JP2012515281A - ダウンザホールドリルのためのドリルビット - Google Patents

Abstract

本発明は、ダウンザホールドリルで用いられることを目的し、ドリルピン（３）が設けられた前面を有するドリルヘッド（２）及びシャフト（４）を含むドリルビットに関し、シャフトは、ドリルヘッドよりも細く、且つダウンザホールドリルの構成要素であるドリルチャックの端部内に軸方向にスライドすることを可能にする方法で挿入されることを目的とし、このシャフトは、ハンマーピストン（８）に接触する平らな衝突面（７）のために若干太くされる後方端部（６）を有し、このハンマーピストン（８）は、ダウンザホールハンマードリルの構成要素であり、衝撃を与えるために配置され、ドリルヘッドは、その軸方向に沿って見ると、切削チャネル（２２）が設けられた円筒状前方部（２０）と、ドリル切削物の受け入れのために、同程度または切削チャネルの底部（２５）より若干下に設置された円筒状後方部（２１）と、を有し、円筒状前方部の直径（Ｄ１）は、円筒状後方部の直径（Ｄ２）よりも大きい。高性能且つ長耐用年数を有し、その上有向掘削に使用されるのに十分に適合するドリルビットにおいて、ドリルヘッド（２）の円筒状前方部（２０）は、前面の主要面から肩面（２６）までの軸方向における長さ（Ｌ３）を有し、この肩面（２６）は、ドリルヘッド（２）及びシャフト（４）間に設置され、このシャフト（４）は、ドリルヘッドの円筒状後方部（２１）の軸方向における長さ（Ｌ４）よりも大きい。

Description

本発明は、請求項１の序文によるダウンザホールドリルのためのドリルビットに関する。ダウンザホール掘削の間、回転力と衝撃エネルギーの形態での衝撃力とは、ドリル装置からダウンザホールハンマードリルへ伝達され、このダウンザホールハンマードリルは、穴を開けられるドリル穴内に挿入される。回転力は、回転される外部パイプを活用して伝達され、且つこの回転力は、ドリルビットに取り付けられる外部パイプの一端を回転させる一方で、衝撃力は、ピストンを活用して伝達され、このピストンは、外部パイプの長手方向に沿って前方及び後方に動かされ、その内部に位置付けられる。チャックまたは別の伝達手段は、回転力を伝達するために用いられ、この手段は、外部パイプに固定され螺着される一方で、１組の溝は、伝達手段の内部にあり、この溝は、ドリルビットのシャフト上で外部溝と相互に作用し、それによってドリルビットは、それが伝達手段の軸に沿って動かされるように前記溝または溝付接合具間の相互作用により伝達手段において限定的に軸方向の移動可能である。

構成材料によって受ける荷重は、ドリル装置によって供給される力が増大するにしたがって、特に液体推進装置を導入したので、増大する。例えば井戸のための掘削または装薬のために穴を開けることに関して硬岩の掘削に主として用いられるダウンザホールドリルのドリルビットは、非常に大きい荷重にさらされる。問題は、伝達手段及び前記シャフト間にある溝付接合具においてドリルビットのシャフトにおける亀裂の形成及び続く破砕で特に生じる。前記亀裂は、ドリルビットのシャフトを通じて機械の故障、簡単に言えば破壊をもたらす。これは、同様に損失され且つドリル穴に残存するドリルビットを引き起こし、このことは、完全に新しい穴を開けることを意味する。近年では、ダウンザホールハンマードリルは、“有向掘削（directed drilling）”として公知であることでますます用いられており、この有向掘削は、直線でない穴の掘削に関与する。削岩機は、有向掘削中に非常に厄介な仰角と、この結果として非常に大きな曲げ力と、にさらされる。これは、特にドリルビットの前方部に対して当てはまり、これは、著しくより太くされる。この部分は、“ドリルヘッド”として公知であり、掘削の方向における突出部の形態を有し、伝達手段の前面で突出し、レバーの形態のようにして形成しており、その回動点は、ドリルビットの後方部または肩がシャフト内を通過する領域内に位置し、このシャフトは、著しくより小さい直径を有する。大きい曲げ荷重が、特に、伝達手段から突出し、軸方向に延伸されたドリルヘッドによって形成される長い突出部を有するドリルビットにおけるこの部分で生じることが理解される。

本発明の目的は、上述されたこの問題を軽減するダウンザホールハンマードリルのドリルビットを達成することである。特に、高性能且つ長耐用年数を有するドリルビット及び有向掘削で用いられるために十分に適合するドリルビットを達成することが好ましい。

本発明の上述された目的は、請求項１に明記される特徴及び特性を実際に示すダウンザホールドリルのためのドリルビットで達成される。

本発明の基礎を形成する洞察は、シャフト、ひいては同様に溝付接合具の能動的な力吸収領域が、ドリルヘッドの後ろにおけるドリルビットの円筒部に位置する非活動材料の再分配によって、それがドリルビットのシャフトに設置されるように、増大させられることである。これは、ドリルビットにおける重量または別の特性に悪い影響を有することなく実行される。材料の再分配がドリルビットの円筒後方部においてその軸方向における減少を引き起こすことと、肩衝撃面が前方に動かされるということと、という事実により、実際のドリルヘッドの軸方向における全長、ひいては伝達手段またはダウンザホールハンマーの外部パイプの前方に突出するドリルビットの長さのその部分であって“突出部”として公知である部分は、減少させられる。この結論は、有向掘削中にドリルビットに生じる曲げ力が減少することである。

本発明は、添付された図面に示される制限ない実施形態を用いて以下で、より詳細に説明される。

先行技術によるドリルビットに隣接して設置される部分を有するダウンザホールハンマードリルを通る長手方向の断面図を示す。 図１に示されるダウンザホールハンマードリルで用いられる種類のドリルビットの側面図を示す。 本発明によるドリルビットとドリルビットに隣接して設置される部分とを有するダウンザホールハンマーを通る長手方向の断面図を示す。 本発明によるドリルビットの側面図を示す。

図１は、液体推進ダウンザホールハンマードリルで用いられることを目的とする公知のドリルビット１を示す。ドリルビット１の前方部２、“ドリルヘッド”として公知である部分において、例えば硬質金属からなる複数のピン３は、岩を貫通して穴を開けることを可能にするために挿入される。さらに、ドリルビット１は、ドリルヘッド２で始まるシャフト４を含み、その直径は、ヘッドのそれよりも相当に小さい。シャフト４には、長手方向の溝５が設けられている。ドリルビット１は、接触部７の平坦面のために若干太くされる後方端部６を有し、ダウンザホールハンマードリルの構成要素であるハンマーピストン８は、接触部に接触して衝撃を与えるために配置される。ドリルビット１は、ドリルビットの前面部における開口部を通って離れたところへ洗浄流体を案内するために長手方向の洗浄チャネル９を内部に有する。前記洗浄流体の役割は、冷却剤として作用することと、ドリルビット１の前面部からそしてドリルビットの外面に沿って後退してドリル穴の外へ進めてドリル掘削物を移動させることと、である。

ダウンザホールハンマードリルは、ドリルビットのシャフト４上における長手方向の溝５との相互作用のための伝達手段１０を有し、この伝達手段には、シャフト４の溝５に対応する溝５’が内部に設けられている。伝達手段１０は、シースの形態を有し、伝達手段１０には、その長さの少なくとも一部に沿ってねじ山１１が外面に設けられており、伝達手段は、このねじ山によって内ねじ山１１’が設けられた外部パイプ１２の前端部に螺着され取り付けられており、この内ねじ山１１’は、前記外部パイプが伝達手段及びドリルビットのシャフトを少なくとも部分的に取り囲むように伝達手段のねじ山に対応する。外部パイプ１２は、ハンマーピストン８を同様に取り囲む。伝達手段１０は、その前端部で平らな端面１３及び肩１４を有し、伝達手段が外部パイプに固定される場合、外部パイプ１２の平らな端面１５は、肩１４に対して接触する。

停止リング１６は、外部パイプの内面においてトラックの形態を有するくぼみとして形成される区画に位置付けられる。停止リング１６の役割は、ドリルビット１の外部パイプが外れて落ちることを防ぐことと、掘削中におけるドリルビットの軸方向における前方への運動を制限することと、である。伝達手段のねじ付接続部１１、１１’は、掘削、特に全トルクが溝付接合具によって吸収される間、原理上は任意のトルクからの任意の荷重下に置かれない。ダウンザホールハンマードリルは、結合部によって延伸され、所望の長さのドリルストリングを形成する。ドリル装置の作用により、外部パイプ１２には、伝達手段１０に伝達される回転運動が与えられ、この伝達手段１０は、ドリルビット１がそれぞれの衝撃に関連してあらかじめ決定された度数を回転するように溝付接合具の使用によって同様にドリルビット１にこの回転運動を伝達する。

全掘削中、特に大量のドリル掘削物を取り除く長い穴の掘削中において、“クリアランス”として公知である空間は、ドリル穴の壁とドリルストリングとの間に作り出される。前記クリアランス空間をもたらすために、ドリルヘッド１は、外部パイプ１２の外径より大きい外径を有しており、この理由のためにドリルビットには、部分的に半径方向外側に向けられるピンが設けられている。

図２によって非常に明確にされるように、ドリルヘッド２は、その軸方向について見ると、前方円筒部２０及び後方円筒部２１を有しており、前方部は、クリアランス空間を形成するために、後方部の直径及び外部パイプの直径双方よりも若干大きい直径を有する。前方部２０には、その周囲の外面に、ドリルビットの長手方向または軸方向に沿って延伸する複数の切削チャネル２２が設けられており、これらの役割は、ドリル掘削物及び洗浄液体を伝達手段１０の長さの一部に沿って後方に且つ外部パイプ１２の外面に沿って進んでドリルビットの前面から離れたところへ案内することである。切削チャネル２２は、ドリルビットのヘッドの外周または周囲の近くに均等に分配される。それぞれの切削チャネル２２は、第１及び第２切削面２３、２４によって制限され、この第１及び第２切削面は、後方部２１の周囲の線に沿って位置し、且つそれを外側に横断して開口する谷部２５で交わる。後方部２１は、切削物の除去について低い抵抗を与えるために、後方部の周囲が基本的に谷部２５の深さと同じ高さで位置する方法でドリルヘッド２の前方部２０に対して押圧される。前記後方部２１及びシャフト４間の移行部は、肩衝撃面２６として設計されており、この肩衝撃面２６は、伝達手段１０の前端面１３と相互に作用し、ドリルビット１における引き抜かれる後方の位置を制限する。伝達手段１０は、そのドリルビット１のヘッド２に面する端部において、所定外径を有し、この外径は、ドリルヘッドの前記後方部２１の外径に基本的に一致し、これの延長部のように形成する外径を有する。

本発明は、図３及び図４に示されており、ドリルビットの円筒後方部２１からの余分材料は、前記材料が大きな力吸収領域を有する溝のある接続部５、５’の形態での力吸収領域を形成するように、シャフト４について後方へ再分配される。したがってシャフト４は、延伸されつつ、基本的に同じ、または、これが望ましい場合、図２に示される従来技術のドリルビットのそれよりも若干低い重量を保つ。軸方向における円筒後方部２１の規模は減少する一方で、シャフトへの移行部での肩衝撃面２６は、伝達手段の外周面に向かって後方に開口するドリルヘッド２の切削チャネル２２のその部分に非常に近接して設置される。その上、シャフト４、ひいては同様に溝５は、延伸され、伝達手段が対応する延伸された尾根部及びくぼみの形態での溝５’を与えられることは、適切である。

本発明によるドリルビット１は、図４に示されており、符号Ｌ１は、肩２６から端面７までのシャフト４の軸方向における長さを示し、符号Ｌ２は、前面の主平面から肩面までのドリルヘッド２の全長を示し、したがって円筒状前方部２０及び後方部２１双方を含み、符号Ｌ３は、ドリルヘッドの円筒状前方部２０の軸方向における長さを示し、符号Ｌ４は、ドリルヘッドの円筒状後方部の軸方向における長さを示している。その上、符号Ｄ１は、ドリルヘッドの円筒状前方部２０で測定されたドリルヘッド２の最大直径を示しており、この直径は、切削チャネル２２の間にある中央部から最大距離に位置するドリルヘッドの中実部分との接線を形成する円であり、符号Ｄ２は、ドリルヘッドの円筒状後方部２１における直径であり、符号Ｄ３は、シャフト４の最大直径である。比率Ｄ１／Ｄ２は、常に１よりも大きく且つ常に１．２５よりも小さく、前記比率が約１．０５であることが好ましい。肩の最外部は、円を表し、実現されるこの直径は、ドリルビット１の円筒状後方部２１の延長部である。

シャフト４の最大直径Ｄ３は、ドリルビットの前面に向かって前方に延伸し、且つ少なくともいくつかのピン３’を交差する仮想的な円筒を形成し、このピン３’は、主として前面に、主に中央に、または、前記中央のピンにおける能動的に砕く表面の中央部の近辺に設置される。ドリルビットの前面での中央のピン３’の位置に対してシャフト４のために選択された直径は、ドリルビットの中央領域に向かって、すなわちドリルヘッドの重心に向かう方向に衝撃エネルギーを案内する。したがって、シャフト４の端面７に伝達される衝撃エネルギーは、それが最大の利益を有するところでドリルビットの前面のこれらの部分に前方に且つ進んで案内されることが理解される。

図面によって明確にされるように、外部パイプ１２は、ドリルビット１の円筒後方部２１の外径Ｄ２と基本的に一致する一定の外径を有する。したがって、前記部分の外周面は、基本的に互いに一直線に位置する。その上、ドリルヘッド２の軸方向における全長Ｌ２は、肩２６から端面７までのシャフト４の軸方向における長さＬ１よりも常に小さいように選択され、加えて、ドリルヘッド２の後方部２１の軸方向における長さＬ４は、ドリルヘッドの前方部２０の軸方向における長さＬ３よりも常に短いように選択される。比率Ｌ３／Ｌ２、すなわちドリルヘッドの円筒状後方部の軸方向における長さＬ４に対するドリルヘッドの前方部の長さＬ３は、常に１よりも大きい。比率Ｌ３／Ｌ２が２から４の区間にあることは適切であり、前記比率が約３であることが好ましい。ドリルヘッド２の軸方向における全長さＬ２と肩２６から端面７までのシャフト４の軸方向における長さＬ１との間の比率、すなわちＬ２／Ｌ１は、０．３よりも小さく、好ましくは０．１５である。

本発明は、上述され且つ図面に示されたことに限定されず、添付される特許請求の範囲内によって定義される革新的発想の範囲内で種々の異なる方法において変更及び修正されることが可能である。

２ ドリルヘッド（前方部，ヘッド）、３，３’ ドリルピン（ピン）、４ シャフト、６ 後方端部、７ 衝突面，端面（接触部）、８ ハンマーピストン、２０ 円筒状前方部（前方部，前方円筒部）、２１ 円筒状後方部（後方部，後方円筒部）、２２ 切削チャネル、２５ 底部（谷部）、２６ 肩面（肩衝撃面）、Ｄ１，Ｄ２ 直径、Ｄ３ 最大直径、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ 長さ

Claims (7)

1. ダウンザホールドリルで用いられることを目的とし、ドリルピン（３）が設けられた前面及びシャフト（４）を有するドリルヘッド（２）を含むドリルビットであって、
   前記シャフトは、前記ドリルヘッドよりも細く、且つダウンザホールドリルの構成要素であるドリルチャックの端部内に軸方向にスライドすることを可能にする方法で挿入されることを目的とし、前記シャフトは、ハンマーピストン（８）に接触する平らな衝突面（７）のために若干太くされる後方端部（６）を有し、前記ハンマーピストンは、ダウンザホールハンマードリルの構成要素であり、衝撃を与えるために配置され、
   前記ドリルヘッドは、その軸方向に沿って見ると、ドリル切削物を離れたところへ案内するために切削チャネル（２２）が設けられた円筒状前方部（２０）と、ドリル切削物の受け入れのために、同程度または切削チャネルの底部（２５）よりも若干下に設置された円筒状後方部（２１）と、を有し、
   前記円筒状前方部の直径（Ｄ１）は、前記円筒状後方部の直径（Ｄ２）よりも大きく、
   前記ドリルヘッド（２）の前記円筒状前方部（２０）は、前面の主要面から肩面（２６）までの軸方向における長さ（Ｌ３）を有し、前記肩面は、ドリルヘッド（２）及びシャフト（４）間に設置されており、前記シャフトは、前記ドリルヘッドの前記円筒状後方部（２１）の軸方向における長さ（Ｌ４）よりも大きいことを特徴とするドリルビット。
2. 前記ドリルヘッド（２）の軸方向における全長（Ｌ２）は、前記肩面（２６）から端面または衝突面（７）までの計算された前記シャフト（４）の軸方向における長さ（Ｌ１）よりも常に小さいように選択されることを特徴とする請求項１に記載のドリルビット。
3. 前記ドリルヘッドの前記円筒状後方部（２１）の軸方向における長さ（Ｌ４）に対する前記ドリルヘッド（２）の前記円筒状前方部（２０）の軸方向における長さ（Ｌ３）、（すなわちＬ３／Ｌ４）は、常に１よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載のドリルビット。
4. 前記ドリルヘッド（２）における前記円筒状前方部（２０）と前記円筒状後方部（２１）との間の比率は、２から４の区間にあり、好ましくは３であることを特徴とする請求項３に記載のドリルビット。
5. 前記ドリルヘッド（２）における前記円筒状前方部（２０）の直径（Ｄ１）と前記円筒状後方部（２１）の直径（Ｄ２）との間の比率は、１から１．２５の区間にあり、前記区間において比率は、好ましくは１．０５であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のドリルビット。
6. 前記ドリルヘッド（２）の軸方向における全長（Ｌ２）と前記肩面（２６）から端面（７）までのシャフト（４）の軸方向における長さ（Ｌ１）との間の比率（すなわちＬ２／Ｌ１）は、常に０．３よりも小さく、好ましくは０．１５であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のドリルビット。
7. 前記シャフト（４）の最大直径（Ｄ３）は、前面に向かって前方に延伸し且つ少なくともいくつかのドリルピン（３’）を横断する仮想的な円筒を形成し、前記ドリルピン（３’）は、主として前面に、主に中央に、またはピンの能動的に砕く表面の中央部の近辺に設置されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のドリルビット。

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