JP2005036388A - 岩石強度及びビット摩耗状態のリアルタイム評価方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、岩石強度の評価を、１組のデータから求めることができるようにし、現場に適用することが容易な岩石強度及びビット摩耗状態の評価方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明による岩石強度のリアルタイム評価方法は、ローラコーンビットを用いて坑井を掘削する際の坑底の岩石強度評価方法において、掘削現場において計測されるデータに基づき、次の式により求められる岩石の掘削強度Ｄｓ′から坑底の岩石強度をリアルタイムで評価することを特徴とする。
【数２】
ただし、Ｔはトルク［ｋＮ・ｍ］、ｄはビット直径［ｍ］、Ｆはビット荷重［ｋＮ］、ｕは掘進率［ｍ／ｍｉｎ］、Ｎはビット回転数［ｒｐｍ］、である。
【選択図】 図 １６
【解決手段】本発明による岩石強度のリアルタイム評価方法は、ローラコーンビットを用いて坑井を掘削する際の坑底の岩石強度評価方法において、掘削現場において計測されるデータに基づき、次の式により求められる岩石の掘削強度Ｄｓ′から坑底の岩石強度をリアルタイムで評価することを特徴とする。
【数２】
ただし、Ｔはトルク［ｋＮ・ｍ］、ｄはビット直径［ｍ］、Ｆはビット荷重［ｋＮ］、ｕは掘進率［ｍ／ｍｉｎ］、Ｎはビット回転数［ｒｐｍ］、である。
【選択図】 図 １６
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ローラコーンビットを用いて坑井を掘削する際の坑底の岩石強度及びビットの刃先摩耗状態を評価する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
坑井の掘削中に坑底における岩石強度やビットの刃先摩耗状態をリアルタイムで知ることは、坑井の掘削を的確に制御する上で極めて重要なことである。的確に制御された坑井掘削は、掘削の能率向上や坑内のトラブル防止を図れるため、掘削コストの低減にも寄与するものである。
そこで、坑底の岩石強度やビットの刃先摩耗状態の評価方法を開発するため、本発明者らは刃先摩耗状態の異なるミルドツースビット（Ｔ０，Ｔ４，Ｔ７）及びインサートローラコーンビット（Ｔ０，Ｔ２，Ｔ４）を用いて各種岩石に対して掘削実験を実施した。実験から得られたデータを基にｕ／Ｎ−Ｆ／ｄ及びｕ／Ｎ−８Ｔ／ｄ２プロットを作成してビット荷重の第１次作用線とトルクの第１次作用線を求め、これらのデータに基づいて岩石強度や刃先摩耗状態を評価する方法を提案した（非特許文献１及び非特許文献２参照）。ここで、ｕは掘進率、Ｎはビット回転数、Ｆはビット荷重、ｄはビット直径、Ｔはトルクである。
【０００３】
【非特許文献１】
社団法人資源・素材学会「資源と素材」１９９６、９、ＶＯＬ．１１２、Ｐ６２３−６３０
【非特許文献２】
社団法人資源・素材学会「資源と素材」１９９６、１０、ＶＯＬ．１１２、Ｐ６８８−６９４
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の両評価方法はｕ／Ｎ、Ｆ／ｄ、８Ｔ／ｄ２から構成される１組のデータを複数個（５〜１０程度）計測してビット荷重及びトルクの第１次作用線を求める必要があるため簡潔な評価方法とは言えず、掘削現場への適用が必ずしも容易なものではなかった。
【０００５】
以上のような背景から、現場への適用ができるだけ容易な岩石強度と刃先摩耗状態の評価方法を開発することを目的に、上記実験から得られたミルドツースビットのデータを再解析するとともに、これらツースビットと直径やタイプの異なる種々のローラコーンビット（Ｔ０）による岩石の掘削実験から得られたデータについても同様の解析を行った結果、刃先摩耗状態の影響の小さい岩石強度を表す簡便な新しいパラメータを見いだすことができた。
【０００６】
本発明は、現場に適用することが容易な岩石強度及びビット摩耗状態の評価方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の岩石強度のリアルタイム評価方法は、ローラコーンビットを用いて坑井を掘削する際の坑底の岩石強度評価方法において、掘削現場において計測されるデータに基づき、次の式により求められる岩石の掘削強度Ｄｓ′から坑底の岩石強度をリアルタイムで評価することを特徴とする。
【数２】
ただし、Ｔはトルク［ｋＮ・ｍ］、ｄはビット直径［ｍ］、Ｆはビット荷重［ｋＮ］、ｕは掘進率［ｍ／ｍｉｎ］、Ｎはビット回転数［ｒｐｍ］、である。
また、本発明のビット摩耗状態のリアルタイム評価方法は、ローラコーンビットを用いて坑井を掘削する際のビットの刃先摩耗状態評価方法において、掘削される岩石が中硬〜硬岩の場合、掘削現場において計測されるデータに基づき、次の式により求められる無次元有効トルクＴｅｄからビットの刃先摩耗状態をリアルタイムで評価することを特徴とする。
【数８】
ただし、ａＦはビット荷重の第１次作用線の傾き［ｍ２／ｋＮ］、ａＴはトルクの第１次作用線の傾き［ｍ２／ｋＮ］、ａＦＴはビット荷重・トルクの第１次作用線の傾き、Ｔｅは有効トルク［ｋＮ・ｍ］、ｄはビット直径［ｍ］、Ｆｅは有効荷重［ｋＮ］、である。
また、本発明のビット摩耗状態のリアルタイム評価方法は、ローラコーンビットを用いて坑井を掘削する際のビットの刃先摩耗状態評価方法において、掘削される岩石が軟岩の場合、掘削現場において計測されるデータに基づき、単位ビット径当たりのしきい荷重Ｆｃ／ｄ［ｋＮ／ｍ］からビットの刃先摩耗状態をリアルタイムで評価することを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を実験に基づき説明する。
〔実験用機材及び方法〕
図１に、本発明において解析を行うデータを得るために用いたローラコーンビットを示す。図の前列右側の３つは、直径が３−７／８ｉｎ．（９８．４３ｍｍ）のミルドツースビットであり、右側から順に刃先高さが７／８摩耗（Ｔ７）、４／８摩耗（Ｔ４）、新品（Ｔ０）のものである。また、前列左端は、直径が７−７／８ｉｎ．のコニカルインサートビットである。後列は、右側から順に、５−５／８ｉｎ．のツースビット、５ｉｎ．のインサートビット、５−７／８ｉｎ．のインサートビット、７−７／８ｉｎ．のチゼルインサートビットであり、刃先はすべて新品（Ｔ０）である。
【表１】
表１は、各ビットによる掘削実験に用いた岩石の機械的性質である。なお、三城目安山岩などの岩石については複数個の岩石ブロック（５０×５０×８０ｃｍ）を実験に用いたため、記号を付けて区別してある。また、表には各ビットのＩＡＤＣコードも記載した。
掘削実験方法は、以下のとおりである。
直径が３−７／８ｉｎ．の各ビットを用いた掘削実験は、大谷凝灰岩、来待砂岩、三城目安山岩（Ａ）及び新小松安山岩に対して行った。実験の際は、ビット回転数を５０ｒｐｍ一定とし、ビット荷重をいろいろ変えた。また、岩石の掘削特性に及ぼすビット回転数の影響を調べるため、大谷凝灰岩を除く各岩石に対しては、ビット回転数が１００ｒｐｍについても５０ｒｐｍの場合と同様の実験を行った。実験に用いた掘削流体は清水で、流量は０．１１ｍ３／ｍｉｎ一定とした。各ビットの主な実験条件（ビット荷重、回転数、掘削流体流量）を表２にまとめて示す。
【表２】
【０００９】
〔岩石強度の評価方法〕
前記した非特許文献１及び非特許文献２では、刃先摩耗状態の影響の小さい岩石強度を表すパラメータとして、岩石の掘削強度Ｄｓ（ＭＰａ）を提案した。すなわち、
【数１】
ここで、ａＦはビット荷重の第１次作用線の傾き、ａＴはトルクの第１次作用線の傾き、Ｔｅは有効トルク、ｄはビット直径、Ｆｅは有効荷重、ｕは掘進率、Ｎはビット回転数、８Ｔｅ／ｄ２は単位ビット断面積当たり・ビット１回転当たりの回転方向の有効エネルギー、Ｆｅ／ｄは単位ビット径当たりの有効荷重である。
岩石の掘削強度Ｄｓより簡便な岩石強度を表すパラメータを検討するため、先ず、（１）式中の有効トルクＴｅと有効荷重ＦｅをそれぞれトルクＴとビット荷重Ｆに置き換えて、３−７／８ｉｎ．ミルドツースビット（Ｔ０，Ｔ４、Ｔ７）のすべての実験データを整理した。この際、ビットの張付きなどの影響を受けたデータは除外した。その結果、下式で与えられる岩石の掘削強度Ｄｓ′（ＭＰａ）は、刃先摩耗状態の影響の小さい岩石強度を表すパラメータであることがわかった。
【数２】
ただし、一般に第２次作用線に属するデータを含めるとＤｓ′のばらつきが大きくなることが明らかとなった。そこで、本発明では実用的に重要な第１次作用線に属するデータのみを取り扱うことにした。
【００１０】
Ｔ０、Ｔ４、Ｔ７ビットにより大谷凝灰岩、来待砂岩、三城目安山岩（Ａ）及び新小松安山岩をビット回転数が５０ｒｐｍで掘削したときの単位ビット径当たり・ビット１回転当たりの掘削方向のエネルギー（１０００Ｆｕ／Ｎｄ）と、単位ビット断面積当たり・ビット１回転当たりの回転方向のエネルギーの２乗（８Ｔ／ｄ２）２との関係を図２に示す。上記のように、本図にプロットされたデータはすべて第１次作用線に属するものである。図から明らかなように、いずれの岩石においても両者の関係に及ぼす刃先摩耗状態の影響は小さい。図中に示した直線は、それぞれの岩石についてＴ０、Ｔ４、Ｔ７ビットのデータを用いて原点を通る最小２乗法で近似したものである。・図には各岩石の直線の傾き、すなわちＤｓ′の値を記載してある。Ｄｓ′の値は、各岩石の一軸圧縮強度の増加に従って増加する傾向を示す。
【００１１】
前記のように、非特許文献１及び非特許文献２で提案した岩石の掘削強度Ｄｓ はｕ／Ｎ−Ｆ／ｄ及びｕ／Ｎ−８Ｔ／ｄ２プロットにおいてビット荷重とトルクの第１次作用線の傾きａＦ、ａＴ あるいはＦｅ／ｄ（＝（Ｆ−Ｆｃ）／ｄ）及び８Ｔｅ／ｄ２（＝８（Ｔ−Ｔｃ）／ｄ２）を求める必要があるため、簡便な評価方法とは言えない（ＦｃとＴｃはそれぞれしきい荷重としきいトルクである）。
一方、本発明における岩石の掘削強度Ｄｓ′は、第１次作用線に属するｕ／Ｎ、Ｆ／ｄ、８Ｔ／ｄ２からなる１組のデータによって求まるので簡便な推定方法である。後述のように、本発明ではＦ／ｄが約１００〜３００ｋＮ／ｍ以上のデータを使用することによって第１次作用線に属するものを選ぶことができる。
【００１２】
Ｔ０、Ｔ４、Ｔ７ビットにより来待砂岩、三城目安山岩（Ａ）及び新小松安山岩をビット回転数１００ｒｐｍで掘削したときの１０００Ｆｕ／Ｎｄと（８Ｔ／ｄ２）２との関係を図３に示す。図２の場合と同様に、図中の直線は原点を通る最小２乗法により求めた（以後に示す１０００Ｆｕ／Ｎｄと（８Ｔ／ｄ２）２との関係における直線は、すべて原点を通る最小２乗法により求めた）。三城目安山岩（Ａ）の場合はデータのばらつきが大きいものの、来待砂岩や新小松安山岩では図２の場合と同様に良い相関を示す。
【００１３】
図４は、５−５／８ｉｎ．ツースビットを用いて三城目安山岩（Ｂ）を、また、５ｉｎ．及び５−５／８ｉｎ．インサートビットを用いて沢入花崗岩（Ａ）を掘削したときの１０００Ｆｕ／Ｎｄと（８Ｔ／ｄ２）２との関係である。黒三角印で示した三城目安山岩（Ｂ）のデータは、ベアリング内の摩擦抵抗の増加の影響を受けたものであるため直線近似から除外した。
【００１４】
直径が７−７／８ｉｎ．のインサートビット（コニカル及びチゼル）により三城目安山岩、沢入花崗岩、稲井泥岩及び本小松安山岩を掘削したときの１０００Ｆｕ／Ｎｄと（８Ｔ／ｄ２）２との関係を、それぞれ図５と図６に示す。図４〜６より、ビットのタイプや直径が異なっても第１次作用線に属する１０００Ｆｕ／Ｎｄと（８Ｔ／ｄ２）２との間には良い比例関係が成立していることがわかる。
【００１５】
以上の結果より、岩石の掘削強度Ｄｓ′は刃先摩耗状態の影響の小さい岩石強度を表すパラメータであるとともに、１０００Ｆｕ／Ｎｄと（８Ｔ／ｄ２）２との間には良い比例関係が成り立つことが明らかとなった。
【００１６】
〔岩石の掘削強度Ｄｓ′の特徴〕
ローラコーンビットを用いて岩石を掘削したときの“岩石強度”を表すパラメータとして従来から用いられてきたものに、“岩石の貫入強度”と“比エネルギー”がある。岩石の貫入強度Ｉｓ′（ＭＰａ）と比エネルギーＳｅ′（ＭＰａ）は、それぞれ次式で与えられる。
【数３】
【数４】
なお、前記した非特許文献１及び非特許文献２において提案した有効回転エネルギーから計算した比エネルギーＳｅ（ＭＰａ）と岩石の貫入強度Ｉｓ（ＭＰａ）は、それぞれ次式で与えられる。
【数５】
【数６】
（２）〜（４）式から、Ｄｓ’、Ｉｓ’及びＳｅ’の関係は次式で与えられる。
【数７】
【００１７】
岩石の掘削強度を表す新しいパラメータＤｓ′の特徴を明らかにするため、第１次作用線に属するＤｓ′、Ｉｓ′、Ｓｅ′について、ビットごとに平均値とデータのばらつきの程度を調べた（表３参照）。
【表３】
ばらつきの程度は、最小値／平均値、最大値／平均値から求めた。表３中、ばらつきの最も小さいパラメータはイタリック体で示してある。表３からわかるように、３−７／８ｉｎ．ツースビット（Ｔ０，Ｔ４，Ｔ７）の５０ｒｐｍの場合、Ｉｓ′、Ｄｓ′、Ｓｅ′の順にばらつきが小さくなっている。
また、Ｄｓ′はＩｓ′やＳｅ′に比べて刃先摩耗状態の影響が小さいこともわかる。１００ｒｐｍの場合も５０ｒｐｍと同様な傾向を示した。一方、表３の７−７／８ｉｎ．インサートビット（チゼル）からわかるように、５−５／８ｉｎ．ツースビット、５ｉｎ．及び５−５／８ｉｎ．インサートビット、７−７／８ｉｎ．インサートビット（コニカル、チゼル）のいずれにおいても、Ｄｓ′のばらつきが最も小さかった。
以上から、少なくとも本実験結果の範囲内では、岩石の掘削強度Ｄｓ′は岩石の貫入強度Ｉｓ′及び比エネルギーＳｅ′に比べて刃先摩耗状態の影響が最も小さく、また、一部を除いてデータのばらつきも最も小さいことが明らかとなった。
【００１８】
〔刃先摩耗状態の評価方法〕
（１）無次元有効トルクＴｅｄによる方法
前記した非特許文献２において、刃先摩耗状態の推定方法として無次元有効トルクＴｅｄを提案した。すなわち、
【数８】
刃先摩耗状態の異なる３−７／８ｉｎ．ツースビット及び４ｉｎ．インサートビットとも、一般にＴｅｄに及ぼす岩石強度の影響は小さく、また、刃先摩耗の進展につれてＴｅｄが減少することが明らかとなった。
図７−１、７−２、７−３は、それぞれビット回転数が５０ｒｐｍのときのＴ０、Ｔ４、Ｔ７ビットのＦ／ｄと８Ｔ／ｄ２との関係である。各図の比較から、三城目安山岩（Ａ）と新小松安山岩の場合、いずれのビットにおいてもａＦＴはほぼ同じ値であり、また、刃先摩耗の進展につれてａＦＴが減少することがわかる。しかし、Ｔ０やＴ４ビットで大谷凝灰岩や来待砂岩を掘削したときはａＦＴの変化は小さい。Ｔ７ビットの場合、来待砂岩、三城目安山岩（Ａ）及び新小松安山岩のａＦＴはほとんど変わらず、大谷凝灰岩のａＦＴが他の岩石に比べてやや大きい。ビット回転数が１００ｒｐｍの場合も同様の傾向が得られた。大谷凝灰岩や来待砂岩のような軟岩を掘削する際は、特にＴ０やＴ４ビットの刃先摩耗状態をａＦＴで評価することは困難であることがわかる。このような軟岩の掘削における刃先摩耗状態の評価方法については後述する。
【００１９】
図８は、５−５／８ｉｎ．ツースビット（三城目安山岩（Ｂ））、５ｉｎ．及び５−５／８ｉｎ．インサートビット（沢入花崗岩（Ａ））のＦ／ｄと８Ｔ／ｄ２との関係である。三城目安山岩（Ｂ）の黒三角印のデータを除いてビット荷重・トルクの第１次作用線は良い直線相関を示すことが明らかである。
【００２０】
７−７／８ｉｎ．インサートビット（コニカル、チゼル）のＦ／ｄと８Ｔ／ｄ２との関係をそれぞれ図９と図１０に示す。コニカルビットの場合は、本小松安山岩（Ａ）及び三城目安山岩（Ｃ）のａＦＴと、沢入花崗岩（Ｂ）及び稲井泥岩（Ａ）のａＦＴに多少の差がある。しかし、チゼルビットの場合はいずれの岩石においてもａＦＴの値はほぼ同じである。また、コニカル及びチゼルビットとも、ビット荷重・トルクの第１次作用線の傾きａＦＴは他のビットと同様に非常に良い直線関係を示す。前記のように、図７〜１０から、ビット荷重の第１次作用線及びトルクの第１次作用線に対応するビット荷重・トルクの第１次作用線に属するデータを選ぶには、Ｆ／ｄが約１００〜３００ｋＮ／ｍ以上のもので良いことがわかる。
【００２１】
以上のように、一部のデータを除いてａＦＴに及ぼす岩石強度の影響は小さいことと、第１次作用線の範囲内ではＦ／ｄと８Ｆ／ｄ２との間には非常に良い直線関係が成立していることがわかった。そこで、以下にａＦＴ、すなわち無次元有効トルクＴｅｄを用いて刃先摩耗状態を評価する方法について具体例を用いて説明する。
【００２２】
図１１に、ビット回転数が５０ｒｐｍで３−７／８ｉｎ．ツースビット（Ｔ０，Ｔ４，Ｔ７）を用いて三城目安山岩（Ａ）と新小松安山岩を掘削したときの無次元有効トルクＴｅｄと刃先高さの減少割合ＴＷとの関係を示す。図中の直線はすべてのデータを近似して求めた。図から、刃先摩耗の進展につれてＴｅｄは傾きが−０．２８１の直線で減少していることがわかる。
【００２３】
図１２は、チゼルビット（Ｔ０）について、すべての岩石のビット荷重・トルクの第１次作用線の傾きａＦＴ（Ｔｅｄ）が、刃先摩耗の進展に従って傾き−０．２８１の直線で減少すると仮定して求めたものである。当然のことながら、チゼルビットの摩耗が進展したときのａＦＴ（Ｔｅｄ）の変化状況は、実際には図に示したように減少するかどうかは不明である。各種ローラコーンビットの刃先摩耗状態の評価には、現場や室内データを蓄積して刃先摩耗状態とＴｅｄの変化状況との関係を把握する必要がある。
【００２４】
次に、現場においてａＦＴ（Ｔｅｄ）を求める具体的な方法を説明する。前記の図６において、チゼルビットで三城目安山岩（Ｄ）を掘削しており、あるときの１０００Ｆｕ／Ｎｄと（８Ｔ／ｄ２）２がχ１、ｙ１で、ビット荷重が変化して両者がχ２、ｙ２に変わったと仮定する。このとき、同じ岩石を掘削していれば、原点（０，０）、（χ１，ｙ１、）、（χ２，ｙ２）はほぼ同一の直線上にプロットされるので、掘削している岩石強度が変化したかどうかがわかる。岩石強度が変化していない場合、前記のチゼルビットの三城目安山岩（Ｄ）の８Ｔ／ｄ２ −Ｆ／ｄプロット（図１０）上で、座標（χ１′，ｙ１′）、（χ２′，ｙ２′）がわかる。すなわち、両座標から直線の傾きａＦＴ は（ｙ２′−ｙ１′）／（χ２′−χ １′）で求まり、本例の場合はａＦＴ＝０．５２０となる。この値は、第１次作用線に属するデータすべてを用いた近似直線の傾きａＦＴ（０．５２０）と同じ値である。現場においては、多くのＤｓ′やａＦＴ（Ｔｅｄ）の値が求まると予想される。また、ビット交換の際は刃先摩耗状態も把握できる。これらの情報や掘屑の分析結果などを蓄積することによって、正確な刃先摩耗状態の評価が可能になる。
前記のように、非特許文献１及び非特許文献２によれば、大谷凝灰岩や来待砂岩のような軟岩では刃先摩耗状態の進展に伴うビット荷重やトルクの第１次作用線の傾きａＦ、ａＴの変化は小さいものの、三城目安山岩、新小松安山岩及び沢入花崗岩のような中硬〜硬岩ではａＦ及びａＴが減少し、軟岩と中硬〜硬岩では傾向の相違が認められた。したがって、軟岩を除く岩石では、Ｔｅｄによって刃先摩耗状態を評価できる。
【００２５】
（２）単位ビット径当たりのしきい荷重Ｆｃ／ｄによる方法
前述のように、大谷凝灰岩や来待砂岩のような軟岩の場合、Ｔ０、Ｔ４、Ｔ７ビットのａＦＴ（Ｔｅｄ）の変化が小さいことがわかった。そこで、本方法ではｕ／Ｎ−Ｆ／ｄプロットの第１次作用線から求まる単位ビット径当たりのしきい荷重Ｆｃ／ｄを用いて刃先摩耗状態を評価する。
【００２６】
図１３に、Ｔ０、Ｔ４、Ｔ７ビットにより大谷凝灰岩を５０ｒｐｍで掘削したときのＦ／ｄとｕ／Ｎとの関係を示す。図中、黒丸、黒四角印で示したデータは第２次作用線に、また、他のデータは第１次作用線に属するデータである。図中の実線は第１次作用線に属するデータを直線近似して求めた。破線（Ｔ４、Ｔ７ビット）は、直線の傾きがＴ０ビット（ａＦ＝２．９８ｘ１０−５）と同じで、矢印で示したデータポイントを通る直線である。図から明らかなように、Ｔ４、Ｔ７ビットの破線と実線のＦｃ／ｄには大差がなく、大谷凝灰岩では刃先が摩耗したビットのビット荷重の第１次作用線の傾きａＦは、新品ビットのａＦと同じとして差し支えないことがわかる。すなわち、大谷凝灰岩のような軟質な岩石では、例えば新品ビットのａＦを予め知ることによって、摩耗したビットの１組のデータ（Ｆ／ｄ，ｕ／Ｎ）がわかれば、刃先摩耗状態を推定できることがわかる。来待砂岩砂岩の５０ｒｐｍ、１００ｒｐｍのデータも、大谷凝灰岩の場合と同様な傾向を示した。
なお、〔００２４〕に記述した方法と同様に、例えばＴ０ビットのビット荷重の第１次作用線の傾き（ａＦ）は、図１３に示した２組のデータ（（ａ１′，ｂ１′）と（ａ２′，ｂ２′））から簡単に求めることもできる。これら２組のデータは、図２に示したデータ（ａ１，ｂ１）と（ａ２，ｂ２）にそれぞれ対応している。
【００２７】
Ｆｃ／ｄの場合と同様に、単位ビット断面積当たり・ビット１回転当たりの回転方向のしきいエネルギー８Ｔｃ／ｄ２と刃先摩耗状態との関係を調べてみた。大谷凝灰岩の場合は、刃先摩耗状態の進展に伴う８Ｔｃ／ｄ２の増加割合がＦｃ／ｄに比べて小さく、また、選択するデータポイントによって８Ｔｃ／ｄ２のばらつきが大きく、８Ｔｃ／ｄ２を用いた刃先摩耗状態の評価は困難であることがわかった。来待砂岩の場合も大谷凝灰岩の場合と同様に、刃先摩耗状態の進展に伴う８Ｔｃ／ｄ２の増加割合が小さいものの、刃先摩耗状態がＴ０あるいはＴ４からＴ７へ変化したときは、８Ｔｃ／ｄ２が増加することが明らかとなった（図１４）。
【００２８】
図１５に、大谷凝灰岩と来待砂岩のＴＷとＦｃ／ｄとの関係を示す。図中のエラーバーは矢印で示したデータポイント（図１３）が変わったときのＦｃ／ｄの変化状況を示す。いずれのＦｃ／ｄも図１３と同様な方法で求めた。無次元有効トルクＴｅｄの場合と同様に、現場あるいは室内において軟岩を種々のビットで掘削したときのＦｃ／ｄと刃先摩耗状態の関係を把握することにより、正確な刃先摩耗状態の評価が可能になる。また、軟質岩の場合にはＦｃ／ｄのみならずＴｅｄや８Ｔｃ／ｄ２も含めた総合的な評価を行い、種々の情報を蓄積していくことも正確な刃先摩耗状態の評価に重要である。
【００２９】
〔考察〕
上記したように、本発明では、現場に適用することができるだけ容易な評価方法を開発するため、非特許文献１において報告した刃先摩耗状態の異なる直径が３−７／８ｉｎ．のミルドツースビット（Ｔ０，Ｔ４，Ｔ７）のデータの再解析を行い、刃先摩耗状態の影響の小さい簡便な岩石強度の評価方法として（２）式で表される岩石の掘削強度Ｄｓ′を案出した。Ｄｓ′の適用範囲は、データのばらつきの小さい第１次作用線である。Ｄｓ′はｕ／Ｎ、Ｆ／ｄ、８Ｔ／ｄ２から構成される１組のデータから求まるため、現場において容易に適用できる岩石強度の評価方法と言える。
また、刃先摩耗状態の評価方法として、中硬〜硬岩では無次元有効トルクＴｅｄ、軟岩ではＦｃ／ｄを案出した。岩石の掘削強度Ｄｓ′が１組のデータ（ｕ／Ｎ、Ｆ／ｄ、８Ｔ／ｄ２）から求まることが明らかとなったため、本発明で提案したＴｅｄは２組のデータから求めることができ、非特許文献１及び非特許文献２で報告したＴｅｄと比べて簡便な評価方法となった。また、軟岩を掘削したとき、ｕ／Ｎ−Ｆ／ｄプロットにおいてビット荷重の第１次作用線の傾きは、刃先摩耗状態にかかわらず同じ値で近似できることがわかった。このため、刃先摩耗状態が一定のときのビット荷重の第１次作用線の傾きを求めておけば、１組のデータ（ｕ／Ｎ、Ｆ／ｄ）でＦｃ／ｄを計算でき、Ｆｃ／ｄからビットの刃先摩耗状態を評価できる。ただし、刃先摩耗状態とＴｅｄやＦｃ／ｄとの関係はビット種類や岩石強度の影響を受けるため、刃先摩耗状態の推定には現場や室内において両者の関係を表すデータを十分に蓄積する必要がある。
本発明では上記ツースビット以外に、タイプや直径の異なる数種類の新品のツースビットやインサートビットの実験結果について同様の解析を行った結果、岩石の掘削強度Ｄｓ′や無次元有効トルクＴｅｄの妥当性が確認された。
【００３０】
〔評価システム〕
図１６は、本発明の岩石強度及びビット摩耗状態のリアルタイム評価を行うための評価システムを示す概略図である。
掘削リグを用いた掘削現場において、ビット荷重Ｆ、トルクＴ、掘進率ｕ及びビット回転数Ｎを計測し、これら計測データと既知のデータであるビット直径ｄのデータをコンピュータに入力する。
岩石強度の評価は、本発明の岩石強度の評価方法、すなわち、データポイント１点のＴ、ｄ、Ｆ、ｕ、Ｎを上記の（２）式に入力することにより岩石強度Ｄｓ′が演算され、評価結果がコンピュータ画面に表示される。
一方、刃先摩耗状態を評価するには、軟岩を除く中硬〜硬岩の場合、岩石強度が同じ（同一岩石）Ｄｓ′の値２点に対応するＦ／ｄ−８Ｔ／ｄ２プロット中の２点の値から、無次元有効トルクＴｅｄが演算され、評価結果がコンピュータ画面に表示される。無次元有効トルクＴｅｄが減少すると刃先摩耗が進展していると判断する。。また、軟岩の場合、刃先摩耗状態が一定のときのビット荷重の第１次作用線の傾きを求めておき（既知）、この傾きとｕ／Ｎ−Ｆ／ｄプロット中の１点の値から単位ビット径当たりのしきい荷重Ｆｃ／ｄが演算され、ビットの刃先摩耗状態が評価される。単位ビット径当たりのしきい荷重Ｆｃ／ｄが大きくなると、刃先摩耗が進展していると判断する。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）岩石強度の評価が、１組のデータから求めることができるため、現場において容易に適用できる岩石強度の評価方法を提供できる。
（２）刃先摩耗状態の評価が、中硬〜硬岩においては２組のデータから、また、軟岩においては１組のデータから求めることができるため、従来のものと比べて簡便な刃先摩耗状態の評価方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】解析を行うデータを得るために用いたローラコーンビットを示す図である。
【図２】Ｔ０、Ｔ４、Ｔ７ビットにより大谷凝灰岩、来待砂岩、三城目安山岩（Ａ）及び新小松安山岩をビット回転数が５０ｒｐｍで掘削したときの単位ビット径当たり・ビット１回転当たりの掘削方向のエネルギー（１０００Ｆｕ／Ｎｄ）と、単位ビット断面積当たり・ビット１回転当たりの回転方向のエネルギーの２乗（８Ｔ／ｄ２）２との関係を示す図である。
【図３】Ｔ０、Ｔ４、Ｔ７ビットにより来待砂岩、三城目安山岩（Ａ）及び新小松安山岩をビット回転数１００ｒｐｍで掘削したときの１０００Ｆｕ／Ｎｄと（８Ｔ／ｄ２）２との関係を示す図である。
【図４】５−５／８ｉｎ．ツースビットを用いて三城目安山岩（Ｂ）を、また、５ｉｎ．及び５−５／８ｉｎ．インサートビットを用いて沢入花崗岩（Ａ）を掘削したときの１０００Ｆｕ／Ｎｄと（８Ｔ／ｄ２）２との関係を示す図である。
【図５】直径が７−７／８ｉｎ．のコニカルインサートビットにより三城目安山岩、沢入花崗岩、稲井泥岩及び本小松安山岩を掘削したときの１０００Ｆｕ／Ｎｄと（８Ｔ／ｄ２）２との関係を示す図である。
【図６】直径が７−７／８ｉｎ．のチゼルインサートビットにより三城目安山岩、沢入花崗岩、稲井泥岩及び本小松安山岩を掘削したときの１０００Ｆｕ／Ｎｄと（８Ｔ／ｄ２）２との関係を示す図である。
【図７−１】ビット回転数が５０ｒｐｍのときのＴ０ビットのＦ／ｄと８Ｔ／ｄ２との関係を示す図である。
【図７−２】ビット回転数が５０ｒｐｍのときのＴ４ビットのＦ／ｄと８Ｔ／ｄ２との関係を示す図である。
【図７−３】ビット回転数が５０ｒｐｍのときのＴ７ビットのＦ／ｄと８Ｔ／ｄ２との関係を示す図である。
【図８】５−５／８ｉｎ．ツースビット（三城目安山岩（Ｂ））、５ｉｎ．及び５−５／８ｉｎ．インサートビット（沢入花崗岩（Ａ））のＦ／ｄと８Ｔ／ｄ２との関係を示す図である。
【図９】７−７／８ｉｎ．コニカルインサートビットのＦ／ｄと８Ｔ／ｄ２との関係を示す図である。
【図１０】７−７／８ｉｎ．チゼルインサートビットのＦ／ｄと８Ｔ／ｄ２との関係を示す図である。
【図１１】ビット回転数が５０ｒｐｍで３−７／８ｉｎ．ツースビット（Ｔ０，Ｔ４，Ｔ７）を用いて三城目安山岩（Ａ）と新小松安山岩を掘削したときの無次元有効トルクＴｅｄと刃先高さの減少割合ＴＷとの関係を示す図である。
【図１２】７−７／８ｉｎ．チゼルインサートビット（Ｔ０）について、すべての岩石のビット荷重・トルクの第１次作用線の傾きａＦＴ（Ｔｅｄ）が、刃先摩耗の進展に従って傾き−０．２８１の直線で減少すると仮定して求めたときの無次元有効トルクＴｅｄと刃先高さの減少割合ＴＷとの関係を示す図である。
【図１３】Ｔ０、Ｔ４、Ｔ７ビットにより大谷凝灰岩を５０ｒｐｍで掘削したときのＦ／ｄとｕ／Ｎとの関係を示す図である。
【図１４】ビット回転数が５０ｒｐｍで３−７／８ｉｎ．ツースビット（Ｔ０，Ｔ４，Ｔ７）を用いて来待砂岩を掘削したときのｕ／Ｎと８Ｔ／ｄ２との関係を示す図である。
【図１５】大谷凝灰岩と来待砂岩のＴＷとＦｃ／ｄとの関係を示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態における岩石強度及びビット摩耗状態のリアルタイム評価を行うための評価システムを示す概略図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ローラコーンビットを用いて坑井を掘削する際の坑底の岩石強度及びビットの刃先摩耗状態を評価する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
坑井の掘削中に坑底における岩石強度やビットの刃先摩耗状態をリアルタイムで知ることは、坑井の掘削を的確に制御する上で極めて重要なことである。的確に制御された坑井掘削は、掘削の能率向上や坑内のトラブル防止を図れるため、掘削コストの低減にも寄与するものである。
そこで、坑底の岩石強度やビットの刃先摩耗状態の評価方法を開発するため、本発明者らは刃先摩耗状態の異なるミルドツースビット（Ｔ０，Ｔ４，Ｔ７）及びインサートローラコーンビット（Ｔ０，Ｔ２，Ｔ４）を用いて各種岩石に対して掘削実験を実施した。実験から得られたデータを基にｕ／Ｎ−Ｆ／ｄ及びｕ／Ｎ−８Ｔ／ｄ２プロットを作成してビット荷重の第１次作用線とトルクの第１次作用線を求め、これらのデータに基づいて岩石強度や刃先摩耗状態を評価する方法を提案した（非特許文献１及び非特許文献２参照）。ここで、ｕは掘進率、Ｎはビット回転数、Ｆはビット荷重、ｄはビット直径、Ｔはトルクである。
【０００３】
【非特許文献１】
社団法人資源・素材学会「資源と素材」１９９６、９、ＶＯＬ．１１２、Ｐ６２３−６３０
【非特許文献２】
社団法人資源・素材学会「資源と素材」１９９６、１０、ＶＯＬ．１１２、Ｐ６８８−６９４
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の両評価方法はｕ／Ｎ、Ｆ／ｄ、８Ｔ／ｄ２から構成される１組のデータを複数個（５〜１０程度）計測してビット荷重及びトルクの第１次作用線を求める必要があるため簡潔な評価方法とは言えず、掘削現場への適用が必ずしも容易なものではなかった。
【０００５】
以上のような背景から、現場への適用ができるだけ容易な岩石強度と刃先摩耗状態の評価方法を開発することを目的に、上記実験から得られたミルドツースビットのデータを再解析するとともに、これらツースビットと直径やタイプの異なる種々のローラコーンビット（Ｔ０）による岩石の掘削実験から得られたデータについても同様の解析を行った結果、刃先摩耗状態の影響の小さい岩石強度を表す簡便な新しいパラメータを見いだすことができた。
【０００６】
本発明は、現場に適用することが容易な岩石強度及びビット摩耗状態の評価方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の岩石強度のリアルタイム評価方法は、ローラコーンビットを用いて坑井を掘削する際の坑底の岩石強度評価方法において、掘削現場において計測されるデータに基づき、次の式により求められる岩石の掘削強度Ｄｓ′から坑底の岩石強度をリアルタイムで評価することを特徴とする。
【数２】
また、本発明のビット摩耗状態のリアルタイム評価方法は、ローラコーンビットを用いて坑井を掘削する際のビットの刃先摩耗状態評価方法において、掘削される岩石が中硬〜硬岩の場合、掘削現場において計測されるデータに基づき、次の式により求められる無次元有効トルクＴｅｄからビットの刃先摩耗状態をリアルタイムで評価することを特徴とする。
【数８】
また、本発明のビット摩耗状態のリアルタイム評価方法は、ローラコーンビットを用いて坑井を掘削する際のビットの刃先摩耗状態評価方法において、掘削される岩石が軟岩の場合、掘削現場において計測されるデータに基づき、単位ビット径当たりのしきい荷重Ｆｃ／ｄ［ｋＮ／ｍ］からビットの刃先摩耗状態をリアルタイムで評価することを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を実験に基づき説明する。
〔実験用機材及び方法〕
図１に、本発明において解析を行うデータを得るために用いたローラコーンビットを示す。図の前列右側の３つは、直径が３−７／８ｉｎ．（９８．４３ｍｍ）のミルドツースビットであり、右側から順に刃先高さが７／８摩耗（Ｔ７）、４／８摩耗（Ｔ４）、新品（Ｔ０）のものである。また、前列左端は、直径が７−７／８ｉｎ．のコニカルインサートビットである。後列は、右側から順に、５−５／８ｉｎ．のツースビット、５ｉｎ．のインサートビット、５−７／８ｉｎ．のインサートビット、７−７／８ｉｎ．のチゼルインサートビットであり、刃先はすべて新品（Ｔ０）である。
【表１】
掘削実験方法は、以下のとおりである。
直径が３−７／８ｉｎ．の各ビットを用いた掘削実験は、大谷凝灰岩、来待砂岩、三城目安山岩（Ａ）及び新小松安山岩に対して行った。実験の際は、ビット回転数を５０ｒｐｍ一定とし、ビット荷重をいろいろ変えた。また、岩石の掘削特性に及ぼすビット回転数の影響を調べるため、大谷凝灰岩を除く各岩石に対しては、ビット回転数が１００ｒｐｍについても５０ｒｐｍの場合と同様の実験を行った。実験に用いた掘削流体は清水で、流量は０．１１ｍ３／ｍｉｎ一定とした。各ビットの主な実験条件（ビット荷重、回転数、掘削流体流量）を表２にまとめて示す。
【表２】
〔岩石強度の評価方法〕
前記した非特許文献１及び非特許文献２では、刃先摩耗状態の影響の小さい岩石強度を表すパラメータとして、岩石の掘削強度Ｄｓ（ＭＰａ）を提案した。すなわち、
【数１】
岩石の掘削強度Ｄｓより簡便な岩石強度を表すパラメータを検討するため、先ず、（１）式中の有効トルクＴｅと有効荷重ＦｅをそれぞれトルクＴとビット荷重Ｆに置き換えて、３−７／８ｉｎ．ミルドツースビット（Ｔ０，Ｔ４、Ｔ７）のすべての実験データを整理した。この際、ビットの張付きなどの影響を受けたデータは除外した。その結果、下式で与えられる岩石の掘削強度Ｄｓ′（ＭＰａ）は、刃先摩耗状態の影響の小さい岩石強度を表すパラメータであることがわかった。
【数２】
【００１０】
Ｔ０、Ｔ４、Ｔ７ビットにより大谷凝灰岩、来待砂岩、三城目安山岩（Ａ）及び新小松安山岩をビット回転数が５０ｒｐｍで掘削したときの単位ビット径当たり・ビット１回転当たりの掘削方向のエネルギー（１０００Ｆｕ／Ｎｄ）と、単位ビット断面積当たり・ビット１回転当たりの回転方向のエネルギーの２乗（８Ｔ／ｄ２）２との関係を図２に示す。上記のように、本図にプロットされたデータはすべて第１次作用線に属するものである。図から明らかなように、いずれの岩石においても両者の関係に及ぼす刃先摩耗状態の影響は小さい。図中に示した直線は、それぞれの岩石についてＴ０、Ｔ４、Ｔ７ビットのデータを用いて原点を通る最小２乗法で近似したものである。・図には各岩石の直線の傾き、すなわちＤｓ′の値を記載してある。Ｄｓ′の値は、各岩石の一軸圧縮強度の増加に従って増加する傾向を示す。
【００１１】
前記のように、非特許文献１及び非特許文献２で提案した岩石の掘削強度Ｄｓ はｕ／Ｎ−Ｆ／ｄ及びｕ／Ｎ−８Ｔ／ｄ２プロットにおいてビット荷重とトルクの第１次作用線の傾きａＦ、ａＴ あるいはＦｅ／ｄ（＝（Ｆ−Ｆｃ）／ｄ）及び８Ｔｅ／ｄ２（＝８（Ｔ−Ｔｃ）／ｄ２）を求める必要があるため、簡便な評価方法とは言えない（ＦｃとＴｃはそれぞれしきい荷重としきいトルクである）。
一方、本発明における岩石の掘削強度Ｄｓ′は、第１次作用線に属するｕ／Ｎ、Ｆ／ｄ、８Ｔ／ｄ２からなる１組のデータによって求まるので簡便な推定方法である。後述のように、本発明ではＦ／ｄが約１００〜３００ｋＮ／ｍ以上のデータを使用することによって第１次作用線に属するものを選ぶことができる。
【００１２】
Ｔ０、Ｔ４、Ｔ７ビットにより来待砂岩、三城目安山岩（Ａ）及び新小松安山岩をビット回転数１００ｒｐｍで掘削したときの１０００Ｆｕ／Ｎｄと（８Ｔ／ｄ２）２との関係を図３に示す。図２の場合と同様に、図中の直線は原点を通る最小２乗法により求めた（以後に示す１０００Ｆｕ／Ｎｄと（８Ｔ／ｄ２）２との関係における直線は、すべて原点を通る最小２乗法により求めた）。三城目安山岩（Ａ）の場合はデータのばらつきが大きいものの、来待砂岩や新小松安山岩では図２の場合と同様に良い相関を示す。
【００１３】
図４は、５−５／８ｉｎ．ツースビットを用いて三城目安山岩（Ｂ）を、また、５ｉｎ．及び５−５／８ｉｎ．インサートビットを用いて沢入花崗岩（Ａ）を掘削したときの１０００Ｆｕ／Ｎｄと（８Ｔ／ｄ２）２との関係である。黒三角印で示した三城目安山岩（Ｂ）のデータは、ベアリング内の摩擦抵抗の増加の影響を受けたものであるため直線近似から除外した。
【００１４】
直径が７−７／８ｉｎ．のインサートビット（コニカル及びチゼル）により三城目安山岩、沢入花崗岩、稲井泥岩及び本小松安山岩を掘削したときの１０００Ｆｕ／Ｎｄと（８Ｔ／ｄ２）２との関係を、それぞれ図５と図６に示す。図４〜６より、ビットのタイプや直径が異なっても第１次作用線に属する１０００Ｆｕ／Ｎｄと（８Ｔ／ｄ２）２との間には良い比例関係が成立していることがわかる。
【００１５】
以上の結果より、岩石の掘削強度Ｄｓ′は刃先摩耗状態の影響の小さい岩石強度を表すパラメータであるとともに、１０００Ｆｕ／Ｎｄと（８Ｔ／ｄ２）２との間には良い比例関係が成り立つことが明らかとなった。
【００１６】
〔岩石の掘削強度Ｄｓ′の特徴〕
ローラコーンビットを用いて岩石を掘削したときの“岩石強度”を表すパラメータとして従来から用いられてきたものに、“岩石の貫入強度”と“比エネルギー”がある。岩石の貫入強度Ｉｓ′（ＭＰａ）と比エネルギーＳｅ′（ＭＰａ）は、それぞれ次式で与えられる。
【数３】
【数５】
【数７】
岩石の掘削強度を表す新しいパラメータＤｓ′の特徴を明らかにするため、第１次作用線に属するＤｓ′、Ｉｓ′、Ｓｅ′について、ビットごとに平均値とデータのばらつきの程度を調べた（表３参照）。
【表３】
また、Ｄｓ′はＩｓ′やＳｅ′に比べて刃先摩耗状態の影響が小さいこともわかる。１００ｒｐｍの場合も５０ｒｐｍと同様な傾向を示した。一方、表３の７−７／８ｉｎ．インサートビット（チゼル）からわかるように、５−５／８ｉｎ．ツースビット、５ｉｎ．及び５−５／８ｉｎ．インサートビット、７−７／８ｉｎ．インサートビット（コニカル、チゼル）のいずれにおいても、Ｄｓ′のばらつきが最も小さかった。
以上から、少なくとも本実験結果の範囲内では、岩石の掘削強度Ｄｓ′は岩石の貫入強度Ｉｓ′及び比エネルギーＳｅ′に比べて刃先摩耗状態の影響が最も小さく、また、一部を除いてデータのばらつきも最も小さいことが明らかとなった。
【００１８】
〔刃先摩耗状態の評価方法〕
（１）無次元有効トルクＴｅｄによる方法
前記した非特許文献２において、刃先摩耗状態の推定方法として無次元有効トルクＴｅｄを提案した。すなわち、
【数８】
図７−１、７−２、７−３は、それぞれビット回転数が５０ｒｐｍのときのＴ０、Ｔ４、Ｔ７ビットのＦ／ｄと８Ｔ／ｄ２との関係である。各図の比較から、三城目安山岩（Ａ）と新小松安山岩の場合、いずれのビットにおいてもａＦＴはほぼ同じ値であり、また、刃先摩耗の進展につれてａＦＴが減少することがわかる。しかし、Ｔ０やＴ４ビットで大谷凝灰岩や来待砂岩を掘削したときはａＦＴの変化は小さい。Ｔ７ビットの場合、来待砂岩、三城目安山岩（Ａ）及び新小松安山岩のａＦＴはほとんど変わらず、大谷凝灰岩のａＦＴが他の岩石に比べてやや大きい。ビット回転数が１００ｒｐｍの場合も同様の傾向が得られた。大谷凝灰岩や来待砂岩のような軟岩を掘削する際は、特にＴ０やＴ４ビットの刃先摩耗状態をａＦＴで評価することは困難であることがわかる。このような軟岩の掘削における刃先摩耗状態の評価方法については後述する。
【００１９】
図８は、５−５／８ｉｎ．ツースビット（三城目安山岩（Ｂ））、５ｉｎ．及び５−５／８ｉｎ．インサートビット（沢入花崗岩（Ａ））のＦ／ｄと８Ｔ／ｄ２との関係である。三城目安山岩（Ｂ）の黒三角印のデータを除いてビット荷重・トルクの第１次作用線は良い直線相関を示すことが明らかである。
【００２０】
７−７／８ｉｎ．インサートビット（コニカル、チゼル）のＦ／ｄと８Ｔ／ｄ２との関係をそれぞれ図９と図１０に示す。コニカルビットの場合は、本小松安山岩（Ａ）及び三城目安山岩（Ｃ）のａＦＴと、沢入花崗岩（Ｂ）及び稲井泥岩（Ａ）のａＦＴに多少の差がある。しかし、チゼルビットの場合はいずれの岩石においてもａＦＴの値はほぼ同じである。また、コニカル及びチゼルビットとも、ビット荷重・トルクの第１次作用線の傾きａＦＴは他のビットと同様に非常に良い直線関係を示す。前記のように、図７〜１０から、ビット荷重の第１次作用線及びトルクの第１次作用線に対応するビット荷重・トルクの第１次作用線に属するデータを選ぶには、Ｆ／ｄが約１００〜３００ｋＮ／ｍ以上のもので良いことがわかる。
【００２１】
以上のように、一部のデータを除いてａＦＴに及ぼす岩石強度の影響は小さいことと、第１次作用線の範囲内ではＦ／ｄと８Ｆ／ｄ２との間には非常に良い直線関係が成立していることがわかった。そこで、以下にａＦＴ、すなわち無次元有効トルクＴｅｄを用いて刃先摩耗状態を評価する方法について具体例を用いて説明する。
【００２２】
図１１に、ビット回転数が５０ｒｐｍで３−７／８ｉｎ．ツースビット（Ｔ０，Ｔ４，Ｔ７）を用いて三城目安山岩（Ａ）と新小松安山岩を掘削したときの無次元有効トルクＴｅｄと刃先高さの減少割合ＴＷとの関係を示す。図中の直線はすべてのデータを近似して求めた。図から、刃先摩耗の進展につれてＴｅｄは傾きが−０．２８１の直線で減少していることがわかる。
【００２３】
図１２は、チゼルビット（Ｔ０）について、すべての岩石のビット荷重・トルクの第１次作用線の傾きａＦＴ（Ｔｅｄ）が、刃先摩耗の進展に従って傾き−０．２８１の直線で減少すると仮定して求めたものである。当然のことながら、チゼルビットの摩耗が進展したときのａＦＴ（Ｔｅｄ）の変化状況は、実際には図に示したように減少するかどうかは不明である。各種ローラコーンビットの刃先摩耗状態の評価には、現場や室内データを蓄積して刃先摩耗状態とＴｅｄの変化状況との関係を把握する必要がある。
【００２４】
次に、現場においてａＦＴ（Ｔｅｄ）を求める具体的な方法を説明する。前記の図６において、チゼルビットで三城目安山岩（Ｄ）を掘削しており、あるときの１０００Ｆｕ／Ｎｄと（８Ｔ／ｄ２）２がχ１、ｙ１で、ビット荷重が変化して両者がχ２、ｙ２に変わったと仮定する。このとき、同じ岩石を掘削していれば、原点（０，０）、（χ１，ｙ１、）、（χ２，ｙ２）はほぼ同一の直線上にプロットされるので、掘削している岩石強度が変化したかどうかがわかる。岩石強度が変化していない場合、前記のチゼルビットの三城目安山岩（Ｄ）の８Ｔ／ｄ２ −Ｆ／ｄプロット（図１０）上で、座標（χ１′，ｙ１′）、（χ２′，ｙ２′）がわかる。すなわち、両座標から直線の傾きａＦＴ は（ｙ２′−ｙ１′）／（χ２′−χ １′）で求まり、本例の場合はａＦＴ＝０．５２０となる。この値は、第１次作用線に属するデータすべてを用いた近似直線の傾きａＦＴ（０．５２０）と同じ値である。現場においては、多くのＤｓ′やａＦＴ（Ｔｅｄ）の値が求まると予想される。また、ビット交換の際は刃先摩耗状態も把握できる。これらの情報や掘屑の分析結果などを蓄積することによって、正確な刃先摩耗状態の評価が可能になる。
前記のように、非特許文献１及び非特許文献２によれば、大谷凝灰岩や来待砂岩のような軟岩では刃先摩耗状態の進展に伴うビット荷重やトルクの第１次作用線の傾きａＦ、ａＴの変化は小さいものの、三城目安山岩、新小松安山岩及び沢入花崗岩のような中硬〜硬岩ではａＦ及びａＴが減少し、軟岩と中硬〜硬岩では傾向の相違が認められた。したがって、軟岩を除く岩石では、Ｔｅｄによって刃先摩耗状態を評価できる。
【００２５】
（２）単位ビット径当たりのしきい荷重Ｆｃ／ｄによる方法
前述のように、大谷凝灰岩や来待砂岩のような軟岩の場合、Ｔ０、Ｔ４、Ｔ７ビットのａＦＴ（Ｔｅｄ）の変化が小さいことがわかった。そこで、本方法ではｕ／Ｎ−Ｆ／ｄプロットの第１次作用線から求まる単位ビット径当たりのしきい荷重Ｆｃ／ｄを用いて刃先摩耗状態を評価する。
【００２６】
図１３に、Ｔ０、Ｔ４、Ｔ７ビットにより大谷凝灰岩を５０ｒｐｍで掘削したときのＦ／ｄとｕ／Ｎとの関係を示す。図中、黒丸、黒四角印で示したデータは第２次作用線に、また、他のデータは第１次作用線に属するデータである。図中の実線は第１次作用線に属するデータを直線近似して求めた。破線（Ｔ４、Ｔ７ビット）は、直線の傾きがＴ０ビット（ａＦ＝２．９８ｘ１０−５）と同じで、矢印で示したデータポイントを通る直線である。図から明らかなように、Ｔ４、Ｔ７ビットの破線と実線のＦｃ／ｄには大差がなく、大谷凝灰岩では刃先が摩耗したビットのビット荷重の第１次作用線の傾きａＦは、新品ビットのａＦと同じとして差し支えないことがわかる。すなわち、大谷凝灰岩のような軟質な岩石では、例えば新品ビットのａＦを予め知ることによって、摩耗したビットの１組のデータ（Ｆ／ｄ，ｕ／Ｎ）がわかれば、刃先摩耗状態を推定できることがわかる。来待砂岩砂岩の５０ｒｐｍ、１００ｒｐｍのデータも、大谷凝灰岩の場合と同様な傾向を示した。
なお、〔００２４〕に記述した方法と同様に、例えばＴ０ビットのビット荷重の第１次作用線の傾き（ａＦ）は、図１３に示した２組のデータ（（ａ１′，ｂ１′）と（ａ２′，ｂ２′））から簡単に求めることもできる。これら２組のデータは、図２に示したデータ（ａ１，ｂ１）と（ａ２，ｂ２）にそれぞれ対応している。
【００２７】
Ｆｃ／ｄの場合と同様に、単位ビット断面積当たり・ビット１回転当たりの回転方向のしきいエネルギー８Ｔｃ／ｄ２と刃先摩耗状態との関係を調べてみた。大谷凝灰岩の場合は、刃先摩耗状態の進展に伴う８Ｔｃ／ｄ２の増加割合がＦｃ／ｄに比べて小さく、また、選択するデータポイントによって８Ｔｃ／ｄ２のばらつきが大きく、８Ｔｃ／ｄ２を用いた刃先摩耗状態の評価は困難であることがわかった。来待砂岩の場合も大谷凝灰岩の場合と同様に、刃先摩耗状態の進展に伴う８Ｔｃ／ｄ２の増加割合が小さいものの、刃先摩耗状態がＴ０あるいはＴ４からＴ７へ変化したときは、８Ｔｃ／ｄ２が増加することが明らかとなった（図１４）。
【００２８】
図１５に、大谷凝灰岩と来待砂岩のＴＷとＦｃ／ｄとの関係を示す。図中のエラーバーは矢印で示したデータポイント（図１３）が変わったときのＦｃ／ｄの変化状況を示す。いずれのＦｃ／ｄも図１３と同様な方法で求めた。無次元有効トルクＴｅｄの場合と同様に、現場あるいは室内において軟岩を種々のビットで掘削したときのＦｃ／ｄと刃先摩耗状態の関係を把握することにより、正確な刃先摩耗状態の評価が可能になる。また、軟質岩の場合にはＦｃ／ｄのみならずＴｅｄや８Ｔｃ／ｄ２も含めた総合的な評価を行い、種々の情報を蓄積していくことも正確な刃先摩耗状態の評価に重要である。
【００２９】
〔考察〕
上記したように、本発明では、現場に適用することができるだけ容易な評価方法を開発するため、非特許文献１において報告した刃先摩耗状態の異なる直径が３−７／８ｉｎ．のミルドツースビット（Ｔ０，Ｔ４，Ｔ７）のデータの再解析を行い、刃先摩耗状態の影響の小さい簡便な岩石強度の評価方法として（２）式で表される岩石の掘削強度Ｄｓ′を案出した。Ｄｓ′の適用範囲は、データのばらつきの小さい第１次作用線である。Ｄｓ′はｕ／Ｎ、Ｆ／ｄ、８Ｔ／ｄ２から構成される１組のデータから求まるため、現場において容易に適用できる岩石強度の評価方法と言える。
また、刃先摩耗状態の評価方法として、中硬〜硬岩では無次元有効トルクＴｅｄ、軟岩ではＦｃ／ｄを案出した。岩石の掘削強度Ｄｓ′が１組のデータ（ｕ／Ｎ、Ｆ／ｄ、８Ｔ／ｄ２）から求まることが明らかとなったため、本発明で提案したＴｅｄは２組のデータから求めることができ、非特許文献１及び非特許文献２で報告したＴｅｄと比べて簡便な評価方法となった。また、軟岩を掘削したとき、ｕ／Ｎ−Ｆ／ｄプロットにおいてビット荷重の第１次作用線の傾きは、刃先摩耗状態にかかわらず同じ値で近似できることがわかった。このため、刃先摩耗状態が一定のときのビット荷重の第１次作用線の傾きを求めておけば、１組のデータ（ｕ／Ｎ、Ｆ／ｄ）でＦｃ／ｄを計算でき、Ｆｃ／ｄからビットの刃先摩耗状態を評価できる。ただし、刃先摩耗状態とＴｅｄやＦｃ／ｄとの関係はビット種類や岩石強度の影響を受けるため、刃先摩耗状態の推定には現場や室内において両者の関係を表すデータを十分に蓄積する必要がある。
本発明では上記ツースビット以外に、タイプや直径の異なる数種類の新品のツースビットやインサートビットの実験結果について同様の解析を行った結果、岩石の掘削強度Ｄｓ′や無次元有効トルクＴｅｄの妥当性が確認された。
【００３０】
〔評価システム〕
図１６は、本発明の岩石強度及びビット摩耗状態のリアルタイム評価を行うための評価システムを示す概略図である。
掘削リグを用いた掘削現場において、ビット荷重Ｆ、トルクＴ、掘進率ｕ及びビット回転数Ｎを計測し、これら計測データと既知のデータであるビット直径ｄのデータをコンピュータに入力する。
岩石強度の評価は、本発明の岩石強度の評価方法、すなわち、データポイント１点のＴ、ｄ、Ｆ、ｕ、Ｎを上記の（２）式に入力することにより岩石強度Ｄｓ′が演算され、評価結果がコンピュータ画面に表示される。
一方、刃先摩耗状態を評価するには、軟岩を除く中硬〜硬岩の場合、岩石強度が同じ（同一岩石）Ｄｓ′の値２点に対応するＦ／ｄ−８Ｔ／ｄ２プロット中の２点の値から、無次元有効トルクＴｅｄが演算され、評価結果がコンピュータ画面に表示される。無次元有効トルクＴｅｄが減少すると刃先摩耗が進展していると判断する。。また、軟岩の場合、刃先摩耗状態が一定のときのビット荷重の第１次作用線の傾きを求めておき（既知）、この傾きとｕ／Ｎ−Ｆ／ｄプロット中の１点の値から単位ビット径当たりのしきい荷重Ｆｃ／ｄが演算され、ビットの刃先摩耗状態が評価される。単位ビット径当たりのしきい荷重Ｆｃ／ｄが大きくなると、刃先摩耗が進展していると判断する。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）岩石強度の評価が、１組のデータから求めることができるため、現場において容易に適用できる岩石強度の評価方法を提供できる。
（２）刃先摩耗状態の評価が、中硬〜硬岩においては２組のデータから、また、軟岩においては１組のデータから求めることができるため、従来のものと比べて簡便な刃先摩耗状態の評価方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】解析を行うデータを得るために用いたローラコーンビットを示す図である。
【図２】Ｔ０、Ｔ４、Ｔ７ビットにより大谷凝灰岩、来待砂岩、三城目安山岩（Ａ）及び新小松安山岩をビット回転数が５０ｒｐｍで掘削したときの単位ビット径当たり・ビット１回転当たりの掘削方向のエネルギー（１０００Ｆｕ／Ｎｄ）と、単位ビット断面積当たり・ビット１回転当たりの回転方向のエネルギーの２乗（８Ｔ／ｄ２）２との関係を示す図である。
【図３】Ｔ０、Ｔ４、Ｔ７ビットにより来待砂岩、三城目安山岩（Ａ）及び新小松安山岩をビット回転数１００ｒｐｍで掘削したときの１０００Ｆｕ／Ｎｄと（８Ｔ／ｄ２）２との関係を示す図である。
【図４】５−５／８ｉｎ．ツースビットを用いて三城目安山岩（Ｂ）を、また、５ｉｎ．及び５−５／８ｉｎ．インサートビットを用いて沢入花崗岩（Ａ）を掘削したときの１０００Ｆｕ／Ｎｄと（８Ｔ／ｄ２）２との関係を示す図である。
【図５】直径が７−７／８ｉｎ．のコニカルインサートビットにより三城目安山岩、沢入花崗岩、稲井泥岩及び本小松安山岩を掘削したときの１０００Ｆｕ／Ｎｄと（８Ｔ／ｄ２）２との関係を示す図である。
【図６】直径が７−７／８ｉｎ．のチゼルインサートビットにより三城目安山岩、沢入花崗岩、稲井泥岩及び本小松安山岩を掘削したときの１０００Ｆｕ／Ｎｄと（８Ｔ／ｄ２）２との関係を示す図である。
【図７−１】ビット回転数が５０ｒｐｍのときのＴ０ビットのＦ／ｄと８Ｔ／ｄ２との関係を示す図である。
【図７−２】ビット回転数が５０ｒｐｍのときのＴ４ビットのＦ／ｄと８Ｔ／ｄ２との関係を示す図である。
【図７−３】ビット回転数が５０ｒｐｍのときのＴ７ビットのＦ／ｄと８Ｔ／ｄ２との関係を示す図である。
【図８】５−５／８ｉｎ．ツースビット（三城目安山岩（Ｂ））、５ｉｎ．及び５−５／８ｉｎ．インサートビット（沢入花崗岩（Ａ））のＦ／ｄと８Ｔ／ｄ２との関係を示す図である。
【図９】７−７／８ｉｎ．コニカルインサートビットのＦ／ｄと８Ｔ／ｄ２との関係を示す図である。
【図１０】７−７／８ｉｎ．チゼルインサートビットのＦ／ｄと８Ｔ／ｄ２との関係を示す図である。
【図１１】ビット回転数が５０ｒｐｍで３−７／８ｉｎ．ツースビット（Ｔ０，Ｔ４，Ｔ７）を用いて三城目安山岩（Ａ）と新小松安山岩を掘削したときの無次元有効トルクＴｅｄと刃先高さの減少割合ＴＷとの関係を示す図である。
【図１２】７−７／８ｉｎ．チゼルインサートビット（Ｔ０）について、すべての岩石のビット荷重・トルクの第１次作用線の傾きａＦＴ（Ｔｅｄ）が、刃先摩耗の進展に従って傾き−０．２８１の直線で減少すると仮定して求めたときの無次元有効トルクＴｅｄと刃先高さの減少割合ＴＷとの関係を示す図である。
【図１３】Ｔ０、Ｔ４、Ｔ７ビットにより大谷凝灰岩を５０ｒｐｍで掘削したときのＦ／ｄとｕ／Ｎとの関係を示す図である。
【図１４】ビット回転数が５０ｒｐｍで３−７／８ｉｎ．ツースビット（Ｔ０，Ｔ４，Ｔ７）を用いて来待砂岩を掘削したときのｕ／Ｎと８Ｔ／ｄ２との関係を示す図である。
【図１５】大谷凝灰岩と来待砂岩のＴＷとＦｃ／ｄとの関係を示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態における岩石強度及びビット摩耗状態のリアルタイム評価を行うための評価システムを示す概略図である。
Claims (3)
- ローラコーンビットを用いて坑井を掘削する際の坑底の岩石強度評価方法において、掘削現場において計測されるデータに基づき、次の式により求められる岩石の掘削強度Ｄｓ′から坑底の岩石強度をリアルタイムで評価することを特徴とする岩石強度のリアルタイム評価方法。
- ローラコーンビットを用いて坑井を掘削する際のビットの刃先摩耗状態評価方法において、掘削される岩石が中硬〜硬岩の場合、掘削現場において計測されるデータに基づき、次の式により求められる無次元有効トルクＴｅｄからビットの刃先摩耗状態をリアルタイムで評価することを特徴とするビット摩耗状態のリアルタイム評価方法。
- ローラコーンビットを用いて坑井を掘削する際のビットの刃先摩耗状態評価方法において、掘削される岩石が軟岩の場合、掘削現場において計測されるデータに基づき、単位ビット径当たりのしきい荷重Ｆｃ／ｄ［ｋＮ／ｍ］からビットの刃先摩耗状態をリアルタイムで評価することを特徴とするビット摩耗状態のリアルタイム評価方法。
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