JP2015105471A - 坑井掘削用ｐｄｃカッターおよび坑井掘削用ｐｄｃビット - Google Patents

Abstract

【課題】硬質で不均質な地層における坑井の掘削に用いても欠損や摩耗が生じ難い坑井掘削用ＰＤＣカッターを提供する。【解決手段】軸線回りに回転されるビット本体の先端部に取り付けられて、ビット本体の回転力と軸線方向先端側への推力とによる切削作用によって坑井を掘削する坑井掘削用ＰＤＣカッターであって、少なくとも多結晶ダイヤモンド層１６と超硬合金層１７とを有するカッター本体１１を備え、ビット本体の回転方向Ｔに向けられるすくい面１２と軸線方向先端側に向けられる逃げ面１３との交差稜線部に凸曲線状をなす切刃１５が形成され、多結晶ダイヤモンド層１６は切刃１５を含む逃げ面１３側の領域に配設されるとともに、超硬合金層１７は多結晶ダイヤモンド層１６よりもすくい面１２の内側の領域に配設される。【選択図】図６

Description

本発明は、坑井掘削用のビットに取り付けられて石油、天然ガス、地熱流体などの採掘に用いられる坑井掘削用ＰＤＣカッター、および該坑井掘削用ＰＤＣカッターを取り付けた坑井掘削用ＰＤＣビットに関するものである。

石油や天然ガスの採掘では、１９７０年代に開発された多結晶ダイヤモンド（Polycrystalline Diamond。ＰＣＤと称する。）の焼結体（Polycrystalline Diamond Compact。ＰＤＣと称する。）をカッター（刃体）とするＰＤＣビットと呼ばれる掘削工具が普及している。その理由は、図２１に示すようなＰＣＤ層１と超硬合金（ＷＣ−Ｃｏ）層２から構成される円板状のＰＤＣカッター３をビット本体に取り付けたＰＤＣビットが大幅な掘削能率と経済性の向上に貢献しているからである。非特許文献１によると、２０１０年におけるＰＤＣビットの総掘削長は、石油・天然ガスの開発のために掘削された坑井の総掘削長の６５％を占めていると報告されている。総掘削長の３５％はローラコーンビットを用いて掘削されたものである。

ＰＤＣカッターは、一般に数十ミクロン程度の微細な単結晶人造ダイヤモンド粒子と、粉末状のコバルトを含むタングステンカーバイトとを積層しておいて、温度が１５００〜１６００℃、圧力が５〜６万気圧程度の高温・高圧下において焼結製造される。焼結の際は、コバルトが触媒として機能するため、ダイヤモンド粒子間の結合が生じて寸法が大きな多結晶体のＰＤＣカッターを製造できる。

図２１に示したような一般的なＰＤＣカッター３の厚さｔ３は約３．５ｍｍ、ＰＣＤ層１の厚さｔ１は約０．５〜１．０ｍｍ、超硬合金層２の厚さｔ２は約３ｍｍで、ＰＤＣカッター３の直径は約８〜５０ｍｍである。図２２に示す断面図のように、一般にＰＣＤ層１と超硬合金層２は平面で接合されているが、図２３に示すように接合面を凹凸にして接合強度を向上させることにより、超硬合金層２からのＰＣＤ層１の剥離を防止する技術も開発されている（例えば、特許文献１参照）。

ＰＤＣビットは、所要個数のＰＤＣカッター３をビット本体にろう付け接合して製作される。図２４に示すように、ビット本体４の先端部には、ＰＤＣカッター３と同一形状をしたポケット５が形成されており、ポケット５の背面とＰＤＣカッター３の背面の超硬合金層２とがろう材によって接合される。こうしてＰＤＣカッター３がビット本体４に接合されたＰＤＣビットは、その中心軸線回りに回転されつつ該軸線方向先端側（図２４の下側）に送り出され、回転力と先端側への推力とによる切削作用によって岩石６を破壊して坑井を掘削する。図２４に符号Ｔで示すのはビット本体４の回転によるＰＤＣカッター３の回転方向（切削方向）である。

ここで、図２５を用いて、このようなＰＤＣカッター３による岩石６の切削様式について説明すると、上記ＰＤＣカッター３では、回転方向Ｔを向いて切削作用のすくい面７となる円板面が、逃げ面８となる外周面との交差稜線部の切削作用の切刃９となる部分も含めてＰＣＤ層１となっており、耐摩耗性に優れたＰＣＤ層１によって岩石６を切削して破壊する。その一方で、ビット本体４と接合されるＰＤＣカッター３の背面は耐衝撃性に優れた超硬合金層２によって支持されており、ＰＤＣカッター３の折損や破損が容易に生じない構造となっている。さらに、ＰＤＣカッター３の特徴としては、寸法が大きな刃体を提供できることや単結晶ダイヤモンドの欠点である劈開性がないことも挙げられる。

このようなＰＤＣカッター３を刃体とするＰＤＣビットは、比較的軟質で均質な地層が多い油田・ガス田において多用され、上述のように坑井掘削の効率向上やコスト削減に大いに寄与している。しかしながら、硬質で不均質な地層の掘削では、ＰＤＣカッター３の破損や摩耗が生じるなどの問題点を有している。

このＰＤＣカッターが有する問題点について説明すると、図２５に拡大して示したように、一般に上記すくい面７と逃げ面８とが切刃９において直角に交差するＰＤＣカッター３による岩石６の切削では、逃げ面８に作用する切削抵抗を小さくして効率的に岩石６を掘削するために、すくい面７にすくい角αが設定される。このすくい角αとしては、切削抵抗が小さい−１０〜−１５°程度が採用されている（例えば、非特許文献２参照）。このとき、逃げ面８には１０〜１５°の逃げ角βが生じる。

この状態で岩石６を切削すると、すくい面７先端の切刃９付近のＰＣＤ層１には切削抵抗の分力として、図２５に矢線で示すようにビット本体の軸線に平行に後端側に向かう垂直力Ｖと、この垂直力Ｖに直角に回転方向Ｔの後方側に向かう水平力Ｈが作用する。上述のようにＰＣＤ層１はすくい面７に垂直な方向には超硬合金層２によって支持されているが、すくい角αを設けることによってすくい面７先端の切刃９付近のＰＣＤ層１には、図２５に示すように水平力Ｈが作用する方向に超硬合金層２によって支持されない部分が生じる。

岩石６が硬くなると、切刃９に作用する垂直力Ｖと水平力Ｈが大きくなるので、先端の切刃９付近におけるＰＣＤ層１に大きな剪断力が作用して、超硬合金層２により支持されていない部分にチッピングと呼ばれるＰＣＤ層１の欠損が生じ易くなる。一旦、ＰＣＤ層１にチッピングが生じると、この部分から摩耗が拡大し始める。

図２６に示すようにＰＣＤ層１の摩耗が進行して摩耗面１０が広がり始めると、同じ掘削速度を維持するためにはＰＤＣカッター３を岩石６中に圧入させて送り出すための荷重（推力）Ｐを増大させなければならない。荷重Ｐの増大は、逃げ面８の摩耗面１０に作用する垂直力Ｖを増大させるので、摩耗面１０に作用する摩擦抵抗も増大させ、その結果、摩耗面１０が急速に拡大するという悪循環を生じる。特に、摩耗面１０が超硬合金層２にまで拡大すると荷重Ｐを一層増大させなければならず、遅からずＰＤＣカッター３およびＰＤＣビットが寿命に達してしまう。非特許文献３によれば、岩石６の切削における逃げ面８の摩耗面１０の動摩擦係数は０．６程度と大きいが、摩耗面１０の摩擦抵抗を有効に減少させる手段は見出されていない。

米国特許第８２９７３８２号明細書

Federico Bellin et al.:The current state of PDC bit thchnology, World Oil, Sept., 2010, p.41-46. 唐澤廣和、他２名「ＰＤＣビットの性能に及ぼすレーキ角の影響」資源・素材学会誌１０７（１９９１）Ｎｏ．１２第８５３頁−第８５８頁 速水博秀、他３名「岩石切削における摩耗抵抗の影響」日本鉱業会誌／９１ １０４４（１９７５−２）第５５頁−第５９頁

本発明は、このような背景の下になされたもので、硬質で不均質な地層における坑井の掘削に用いても欠損や摩耗が生じ難い坑井掘削用ＰＤＣカッターおよび坑井掘削用ＰＤＣビットを提供して、従来の坑井掘削用ＰＤＣカッターおよび坑井掘削用ＰＤＣビットの適用範囲である軟質岩掘削のみならず、硬質岩掘削においても掘削能率の向上とコスト削減を図ることを目的としている。

上記課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明の坑井掘削用ＰＤＣカッターは、軸線回りに回転されるビット本体の先端部に取り付けられて、上記ビット本体の回転力と上記軸線方向先端側への推力とによる切削作用によって坑井を掘削する坑井掘削用ＰＤＣカッターであって、少なくとも多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）層と超硬合金層とを有するカッター本体を備え、上記ビット本体の回転方向に向けられる上記カッター本体のすくい面と上記軸線方向先端側に向けられる逃げ面との交差稜線部に凸曲線状をなす切刃が形成され、上記多結晶ダイヤモンド層は上記切刃を含む上記カッター本体の逃げ面側の領域に配設されるとともに、上記超硬合金層は上記多結晶ダイヤモンド層よりも上記カッター本体のすくい面の内側の領域に配設されていることを特徴とする。

また、本発明の坑井掘削用ＰＤＣビットは、このような構成の本発明の坑井掘削用ＰＤＣカッターが、軸線回りに回転されるビット本体の先端部に、上記カッター本体のすくい面を上記ビット本体の回転方向に向けるとともに、上記カッター本体の逃げ面を上記軸線方向先端側に向けて取り付けられていることを特徴とする。

本発明の坑井掘削用ＰＤＣカッターにおいては、ＰＣＤ層（多結晶ダイヤモンド層）がカッター本体の切刃を含む逃げ面側の領域に配設されるとともに、超硬合金層はこのＰＣＤ層よりもカッター本体のすくい面の内側の領域に配設されているので、このようなＰＤＣカッターを上述のように取り付けた本発明のＰＤＣビットでは、上記切刃の先端からビット本体の周方向に沿ったカッター本体の断面において、逃げ面側の領域のＰＣＤ層はビット本体の軸線方向に対向する方向に延びるように配設され、このＰＣＤ層の後端側にすくい面の内側領域の超硬合金層が配設されることになる。

すなわち、すくい面先端の切刃付近に垂直力が作用する方向に向けてカッター本体のＰＣＤ層と超硬合金層とが重なり合って積層されることになるので、逃げ面の摩耗によりＰＤＣカッターを岩石中に圧入させるための荷重（推力）を増大させても、この荷重の増大に伴う垂直力による摩耗面の拡大を、耐摩耗性に優れたＰＣＤ層によって抑制することができる。また、増大した垂直力による衝撃も、ＰＣＤ層の軸線方向後端側に配設された超硬合金層によって吸収することができるので、切刃付近のＰＣＤ層の破損やチッピングを抑えることが可能となるとともに、逃げ面に占めるＰＣＤ層の面積を大きくすることもできるため、逃げ面の摩耗自体も抑制することができる。

ここで、上記ＰＣＤ層と超硬合金層との間には、これらＰＣＤ層と超硬合金層との中間層が配設されていてもよい。ＰＣＤと超硬合金とが混在したこのような中間層をＰＣＤ層と超硬合金層との間に介装することにより、垂直力による衝撃を一層確実に緩和することができるとともに、摩耗が中間層に達してもその進行を抑制することが可能となる。

また、上記ＰＣＤ層における上記超硬合金層側の境界部、とりわけ上記ＰＣＤ層のすくい面内側の境界部を曲面状とすることにより、このＰＣＤ層と超硬合金層、あるいはＰＣＤ層と上記中間層との接合面積を大きくして、ＰＣＤ層の剥離を防止することができる。この場合の曲面は、上記切刃に沿った方向に曲折する曲面状でもよく、また図２３に示したように波状に凹凸する曲面状として接合面積を一層大きく確保することにより、接合強度をさらに高めるようにしてもよい。

さらに、上記カッター本体を円板状に形成して、その円板面を上記すくい面とするとともに該円板面の円周に上記切刃を形成し、上記ＰＣＤ層は上記カッター本体の外周面の全周に配設することにより、例えば超硬合金層部分をろう付けにより接合してカッター本体をビット本体に取り付けた場合に、ビット本体先端側に位置した切刃に摩耗等が生じたときには、ろう付け接合面を加熱して摩耗していない鋭利な切刃部分がビット本体先端側に位置するように取り付け直すことで、カッター本体の有効利用を図ることができる。

なお、こうしてカッター本体の超硬合金層部分をろう付けしてビット本体に取り付ける場合には、融点７００℃以下のろう材によってビット本体に接合されるのが望ましく、これによりろう付けの際の加熱によってＰＣＤ層の多結晶ダイヤモンドが炭化してしまうのを避けることができる。

一方、上記カッター本体の逃げ面を、上記切刃から離間する方向に向けて凸曲する凸曲面をなすように形成することにより、この逃げ面に所定の逃げ角を与えながらもすくい角は小さくすることができ、岩石の切削の際にカッター本体に作用する抵抗の低減を図ることができる。そして、特にこの場合には、上記ＰＣＤ層も、上記切刃から離間する方向に向けて凸曲する層状をなすように形成することにより、すくい面先端の切刃付近におけるＰＣＤ層の水平力が作用する方向への厚みを大きくすることができるので、切刃付近のＰＣＤ層の破損やチッピングを一層確実に防止することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、ＰＤＣカッターを岩石中に圧入させるための荷重を増大させても摩耗面の拡大を抑えることができ、硬質で不均質な地層においても掘削能率の向上を図りつつ、ＰＤＣカッターの寿命延長によって掘削に要するコストを削減することが可能となる。

本発明のＰＤＣカッターの第１の実施形態を示す、すくい面に対向する方向から見た正面図である。 図１に示す実施形態の側面図である。 図１におけるＺＺ断面図である。 図１に示す第１の実施形態のＰＤＣカッターを取り付けた本発明のＰＤＣカッターの第１の実施形態を示す正面図である。 図４に示す実施形態の先端部の断面図である。 図４に示す実施形態に取り付けられたＰＤＣカッターにより掘削を行う場合を示す断面図である。 図１に示す第１の実施形態のＰＤＣカッターを取り付けた本発明のＰＤＣカッターの第２の実施形態を示す正面図である。 図７に示す実施形態の先端部の断面図である。 本発明のＰＤＣカッターの第２の実施形態を示す、すくい面に対向する方向から見た正面図である。 図９に示す実施形態の側面図である。 図９におけるＺＺ断面図である。 図９に示す実施形態のＰＤＣカッターにより掘削を行う場合の一例を示す断面図である。 図９に示す実施形態のＰＤＣカッターにより掘削を行う場合の他の一例を示す断面図である。 本発明のＰＤＣカッターの第３の実施形態を示す側面図である。 本発明のＰＤＣカッターの第４の実施形態を示す、すくい面に対向する方向から見た正面図である。 図１５に示す実施形態の側面図である。 図１５におけるＺＺ断面図である。 本発明のＰＤＣカッターの第５の実施形態を示す側面図である。 本発明のＰＤＣカッターの第６の実施形態を示す側面図である。 本発明のＰＤＣカッターの第７の実施形態を示す、すくい面に対向する方向から見た正面図である。 従来のＰＤＣカッターを示す斜視図である。 図２１に示すＰＤＣカッターの断面図である。 従来の他のＰＤＣカッターを示す断面図である。 図２１に示すＰＤＣカッターにより掘削を行う場合の一例を示す断面図である。 図２１に示すＰＤＣカッターにより掘削を行う場合の切刃の先端部分の拡大断面図である。 図２５に示した状態から摩耗が進行した場合を示す切刃の先端部分の拡大断面図である。

図１ないし図３は、本発明の坑井掘削用ＰＤＣカッターの第１の実施形態を示すものであり、図４ないし図６は、この第１の実施形態のＰＤＣカッターを取り付けた本発明の坑井掘削用ＰＤＣビットの第１の実施形態を示すものである。本実施形態のＰＤＣカッターは、そのカッター本体１１が円板状をなし、すくい面１２とされる第１の円形面と、逃げ面１３とされる外周面と、ＰＤＣビットへの接合面１４とされる第２の円形面とを備えていて、すくい面１２と逃げ面１３との交差稜線部である第１の円形面の外周縁に円周状の凸曲線をなす切刃１５が形成されている。本実施形態では、逃げ面１３とされる外周面は外径が一定の円筒面状とされており、すくい面１２とされる第１の円形面と切刃１５において直角に交差しているとともに、接合面１４とされる第２の円形面とも直角に交差している。

そして、このＰＤＣカッターは、多結晶ダイヤモンド焼結体よりなるＰＣＤ層１６と、ＷＣ−Ｃｏ等の超硬合金よりなる超硬合金層１７とを少なくとも備えており、このうちＰＣＤ層１６は切刃１５を含むカッター本体１１の逃げ面１３側の領域に配設されるとともに、超硬合金層１７はこのＰＣＤ層１６よりもすくい面１２の内側の領域に配設されている。すなわち、ＰＣＤ層１６は、カッター本体１１の逃げ面１３の少なくとも切刃１５が形成されたすくい面１２側の領域と、この切刃１５からすくい面１２の内側に所定の範囲の領域とに露出するように配設され、超硬合金層１７は、すくい面１２においてこのＰＣＤ層１６よりも内側の領域に露出している。

本実施形態では、ＰＣＤ層１６は、逃げ面１３とされるカッター本体１１の外周面の全体に露出して、この外周面からカッター本体１１の径方向内周側に略一定の厚さをなす円筒状とされており、従ってすくい面１２とされる第１の円形面には切刃１５から内周側に略一定の幅の環状に配設されるとともに、接合面１４とされる第２の円形面にもその外周縁からすくい面１２と同じ略一定の幅で環状に配設されて、ＰＣＤ層１６における超硬合金層１７側の境界部は円筒面状の曲面とされている。また、超硬合金層１７は円板状をなして、このＰＣＤ層１６の内側に同軸に配置される。

また、本実施形態では、これらＰＣＤ層１６と超硬合金層１７との間に、これらＰＣＤ層１６と超硬合金層１７との中間層１８が配設されている。すなわち、この中間層１８はＰＣＤ層１６のダイヤモンド粒子と超硬合金層１７のＷＣ等の超硬合金粒子の双方を含むものであって、これらの粒子がＣｏ等の金属バインダーにより結合している。この中間層１８も、本実施形態ではＰＣＤ層１６および超硬合金層１７と同軸の円筒状とされ、これらＰＣＤ層１６、超硬合金層１７、および中間層１８を上述したような高温・高圧下において一体に焼結することにより、本実施形態のカッター本体１１が製造される。

さらに、本実施形態では、この中間層１８は第１、第２の複数の中間層１８Ａ、１８Ｂにより構成されている。これら複数の中間層１８Ａ、１８Ｂでは、含有されるダイヤモンド粒子と超硬合金粒子の質量比、ダイヤモンド粒子や超硬合金粒子の粒子サイズ（粒径範囲）、金属バインダーの添加割合（１００×（金属バインダー質量）／（ダイヤモンド粒子質量＋超硬合金粒子質量））、金属バインダーの組成、および厚さのうち少なくとも１つが、互いに、あるいはＰＣＤ層１６や超硬合金層１７と異なるものとされている。本実施形態では、ＰＣＤ層１６側の第１中間層１８Ａが超硬合金層１７側の第２中間層よりも含有されるダイヤモンド粒子と超硬合金粒子の質量比が大きく、すなわちＰＣＤ含有量が多くなっている。なお、中間層１８は３層以上であってもよく、単層であってもよく、また中間層１８が無くてもよい。

このように構成された第１の実施形態のＰＤＣカッターのカッター本体１１は、図４ないし図６に示すようなビット本体２１の先端部に取り付けられて本発明の第１の実施形態のＰＤＣビットを構成し、坑井の掘削に用いられる。このビット本体２１は鋼材等の金属により形成されて外形が概略円柱状または円盤状をなしており、本実施形態のＰＤＣビットは、この円柱または円盤の中心を通る軸線Ｏ回りに所定の回転方向Ｔに回転されつつ、該軸線Ｏ方向先端側（図５および図６における下側）に送り出されて前進させられることにより、これら軸線Ｏ回りの回転力と軸線Ｏ方向先端側への推力とによるＰＤＣカッターの切刃１５の切削作用で岩石を破壊して掘削を行う。

ビット本体２１の先端面の中央部には、軸線Ｏを中心とした凹円錐状をなして先端面の外周部から後端側に凹む凹所２２が形成されており、この凹所２２にはノズル２３が開口していて、このノズル２３から掘削時に圧縮空気や水等の流体を噴出することにより、破壊された岩石を坑井から排出する。また、この上記凹所２２も含めたビット本体２１の先端面には、ビット本体２１の先端部が１／４球状または縦割り砲弾状に盛り上がるようにして、その平面部分を回転方向Ｔに向けるとともに曲面部分を回転方向Ｔ後方側に向けた複数の凸部２４が形成されており、これらの凸部２４の上記平面部分の回転方向Ｔ側にはビット本体２１の先端面から凹むポケット（凹部）２５がそれぞれ形成されている。
図５に示したビット本体の形状は凹状をなしているが、平坦でも凸状でも構わない。

凸部２４の上記平面部分から延びるポケット２５の回転方向Ｔを向く背面２５Ａは、カッター本体１１の上記接合面１４と同じ大きさの円形平坦面とされ、軸線Ｏ方向後端側に向かうに従い回転方向Ｔ側に向かうように傾斜している。このようなポケット２５に、第１の実施形態のＰＤＣカッターのカッター本体１１は、上記接合面１４に露出した超硬合金層１７が背面２５Ａにろう付けされることにより、その切刃１５の一部（例えば切刃１５がなす円の１／２）を上記凹所２２も含めたビット本体２１の先端面から突出させ、すくい面１２を回転方向Ｔに向けるとともに突出した切刃１５に連なる逃げ面１３を軸線Ｏ方向先端側に向けて取り付けられる。

ここで、背面２５Ａが上述のように傾斜していることにより、すくい面１２も軸線Ｏ方向後端側に向かうに従い回転方向Ｔ側に向かうように傾斜して、例えば−１０°程度の負のすくい角（バックレーキ角）αがすくい面１２に設定される。また、すくい面１２と逃げ面１３とが切刃１５において直角に交差している本実施形態のＰＤＣカッターでは、すくい面１２の軸線Ｏ方向先端において交差する逃げ面１３部分に１０°程度の逃げ角βが設定される。さらに、本実施形態のＰＤＣビットでは、すくい面１２がビット本体２１の外周側に向かうに従い回転方向Ｔの後方側に向かうように傾斜させられており、これによってすくい面１２には図４に示すようにやはり−１０°程度の負のサイドレーキ角θが設定される。

なお、上記複数の凸部２４およびポケット２５と、これらのポケット２５に取り付けられるＰＤＣカッターのカッター本体１１とは、ビット本体２１の周方向および径方向に間隔をあけてずらされるとともに、上記ノズル２３を避けるようにして配設されている。こうしてずらされて配設された複数のカッター本体１１の突出した切刃１５は、図５に示すようにビット本体２１の軸線Ｏ回りの回転軌跡において径方向に連続しており、これによって坑井の底面は全体的に満遍なく掘削される。

上記構成のＰＤＣカッターにおいては、ＰＣＤ層１６がカッター本体１１の切刃１５を含む逃げ面１３側の領域に配設されるとともに、超硬合金層１７はこのＰＣＤ層１６よりもすくい面１２の内側領域に配設されており、このようなＰＤＣカッターが、上述のようにすくい面１２を回転方向Ｔに向けるとともに、突出した切刃１５に連なる逃げ面１３を軸線Ｏ方向先端側に向けて取り付けられたＰＤＣビットでは、図６に示すように切刃１５の先端からビット本体２１の周方向に沿ったカッター本体１１の断面において、逃げ面１３側の領域のＰＣＤ層１６は軸線Ｏ方向に対向する方向に延び、このＰＣＤ層１６の軸線Ｏ方向後端側に超硬合金層１７が配設されることになる。

すなわち、図２５に示した従来のＰＤＣビットのようにＰＤＣカッターのＰＣＤ層１が掘削の際に垂直力Ｖの作用する方向に略沿うように配設されているのに対して、上記構成のＰＤＣカッターおよびＰＤＣビットでは、図６に示すように垂直力Ｖが作用する方向に向けてＰＣＤ層１６と超硬合金層１７とが重なり合って積層されるように配設されることになる。このため、逃げ面１３に摩耗が生じた際にＰＤＣカッターを岩石６に圧入させるための荷重（推力）を増大させても、この荷重の増大に伴う垂直力Ｖの増大による摩耗面の拡大を、耐摩耗性に優れたＰＣＤ層１６によって抑制することができる。

また、こうして垂直力Ｖの増大に伴い軸線Ｏ方向後端側に向けての衝撃が増大しても、上記構成のＰＤＣカッターおよびＰＤＣビットでは、逃げ面１３側の領域のＰＣＤ層１６の軸線Ｏ方向後端側に耐衝撃性に優れる超硬合金層１７が配設されることによって衝撃を吸収することができるので、切刃１５付近のＰＣＤ層１６の破損やチッピングを抑えることもできる。さらに、本実施形態のように逃げ面１３の全体にＰＣＤ層１６を配設するなど、逃げ面１３に占めるＰＣＤ層１６の面積を大きくすることもできるので、逃げ面１３の摩耗自体も抑制することができる。

従って、このようなＰＤＣカッターおよびＰＤＣビットによれば、従来の比較的軟質かつ均質な地層における坑井掘削は勿論のこと、硬質で不均質な地層における硬質岩掘削においても、耐摩耗性に優れたＰＣＤ層１６に形成された切刃１５によって掘削能率の向上を図るとともに、ＰＤＣカッター寿命の延長により掘削コストの削減を図ることが可能となる。

また、本実施形態では、ＰＣＤ層１６と超硬合金層１７との間に、これらＰＣＤ層１６と超硬合金層１７との中間層１８が配設されており、すなわちこの中間層１８では、ＰＣＤ含有量は超硬合金層１７よりも多くなる一方で、超硬合金含有量はＰＣＤ層１６よりも多くなる。すなわち、ＰＣＤ層１６より耐衝撃性に優れるとともに超硬合金層１７よりは耐摩耗性に優れる中間層１８が介装されることになるので、上述した垂直力Ｖによる衝撃を一層確実に緩和することができるとともに、摩耗が中間層１８に達してもその進行を抑制することが可能となる。

さらに、本実施形態では、ＰＣＤ層１６における超硬合金層１７側の境界部、すなわちＰＣＤ層１６と中間層１８との境界部が円筒面とされて曲面状とされており、例えばこの境界部が円板状のカッター本体１１の径方向に垂直な平面状とされている場合などに比べ、ＰＣＤ層１６と中間層１８との接合面積を大きくしてＰＣＤ層１６の剥離を防止することができる。また、こうしてＰＣＤ層１６における超硬合金層１７側の境界部を曲面状とすることにより、中間層１８と超硬合金層１７との境界部も曲面状とすることができるので、中間層１８から剥離が生じるのも防止することができる。なお、このような境界部を、例えば図２３に示したように波状に凹凸する曲面状とすれば接合面積を一層大きく確保して接合強度をさらに高めることができる。また、中間層１８が無い場合は、ＰＣＤ層１６と超硬合金層１７との境界部を曲面状とすればよい。

さらにまた、上記第１の実施形態のＰＤＣカッターでは、カッター本体１１が円板状に形成されていて、その第１の円形面がすくい面１２とされるとともに、この第１の円形面の円周に切刃１５が形成され、ＰＣＤ層１６はこのカッター本体１１の外周面の全周に配設されている。このため、第１の実施形態のＰＤＣビットのように接合面１４とされる第２の円形面の超硬合金層１７をろう付けによりビット本体２１に接合した場合に、ビット本体２１の先端側に突出した切刃１５に摩耗が生じて寿命となったときには、この接合面１４を加熱することによりろう材を融かしてカッター本体１１を取り外し、摩耗していない鋭利な切刃１５がビット本体２１の先端側に位置するようにカッター本体１１を回転させて取り付け直すことができ、カッター本体１１の有効利用を図ってさらにコストの削減を促すことができる。

しかも、本実施形態では、逃げ面１３とされる外周面が接合面１４とされる第２の円形面とも直角に交差しているとともに、ＰＣＤ層１６はこれら外周面と第２の円形面との交差稜線部を含む第２の円形面の逃げ面１３側の領域にも配設され、また超硬合金層１７はこのＰＣＤ層１６よりも第２の円形面の内側の領域に配設されていて、すなわちカッター本体１１が表裏反転対称とされている。従って、すくい面１２とされた第１の円形面の全周の切刃１５が摩耗したときには、やはりカッター本体１１をビット本体２１から取り外し、必要に応じて第１、第２の円形面を研磨した後に第２の円形面をすくい面１２とするとともに第１の円形面を接合面１４としてビット本体２１に取り付け直すことにより、この第２の円形面の円周を切刃１５として使用することができ、一層経済的である。

なお、こうしてカッター本体１１の接合面１４の超硬合金層１７をろう付けしてビット本体２１に取り付ける場合には、ろう付けに用いるろう材としては融点７００℃以下のものが望ましい。このような融点でろう付けが可能であれば、ろう付けの際の加熱によってＰＣＤ層１６の多結晶ダイヤモンドが炭化してしまうのを避けることができる。

また、上記第１の実施形態のＰＤＣビットでは、ビット本体２１が円柱状あるいは円板状に形成されていて、その先端面に第１の実施形態のＰＤＣカッターが取り付けられているが、例えば図７および図８に示す本発明の第２の実施形態のＰＤＣビットのようにビット本体２１が円筒状あるいは円環状をなしていて、その先端面に上記ＰＤＣカッターが取り付けられた、いわゆるコアビットあるいはリングビットの構成とされていてもよい。なお、この第２の実施形態において、第１の実施形態と共通する要素には同一の符号を配してある。

この第２の実施形態のＰＤＣビットでは、環状をなすビット本体２１の先端面に、ビット本体２１の周方向に向けて先端面外周側と内周側に交互にカッター本体１１が取り付けられている。外周側に取り付けられたカッター本体１１のすくい面１２には第１の実施形態と同様に−１０°程度の負のサイドレーキ角θが設定され、内周側に取り付けられたカッター本体１１のすくい面１２にも−１０°程度の負のサイドレーキ角θが設定されている。これら内外周のカッター本体１１も、図８に示すように軸線Ｏ回りの回転軌跡においてビット本体２１先端側に突出した切刃１５が径方向に重なり合っている。

次に、図９ないし図１１は、本発明のＰＤＣカッターの第２の実施形態を示すものであり、この第２の実施形態を初め、以降に説明する第３ないし第７の実施形態のＰＤＣカッターにおいても、第１の実施形態のＰＤＣカッターと共通する要素には同一の符号を配してある。

上記第１の実施形態のＰＤＣカッターでは、円板状のカッター本体１１の逃げ面１３とされる外周面が一定の外径で、すくい面１２および接合面１４とされる第１、第２の円形面に直角に交差していたのに対し、この第２の実施形態のＰＤＣカッターでは、円板状のカッター本体１１の逃げ面１３とされる外周面が、すくい面１２とされる第１の円形面との交差稜線部に形成される切刃１５から離間する方向（図１０および図１１において右から左に向かう方向）に向けて凸曲する断面円弧等の凸曲面をなすように形成されていることを特徴とする。ここで、第２の実施形態における逃げ面１３は、上記切刃から離間する方向に向けて凸曲しつつその外径が漸次小さくなるように形成されており、従って接合面１４とされる第２の円形面はすくい面１２とされる第１の円形面よりも小径となる。

また、この第２の実施形態では、このように逃げ面１３が凸曲しているのに伴い、該逃げ面１３に露出するＰＣＤ層１６、およびその内側の領域の中間層１８（第１、第２中間層１８Ａ、１８Ｂ）と、さらに内側の超硬合金層１７の外周側境界部も、図１１に示すように同様に切刃１５から離間する方向に向けて凸曲する層状をなすようにされて、径が漸次小さくなるように配設されている。ただし、この第２の実施形態では、ＰＣＤ層１６や中間層１８の厚さは略一定とされている。

図１２は、このような第２の実施形態のＰＤＣカッターをＰＤＣビットに取り付けたときの一例を示すものであるが、第２の実施形態のＰＤＣカッターでは、上述のように逃げ面１３が切刃１５から離間する方向に向けて凸曲する凸曲面状をなしていて、特に外径が漸次小さくなるようにされているため、図１２に示すようにすくい面１２のすくい角αを第１の実施形態よりも絶対値で小さく設定しても逃げ面１３にある程度の逃げ角βを与えることができる。なお、図１２ではすくい角αが０°とされている。また、カッター本体１１は第１の実施形態と同様に接合面１４に露出した超硬合金層１７がろう付けされてＰＤＣビットに取り付けられる。

従って、このような第２の実施形態のＰＤＣカッターおよび該ＰＤＣカッターを取り付けたＰＤＣビットでは、すくい角αを小さくすることができるので、岩石６の切削の際に作用する抵抗を低減することができる。このため、ＰＤＣカッターの摩耗をさらに抑制して一層の長寿命化によるコスト削減を図ることができる。なお、切刃１５におけるすくい面１２と逃げ面１３との交差角は、第１の実施形態と同じく直角でも、また鋭角であってもよいが、たとえ鋭角とされていても、本発明のＰＤＣカッターは上述したように切削作用によって岩石６を破壊するものであって、例えばローラコーンビットやパーカッションビットに取り付けられるチップのように垂直力（荷重）の載荷と除荷が繰り返し行われるものではないので、欠損やチッピングの発生を抑制することができる。

また、この第２の実施形態では、こうして逃げ面１３が凸曲しているのに併せて、該逃げ面１３に露出するＰＣＤ層１６も切刃１５から離間する方向に向けて凸曲する層状をなしているので、従来のＰＤＣカッターや第１の実施形態のＰＤＣカッターと同様、図１３に示すように負のすくい角αをすくい面１２に設定した場合でも、これら従来のＰＤＣカッターや第１の実施形態のＰＤＣカッターと比べて、すくい面１２先端の切刃１５付近におけるＰＣＤ層１６の水平力が作用する方向への厚みＷｎを大きくすることができる。このため、切刃１５付近のＰＣＤ層１６を背面側から強固に支持することができて、その破損やチッピングを一層確実に防止することが可能となるとともに、逃げ面１３の摩耗もより効果的に抑制することができる。

さらに、この第２の実施形態では、ＰＣＤ層１６における超硬合金層１７側の境界部が、第１の実施形態と同様に切刃１５に沿って湾曲する曲面状とされているのに加えて、切刃１５から離間する方向にも湾曲する曲面状とされるので、中間層１８との接合面積をさらに大きく確保してＰＣＤ層１６の剥離を一層確実に防止することができる。これは、中間層１８と超硬合金層１７との境界部についても同様である。

なお、これら第１、第２の実施形態のＰＤＣカッターでは、カッター本体１１が円板状に形成されていて、接合面１４とされる第１の円形面に露出した超硬合金層１７がろう付けされてＰＤＣビットに取り付けられるが、図１４に側面図を示す第３の実施形態のようにカッター本体１１が略半球状等に形成されていて、その球面等の凸曲面状をなす背面が超硬合金層１７とされており、この背面の超硬合金層１７を接合面１４としてろう付けすることによってカッター本体１１をＰＤＣビットに取り付けるようにしてもよい。

ここで、この第３の実施形態において、すくい面１２とされる円形面（第１、第２の実施形態における第１の円形面）側のＰＣＤ層１６、超硬合金層１７、および中間層１８の構成は第２の実施形態と同様である。また、このようなＰＤＣカッターが取り付けられるＰＤＣビットのビット本体２１においては、上記接合面１４の超硬合金層１７が接合させられるポケット２５の背面２５Ａが、カッター本体１１の背面がなす球面等の凸曲面が密着可能な凹曲面状に形成される。

従って、このような第３の実施形態のＰＤＣカッターによれば、接合面１４とビット本体２１との接合面積を第１、第２の実施形態のＰＤＣカッターよりも大きく確保することができ、その接合強度の向上を図ることが可能となる。なお、第１の実施形態のＰＤＣカッターにおいて、上記第２の円形面の直径と等しい直径の半球状等の超硬合金層１７を該第２の円形面側に設けて、この半球状等の超硬合金層１７を接合面１４としてビット本体２１に接合するようにしてもよい。

さらに、図１５ないし図１７は、本発明のＰＤＣカッターの第４の実施形態を示すものであり、第１ないし第３の実施形態ではすくい面１２が円形面とされていて、ＰＣＤ層１６および中間層１８がこの円形面の径方向に略一定の厚さに配設されていたのに対し、この第４の実施形態を初めとして、図１８ないし図２０に示す第５ないし第７の実施形態では、すくい面１２が図１５に示すような長円形面（ただし、図１５では長軸方向に１／２とされた長円）、または図２０に示すような楕円形面（ただし、図２０では長軸方向に１／２とされた楕円）とされて、その凸曲線をなす辺稜部が切刃１５とされ、この切刃１５が延びる方向にＰＣＤ層１６および中間層１８の厚さが異なる厚さとされている。

具体的に、第４ないし第６の実施形態では、切刃１５が図１５に示すように半円状とされていて、この半円の中央部ですくい面１２に露出するＰＣＤ層１６および中間層１８（第１、第２中間層１８Ａ、１８Ｂ）の厚さが最も厚く、切刃１５の両端部に向かうに従い漸次薄くなっている。また、第７の実施形態では、切刃１５が図２０に示すように半楕円状とされて、やはりこの半楕円の中央部でＰＣＤ層１６および中間層１８が最も厚く、両端部に向かうに従い漸次薄くなっている。

なお、第４ないし第６の実施形態では、図１６ないし図１９に示すように逃げ面１３が第２、第３の実施形態と同様、切刃１５から離間する方向に向けて凸曲する球面等の凸曲面状に形成されている。そして、この逃げ面１３に沿って切刃１５から離間する方向においても、図１７に示す断面図のようにＰＣＤ層１６および中間層１８（第１、第２中間層１８Ａ、１８Ｂ）の厚さは、切刃１５側において最も厚く、切刃１５から離間するに従い漸次薄くなっている。

また、第４ないし第７の実施形態では、切刃１５とは反対側の超硬合金層１７部分よりなるカッター本体１１の側面１９がすくい面１２に垂直な平坦面とされて、この側面１９とカッター本体１１の背面に露出する超硬合金層１７部分、および側面１９の両端から切刃１５の両端に延びる側面２０に露出した超硬合金層１７がろう付けされてＰＤＣビットに取り付けられる。ここで、図１５に示す側面１９から垂直に切刃１５の上記中央部に向けた方向のすくい面１２における超硬合金層１７部分の長さＬは、ビット本体２１の形状に合わせて任意に設定することができる。

このような第４ないし第７の実施形態では、ＰＤＣビットに取り付けたときにその先端側に最も突出して岩石の切削に使用される切刃１５の上記中央部において、ＰＣＤ層１６の厚さが最も厚くされているので、高価なＰＣＤの有効利用を図りつつチッピングや欠損を効果的に防ぐことができる。また、上記長さＬを大きくすることにより、図１５ないし図１９に破線で示すように側面２０や背面の超硬合金層１７部分を大きくしてビット本体２１への接合面積も大きくすることができるので、カッター本体１１とビット本体２１とのより強固な接合を可能とすることもできる。

なお、図１８に示す第５の実施形態では、第３の実施形態と同様に切刃１５の裏側のカッター本体１１の背面に、超硬合金層１７よりなる球面等の凸曲面状の部分が形成されている。また、図１９に示す第６の実施形態では、この第５の実施形態の背面の超硬合金層１７の一部がすくい面１２に平行に切り欠かれて、背面の平坦な接合面１４が大きくされている。このような第５、第６の実施形態では、ビット本体２１のポケットの寸法、形状を、露出した超硬合金層１７に合わせて形成することにより、第４の実施形態よりもさらに大きな接合面積を確保することができる。

次に、本発明のＰＤＣカッターのＰＣＤ層および中間層について、実施例を挙げて説明する。この実施例では、ＰＣＤ層と中間層とで、中間層の数、含有されるダイヤモンド粒子と超硬合金粒子の質量比、ダイヤモンド粒子や超硬合金粒子の粒子サイズ（粒径範囲）および含有率、超硬合金粒子の粒子サイズおよびその含有率、金属バインダーの組成、金属バインダーの添加割合（１００×（金属バインダー質量）／（ダイヤモンド粒子質量＋超硬合金粒子質量））、および各層の厚さを表１〜表５に示すように設定した。

表１は第１実施例を示すものである。この第１実施例では、中間層がＰＣＤ層から超硬合金層に向けて順に第１ないし第３中間層の３層であり、この順にダイヤモンド粒子と超硬合金粒子（ＷＣ粒子）の質量比が小さくなっており、すなわち含有されるダイヤモンド粒子が少なく、超硬合金粒子は多くなっている。また、第３中間層は第１、第２中間層よりも薄くなっている。

表２は第２実施例を示すものである。この第２実施例でも、中間層がＰＣＤ層から超硬合金層に向けて順に第１ないし第３中間層の３層であり、この順にダイヤモンド粒子と超硬合金粒子（ＷＣ粒子）の質量比が小さくなっているとともに、含有されるダイヤモンド粒子のサイズも小さくなっている。また、金属バインダー（Ｃｏ）の添加割合はＰＣＤ層から第１ないし第３中間層の順に増えており、第３中間層は第１実施例と同様に第１、第２中間層よりも薄くなっている。

表３は第３実施例を示すものである。この第３実施例では、ＰＣＤ層のダイヤモンドが２種類の粒子サイズのものによって構成されている。また、中間層は第１中間層のみの単層であり、この中間層において金属バインダーがＦｅおよびＣｏとされている。さらに、金属バインダーの添加割合もＰＣＤ層より中間層の方が僅かに多い。

表４は第４実施例を示すものである。この第４実施例でも、第３実施例と同様にＰＣＤ層のダイヤモンドが２種類の粒子サイズのものによって構成されているとともに、中間層は第１中間層のみの単層であり、この中間層において金属バインダーがＣｏおよびＦｅとされている。そして、この第４実施例では、中間層の超硬合金粒子がＴａＣとされるとともに、ＰＣＤ層の金属バインダーはＮｉとされている。

表５は第５実施例を示すものである。この第５実施例では、中間層が第１、第２中間層の２層であるとともに、ＰＣＤ層にも超硬合金粒子（ＷＣ粒子）が含有されており、ＰＣＤ層から第１、第２中間層の順にダイヤモンド粒子と超硬合金粒子の質量比が小さくなっている。なお、含有されるダイヤモンドおよびＷＣの粒子サイズは各層同じで、金属バインダーの添加割合も等しい。ただし、ＰＣＤ層の金属バインダーはＣｏ、中間層の金属バインダーはＦｅおよびＣｏである。

以上説明したように、本発明は、従来のＰＤＣカッターおよびＰＤＣビットが適用できる軟質で均質な地層の石油・天然ガス等の開発に加えて、従来のＰＤＣカッターおよびＰＤＣビットでは経済性の低い硬質で不均質な地層の石油・天然ガス開発、あるいは地熱開発や鉱山開発、および土木・建築分野にも利用することができる。

１１ カッター本体
１２ すくい面
１３ 逃げ面
１４ 接合面
１５ 切刃
１６ ＰＣＤ層
１７ 超硬合金層
１８ 中間層
１８Ａ 第１中間層
１８Ｂ 第２中間層
１９、２０ 側面
２１ ビット本体
２２ 凹所
２３ ノズル
２４ 凸部
２５ ポケット
２５Ａ ポケット２５の背面
Ｏ ビット本体２１の軸線
Ｔ ビット本体２１の回転方向
α すくい角（バックレーキ角）
β 逃げ角
θ サイドレーキ角
Ｖ 垂直力
Ｈ 水平力
Ｐ 荷重

Claims (9)

1. 軸線回りに回転されるビット本体の先端部に取り付けられて、上記ビット本体の回転力と上記軸線方向先端側への推力とによる切削作用によって坑井を掘削する坑井掘削用ＰＤＣカッターであって、
   少なくとも多結晶ダイヤモンド層と超硬合金層とを有するカッター本体を備え、
   上記ビット本体の回転方向に向けられる上記カッター本体のすくい面と上記軸線方向先端側に向けられる逃げ面との交差稜線部に凸曲線状をなす切刃が形成され、
   上記多結晶ダイヤモンド層は上記切刃を含む上記カッター本体の逃げ面側の領域に配設されるとともに、上記超硬合金層は上記多結晶ダイヤモンド層よりも上記カッター本体のすくい面の内側の領域に配設されていることを特徴とする坑井掘削用ＰＤＣカッター。
2. 上記多結晶ダイヤモンド層と超硬合金層との間には、これら多結晶ダイヤモンド層と超硬合金層との中間層が配設されていることを特徴とする請求項１に記載の坑井掘削用ＰＤＣカッター。
3. 上記多結晶ダイヤモンド層における上記超硬合金層側の境界部は、曲面状をなしていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の坑井掘削用ＰＤＣカッター。
4. 上記カッター本体は円板状に形成されて、その円形面が上記すくい面とされるとともに該円形面の円周に上記切刃が形成され、上記多結晶ダイヤモンド層は上記カッター本体の外周面の全周に配設されていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の坑井掘削用ＰＤＣカッター。
5. 上記カッター本体の逃げ面は、上記切刃から離間する方向に向けて凸曲する凸曲面をなしていることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の坑井掘削用ＰＤＣカッター。
6. 上記多結晶ダイヤモンド層は、上記切刃から離間する方向に向けて凸曲する層状をなしていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の坑井掘削用ＰＤＣカッター。
7. 請求項１から請求項６のうちいずれか一項に記載の坑井掘削用ＰＤＣカッターが、軸線回りに回転されるビット本体の先端部に、上記カッター本体のすくい面を上記ビット本体の回転方向に向けるとともに、上記カッター本体の逃げ面を上記軸線方向先端側に向けて取り付けられていることを特徴とする坑井掘削用ＰＤＣビット。
8. 上記切刃の先端から上記ビット本体の周方向に沿った上記カッター本体の断面において上記多結晶ダイヤモンド層は上記軸線方向に対向する方向に延びるように配設されていることを特徴とする請求項７に記載の坑井掘削用ＰＤＣビット。
9. 上記カッター本体は、上記超硬合金層が融点７００℃以下のろう材によって上記ビット本体に接合されて取り付けられていることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の坑井掘削用ＰＤＣビット。

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