖端上。第一对接口交换表面3531可以允许钻柱3514和底盘3528之间的通信，无论它们在旋转取向上相对于彼此降落在何处。这种不依赖于相对旋转方向进行通信的独立性可以为钻柱3514到短节3520的物理附接提供允许的游隙；其通常发生钻井位置处的恶劣且紧急条件下。

第二对接口交换表面3532可以将底盘3528连接到钻头3510内的伸出器3524。第三对接口交换表面3533可以将伸出器3524连接到容纳其的钻头3510。这些第三接口交换表面3533可以位于钻头3510的腔3523内的内螺纹内部。伸出器3524可以轴向足够长，以使得露出在钻头3510的外部上的切削元件3522轴向地跨过伸出器3524和钻头3510之间的该连接。与第一对相反，第二对和第三对接口交换表面3532、3533可以在特定的相对旋转取向上固定在一起。在一些实施例中，可以通过形成插接连接来维持旋转取向。此外，与第一对不同，这些特定于取向的接口交换表面3532、3533可以在更清洁、更安静的条件下连接，从钻井位置移除，其通常可以导致更精确的定位。另外，伸出器3524可能有助于将此类连接从钻头3510的腔3523中移出，这可能会限制进入。说到伸出器3524，第二对和第三对接口交换表面3532、3533中的每对的一侧可以经由至少一个穿过伸出器3524的通信导管3535彼此连接。

第一对和第二对接口交换表面3531、3532中的每对的一侧可以经由穿过底盘3528的至少一个通信管道3534彼此连接。底盘3528还可以包括围绕其外部表面沿圆周设置的各种电子设备3529。这些电子设备3529可以容纳在底盘3528和短节3520之间形成的压力室内。这些电子设备3529还可以经由前述的通信导管3534连接到第一对和第二对接口交换表面3531、3532的至少一侧。如本实施例中所示的，由于短节3520可能比钻头3510长，因此这些电子设备3529的尺寸不必受钻头3510的长度限制。

垫3536可经由通过前述各种通信管道3534、3535施加的液压从钻头3510的侧面径向地伸出或缩回。伸出此垫3536可以是要执行各种井下功能中的任何一个，例如操纵或稳定化。具体地，当垫3536伸出时，它可以推向钻头3510正行进通过的井眼(未示出)的内部以改变其行进方向或将其保持在适当的位置。可以通过在底盘3528周围的井下设置的电子设备3529来控制这种井下功能的激活。

图36-1和36-2分别示出了井下钻井组件3611-1和3611-2的其他实施例。每个井下钻井组件3611-1、3611-2可以包括固定在短节3620-1、3620-2上的钻柱3614-1、3614-2，其进一步固定到钻头3610-1、3610-2。此外，除了上述螺纹(隐藏的)之外，每个实施例还包括一机构，用于确保将短节3620-1、3620-2附接到其各自的钻头3610-1、3610-2。该附加的安全措施可能是要防止在尝试将短节3620-1、3620-2从其相应钻柱3614-1、3614-2移除时钻头3610-1、3610-2从短节3620-1、3620-2的偶然或无意移除。

具体地，图36-1示出了井下钻井组件3611-1的实施例，该井下钻井组件包括将钻头3610-1固定到短节3620-1上的焊缝或粘合剂3640-1。图36-2示出了包括多个机械紧固件3641-2的井下钻井组件3611-2的实施例，每个紧固件可径向拧入短节3620-2中，以进一步将钻头3610-2固定到短节3620-2。这些机械紧固件3641-2中的一个已示出为部分移除以露出螺纹。此外，这些机械紧固件3641-2中的每一个都可以包括露出的头部，该头部具有独特的几何形状，需要专门的工具才能移除。

第一、第二和第三对接口交换表面中的每对可以允许各种类型的通信。例如，成对的接口交换表面对中的任何一对都可以允许交换电、液压、光学和/或电磁信号；尽管他们可能会以不同的方式做到这一点。具体地，在钻柱和底盘之间的第一对接口交换表面可允许这种通信与任何特定的旋转取向无关。图37示出了一对旋转独立的接口交换表面的一个可能实施例。特别地，带螺纹的突起3740可以被接收并固定在带螺纹的腔3741内。该突起3740包括设置在其远侧尖端上的一个接口交换表面3742。在所示的实施例中，该接口交换表面3742能够经由电力和液压流体与容纳在腔3741内的另一个接口交换表面3743交换功率和数据。尽管该实施例示出了基于电和液压的通信，但是其他介质诸如光学或电磁信号也是可能的。

关于电，接口交换表面3742包括一感应环3744，该感应环可以与另一个接口交换表面3743的另一个感应环3745相邻。当相邻时，通过一个感应环3744的电信号可以经由感应耦合传递给另一个感应环3745。无论一对接口交换表面3742、3743的相对旋转取向如何，都可以传递这些电信号。

对于液压流体，接口交换表面3742包括两个露出在其上的管道3746，其可将流体引导至露出在另一个接口交换表面3743上的另外两个管道3747。这些几组的两个管道3746、3747可提供液压动力和/或脉冲数据在一对接口交换表面3742、3743之间传输。两个近似于半环形的凹槽3748也可以位于前面讨论的感应环3744内部的接口交换表面3748上，一个相邻露出在其上的两个管道3746中的每一个。这些近似于半环形的凹槽3748可以在相对旋转取向上的宽跨度上使流体穿过其从突起3740的两个管道3746流入腔3741的两个管道3747之中。如可以看出的，用于这种类型的旋转独立的流体传递，只有一对接口交换表面中的一个需要这样的凹槽。

在所示的实施例中，管道3747彼此直接相反放置，或相隔180度，但是，该间隔不是必需的。具体地，在不同的实施例中，相似的管道可以在不同的角度位置处间隔开。此外，突起3740的螺纹可大致与室3741的螺纹同步，以使即使在不精确的条件下，管道3747也不会被近似于半环形的凹槽3748之间的坯料遮盖。

其他成对的接口交换表面，例如底盘和伸出器之间的第二对接口以及伸出器和钻头之间的第三对接口，可能需要特定的旋转取向进行通信。图38示出了一对旋转固定的接口交换表面的一个可能的实施例。一个接口交换表面3842可以包括从其突出的多个销3850。另一个接口交换表面3843可以包括多个插座3851，当两个接口交换表面3842、3843彼此配对时，销3850可以插入插座中。将销3850插入插座3851可以使露出在一个接口交换表面3842上的多个管道3846与露出在另一个接口交换表面3843上的匹配的多个管道3847对准。在这样的构造中，流体可能在两组管道3846、3847之间流动，以当在特定取向上旋转对准时，在接口交换表面3842、3843之间传输液压动力和/或脉冲数据。此外，销3850和插座3851可以进行布线以传输电能和/或数据。

尽管该讨论参考了所附的附图，但是应当理解，在本文公开的范围和精神内，可以做出除本文中示出或建议的以外的其他和进一步的修改。

Claims (20)

1.一种地下井眼，包括：

内壁，形成在土层内，限定了细长的孔洞；

所述壁描绘出在垂直于穿过所述孔洞的轴线的平面内的横截面形状；和

该横截面形状包括第一圆弧和第二圆弧，二者均以包括不同半径的轴线为中心。

2.根据权利要求1所述的地下井眼，还包括设置在所述孔洞内的钻井工具；其中，第一圆弧的半径大于钻井工具的横截面半径，并且第二圆弧的半径小于钻井工具的横截面半径。

3.根据权利要求2所述的地下井眼，其中内壁在横截面形状的两个点处接触所述钻井工具。

4.根据权利要求3所述的地下井眼，其中，所述两个点位于第二圆弧上。

5.根据权利要求1所述的地下井眼，其中，所述轴线是弯曲的；第一圆弧的半径大于第二圆弧的半径；以及第一圆弧比第二圆弧更靠近轴线的曲率中心。

6.根据权利要求1所述的地下井眼，其中，第一圆弧和第二圆弧围绕所述轴线占据不同的角度范围。

7.根据权利要求6所述的地下井眼，其中，所述轴线是弯曲的，并且所述轴线的曲率半径取决于第一圆弧和第二圆弧的半径或角度范围的相对尺寸。

8.根据权利要求6所述的地下井眼，其中，第一圆弧和第二圆弧的半径或角度范围在沿着所述轴线的不同位置处在尺寸上变化。

9.根据权利要求6所述的地下井眼，其中，第一圆弧和第二圆弧的角度范围在沿着所述轴线的不同位置处在围绕所述轴线的旋转取向上变化。

10.一种用于形成地下井眼的方法，包括：

在土层内钻出细长的孔洞，该孔洞包括穿过其中的轴线和在垂直于该轴线的平面内的横截面形状；和

从孔洞的内壁移除土料，以在横截面形状上形成第一圆弧和第二圆弧，二者均以轴线为中心但包括不同的半径。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括在孔洞内设置钻井工具，该钻井工具包括小于第一圆弧但大于第二圆弧的横截面半径；并利用该第二圆弧推动钻井工具进入第一圆弧。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，钻井工具的推动在钻出所述孔洞时在轴线上形成弯曲。

13.根据权利要求11所述的方法，还包括通过改变由第一圆弧和第二圆弧所占据的不同半径或角度范围来调节钻井工具的推动。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，调节所述推动包括通过改变第一圆弧和第二圆弧的半径或角度范围的相应尺寸来改变力的大小。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，调节所述推动包括通过改变绕第一圆弧和第二圆弧的角度范围的轴线的相应旋转取向来改变力的方向。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，调节所述钻井工具的推动改变在钻出所述孔洞时在轴线上的弯曲。

17.根据权利要求10所述的方法，其中：

钻出细长的孔洞包括旋转钻井工具；

从内壁移除土料以产生第一圆弧包括在旋转的第一部分期间从钻井工具的侧面伸出切削元件；和

产生第二圆弧包括在旋转的第二部分期间缩回该切削元件。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括改变所述切削元件的伸出和缩回的定时，以调节由第一圆弧和第二圆弧占据的角度范围。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括减小由第一圆弧占据的角度范围的尺寸以减小所述轴线的曲率半径。

20.根据权利要求17所述的方法，还包括改变所述切削元件的伸出和缩回的深度，以调节由第一圆弧和第二圆弧占据的半径。

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