JP2021535299A - 湾曲したスラッジ溝を有するドリルビット - Google Patents

Abstract

ヘッドと軸方向後方スカートとを有する衝撃ドリルビット。複数のリブが、スカートにおいて径方向外方に突出し、長さ方向に延在するチャネルを画定する。リブおよびチャネルは、長さ方向において、ドリルビットの長手軸から逸脱するように湾曲または角度付けされて、微粉およびフラッシング流体の後方移送を促進する。【選択図】図１

Description

本発明は、岩石ドリルビットに関し、詳細には、ヘッドと、流体および切削された岩石を軸方向後方に移送するように構成されたスラッジチャネルを画定するためにそれに沿って長さ方向リブが径方向外方に突出する軸方向後方スカートと、を有する衝撃岩石ドリルビットに関するが、これに限られない。

衝撃ドリルビットは、硬い岩石に比較的浅い穴を開けるためにも、また、深いボーリング孔を作り出すためにも、幅広く使用されている。後者の用途の場合、典型的には、穴の深さが増すにつれて複数のロッドがねじ継手を介して端と端とで結合される、ドリルストリングが使用される。地上機械が、組み合わせられた衝撃と回転駆動運動とをドリルストリングの上方端部に伝達する働きをし、一方で、下方端部に位置付けられたドリルビットが、岩石を圧砕してボーリング孔を形成する働きをする。ＷＯ２００６／０３３６０６は、一般にボタンと呼ばれる複数の硬質切削インサートを搭載するドリルヘッドを備えた典型的なドリルビットを開示している。そのようなボタンは、ドリルビットの寿命を延ばすために、カーバイドを基礎とする材料を含む。

流体が、典型的には、ドリルストリングを通して流され、ドリルヘッド内の開口を介してボーリング孔の底部において流出して、岩石切削物をドリルストリングの外側の周りで後方に搬送されるようにボーリング領域から洗い流す。

岩石をボーリングするドリルビットの有効性は、切削領域からの岩石破片の後方移送に依存する。切削された岩石は、典型的には、フラッシング流体と組み合わさってスラッジを形成し、また、岩石の再破砕および対応するドリルビットの運用寿命の短縮を回避するためには、切削中にスラッジが後方に移送されることが重要である。さらに、移送されないスラッジは、ビット引抜き中に起こり得るボーリング孔の崩壊のリスクを高めることに加えて、穴を閉塞してドリルビットの軸方向後方への引抜きを妨げるように働く。したがって、これらの問題に対処することがドリルビットに必要とされている。

本発明の目的は、ドリルビットを提供することであり、詳細には、フラッシング流体および切削された岩石を典型的にはスラッジの形態でボーリング孔の前方切削領域から軸方向後方に移送することを促進するための衝撃岩石ドリルビットを提供することである。

さらなる目的は、ドリルビットの運用寿命するために岩石破片の不必要な再破砕または粉砕を最小限に抑えるドリルビットを提供することである。

なおもさらなる目的は、前方への穿孔に続く後方への引抜きを促進しまたドリルストリングおよびドリルビットが後方に引き抜かれるときのボーリング孔崩壊を防ぐためのドリルビットを提供することである。

目的は、切削ヘッドから軸方向後方に延在するスカートを有するドリルビットを提供することによって達成され、このスカートは、ドリルビットの軸方向前方への穿孔中および軸方向後方への引抜き中の両方での岩石屑およびフラッシング流体の軸方向後方移送に特に適したスラッジ溝を備える。スカートにおけるスラッジ溝は、軸方向に延在するリブによって画定され、このリブは、長手軸に対して斜めに向けられるように、リブの長さ方向においてビットヘッドとスカートの軸方向最後方部分との間でドリルビットの長手軸に対して屈曲または湾曲されている。つまり、スラッジ溝（本明細書ではチャネルと呼ばれる）を画定するリブは、軸の周りで周方向に逸脱するように偏向されていると見なされ得る長さ成分を有する。場合により、リブおよびチャネルの長さ方向経路は、軸の周りで螺旋状とされ得る。

本発明の第１の態様によれば、ドリルビットの長手軸の周囲でのドリルビットの回転により岩石を摩耗させるための切削要素を有するヘッドと、ヘッドから軸方向後方に延在するスカートと、径方向外方に突出し、スカートに沿って軸方向に延在して軸方向に延在するチャネルを画定する複数のリブであって、リブおよびチャネルのそれぞれが、ヘッドとスカートの軸方向後方端部との間のある方向において軸方向に延在する長さを有する、複数のリブと、を備えるドリルビットであって、リブまたはチャネルの長さ方向部分が長手軸に対して斜めであるように、長さ方向においてリブおよびチャネルの少なくとも一部分が屈曲または湾曲されていることを特徴とする、ドリルビットが提供される。

リブおよびチャネルは、周方向に位置合わせされた一致する幅、および、径方向に延在する深さを備える。幅および深さは、リブおよびチャネルの長さに沿って一様であってもよいし、一様でなくてもよい。しかし、幅および深さの任意の変形によれば、ヘッドとスカートの軸方向最後方部分との間のある方向においてスカートに沿ったリブおよびチャネルの長さ方向経路は、軸の周りで少なくともある程度周方向に延在するように、長手軸に対して非平行、すなわち斜めである。

リブまたはチャネルが長手軸に対して斜めであることへの本明細書における言及は、リブおよびチャネルの配列が少なくともリブおよびチャネルの長さの一部分にわたってビットの長手軸に対して非平行であることを包含する。軸に対するリブまたはチャネルの配向は、各リブがリーディング面、リーディングエッジ、ランド面、トレーリングエッジ、およびトレーリング面によって全体的に画定されている状態の全体的な配向を包含する。そのような面およびエッジは、直線状であってもよくまたは湾曲していてもよいが、重要なことには、少なくともいくつかまたは全てが（面およびエッジのそれぞれの軸方向長さの少なくとも一部分にわたって）長手軸に対して非平行に位置合わせされる。

場合により、長手軸に対して斜めであるリブおよびチャネルの部分は、スカートの軸方向後方部分に位置決めされる。場合により、リブおよびチャネルの軸方向前方部分が、長手軸に対してほぼ平行に位置合わせされる。直線状の軸方向前方部分は、切削された岩石およびフラッシング流体の即座の後方移送を提供するのに効果的であり、一方で、リブおよびチャネルの斜めに位置合わせされた軸方向後方部分は、スラッジがドリルビットから後方へドリルストリングの外部表面にわたって螺旋状のまたは渦巻状の流路を辿るのを促進するのに効果的である。

場合により、軸方向後方部分は、ヘッドの軸方向最後方領域とスカートの軸方向後方端部との間でスカートの長さの２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、または９０％まで延在する。軸方向後方部分は、スカートの長さの大部分にわたって延在することが好ましい。軸方向後方部分は、ヘッドの軸方向最後方領域とスカートの軸方向後方端部との間でスカートの長さの３０から８０％、４０から８０％、５０から８０％、または５０から７０％にわたって延在することが好ましい。

場合により、リブおよびチャネルの長さ方向部分は、軸の周りで少なくとも部分的に螺旋状である。この配列は、ボーリング孔に沿って軸方向後方にスラッジの非直線状の流れを提供すること、および、引抜き中にドリルビットが動けなくなるのを回避することに効果的である。

各リブは、径方向外方に面するランド面によって隔てられたリーディング面およびトレーリング面を備え、リーディング面およびトレーリング面が、少なくとも部分的にチャネルを画定することが、好ましい。どのチャネル内のリーディング面からトレーリング面への移行部も、各チャネルのトラフ領域にわたって連続的に湾曲され得る。

長さ方向において、リブのリーディング面およびトレーリング面の両方が、長手軸に対して斜めに位置合わせされるように軸の周りで同じ周方向に屈曲または湾曲されることが、好ましい。そのような配置は、ドリルストリングの外部表面にわたる螺旋状のまたは渦巻状の流路と見なされ得るものにフラッシング流体および切削された岩石を適切に送り込むのに有効である。

長さ方向において、ランド面とそれぞれのリーディング面およびトレーリング面との間の接合点におけるリブのリーディングエッジおよびトレーリングエッジの少なくとも一部分が、長手軸に対して斜めに位置合わせされるように屈曲または湾曲されることが、好ましい。長手軸に対して斜めであるリーディングエッジおよびトレーリングエッジの部分は、スカートの軸方向後方部分に位置決めされることが好ましい。

長手軸に直角な横断平面において、リーディング面は、長手軸の周囲でのビットの回転方向に対してほぼ垂直に位置合わせされることが好ましい。この構成は、穴内での周方向（おおよそ螺旋状の流路）におけるスラッジの流れを含むのに有益である。場合により、長手軸に直角な横断平面において、トレーリング面は、ビットの回転方向に対して横方向にかつ／またはリーディング面に対して斜めに位置合わせされる。

場合により、リブの長さが周方向に逸脱するようにリブが屈曲または湾曲される角度は、長手軸に対して１から２０°、１から１８°、１から１６°、１から１４°、１から１２°、２から１２°、３から１０°、３から８°、または４から６°の範囲内である。リブのそのような斜めの配列は、フラッシング流体および切削された岩石をドリルビットから離れるように軸方向後方に適切に向けることによりドリルビットが引抜き中に動けなくなるのを防ぐのに有効である。ドリルビットは、内部穴と、穴の前方端部から軸方向に延在してヘッドの前方切削面に開口部として出現する通路と、をさらに備え、ヘッドに沿って軸方向に延在するチャネルのうちの少なくともいくつかが、開口部と連通することが、好ましい。場合により、チャネルのおおよそ半分が、切削面における開口部と連通して設けられる。

切削要素は、ヘッドに埋め込まれた切削ボタンを含むことが好ましい。切削ボタンは、従来の構成に従って、超硬質カーバイド材料から形成され得る。理解されるであろうように、本ドリルビットは、切削ヘッドにおける様々な切削ボタン分布に加えて、任意のヘッド構造を備え得る。切削ボタンは、切削面に設けられたゲージボタン、中間ボタン、および径方向内側ボタンを含むことが好ましい。

次に、単なる例として、また、添付の図面を参照しながら、本発明の特定の実施について説明する。

本発明の特定の実施による衝撃ドリルビットの上方からの斜視図である。 図１のドリルビットの側面斜視図である。 図２のドリルビットの下方からの斜視図である。 図３のドリルビットの後端斜視図である。 図３のドリルビットの断面斜視図である。

図１から３を参照すると、衝撃ドリルビット１０が、細長いスカート１２がそこから軸方向後方に延在している切削ヘッド１１を備える。ヘッド１１は、前方に面する切削面１３を備え、この切削面１３は、特定の実施によれば、前方切削方向においてドーム形とされる。複数の超硬質切削ボタンが、切削面１３に埋め込まれ、また、理解されるであろうように、径方向外側のゲージボタン１４ａ、および内側ボタン１４ｂを含む。ヘッド１１には、隆起した環状ショルダ１６が設けられ、この環状ショルダ１６の軸方向前方領域は、ゲージボタン１４ａを搭載する。

図５を参照すると、スカート１２は、中空であり、かつ、ビット１０の長手軸１９を中心とする内部穴２６を備える。フラッシング流体通路２７のセットが、穴２６の前方端部２８から軸方向前方に延在して、切削面１３に開口部１５として出現する。特定の実施によれば、３つの流体通路が、穴２６と連通して設けられて、切削面１３に出現する。それぞれの溝またはチャネル１８ａが、軸１９からヘッドショルダ１６へ向かう方向において、各開口部１５から径方向外方に突出する。チャネル１８ａは、切削面１３内に、またショルダ１６内に凹設されて、スカート１２の全軸方向長さに沿ってヘッド１１から軸方向後方に延在する。ビット１０は、各個別の通路２７（および開口部１５）と流体連通している第１のチャネル１８ａと、ネック１２ｄにおけるその軸方向前方端部で終端しかつ軸１９に向かって面１３の中間領域にわたって延在しない第２のチャネル１８ｂとを含む、２つのタイプのフラッシング溝を備える。

図１および３を参照すると、スカート１２は、軸１９を中心としかつネック１２ｄ（ショルダ１６の軸方向最後方領域を表わす）とスカート１２の軸方向最後方端部１２ｅとの間に延びる、軸方向長さを備える。スカート１２は、その長さに沿って、スカート１２の（各セクション内の）最大外径によって画定された複数の軸方向セクションに分割されると見なされ得る。軸方向においてネック１２ｄのすぐ後方にある第１のセクション１２ａが、最小直径を備え、第２の中間セクション１２ｂが、第１のセクション１２ａに対して径方向に拡大されており、軸方向最後方の第３のセクション１２ｃが、第１および第２のセクション１２ａ、１２ｂに対して径方向に拡大されている。それぞれの環状ステップ領域２９が、異なる直径のセクション１２ａ、１２ｂ、１２ｃ間の移行部を提供する。

ネック１２ｄと後方端部１２ｅとの間でスカート１２の長さに沿ったチャネル１２ａ、１２ｂのそれぞれは、参照番号１７により全体的に示された軸方向に延在するリブによって画定（すなわち、側面に配置）される。つまり、リブ１７は、ヘッド１１からスカート後方端部１２ｅまでスカート１２の全長に延在する。各リブ１７の周方向における厚さは一様でなく、かつ、ネック１２ｄとスカート後方端部１２ｅとの間で軸１９の方向において変化する。さらに、各リブ１７は、周方向に逸脱または偏向するように、ネック１２ｄとスカート後方端部１２ｅとの間でリブ１７の長さ方向において湾曲される（あるいは、角度付けされる、または屈曲されると言われる）。特定の実施によれば、リブ１７のそれぞれは、後方の第２および第３のセクション１２ｂ、１２ｃ内で屈曲されるが、ヘッド１１のすぐ後ろの軸方向前方セクション１２ａ内では実質的に直線状である。したがって、チャネル１８ａ、１８ｂもまた、第２および第３のセクション１２ｂ、１２ｃ内で周方向に逸脱するように屈曲される（あるいは、角度付けされる、または湾曲されると言われる）。したがって、（セクション１２ｂ、１２ｃ内の）リブ１７およびチャネル１８ａ、１８ｂの軸方向長さの少なくとも一部分は、軸１９に対して斜めに位置合わせされる。特定の実施によれば、（セクション１２ｂ、１２ｃ内の）リブ１７およびチャネル１８ａ、１８ｂは、第１のセクション１２ａの後方端部とスカート後方端部１２ｅとの間で軸１９を中心として部分的に螺旋状の経路を辿る。

図２を参照すると、各リブ１７がその長さ方向において軸１９から（軸１９に対して斜め／非平行になるように）屈曲または偏向される角度θは、１から２０°、３から１０°、または３から８°の範囲内とされ得る。そのような逸脱は、第２および第３のセクション１２ｂ、１２ｃ内のリブ１７の全体的な長さ経路を指す。図２に示されるように、各セクション１２ａ、１２ｂ、１２ｃがスカート１２のそれぞれ３分の１をほぼ表わすので、組み合わせられた後方セクション１２ｂ、１２ｃは、スカート１２の長さの大部分を表わす。リブ１７（およびチャネル１８ａ、１８ｂ）が軸１９に対して斜めになる軸方向長さは、２０〜１００％、３０〜９０％、４０〜８０％、または５０〜７０％の範囲内とされ得る。

図２から４を参照すると、各リブ１７およびチャネル１８ａ、１８ｂは、径方向最内側トラフ２２を含むようにさらに画定されてよく、この径方向最内側トラフ２２は、長さ方向において、第１の側ではその横にリーディング面２０が配置され、反対側ではトレーリング面２５がその横に配置される。面２０、２５は、回転方向Ｒ（図４）に関連してそのように名付けられている。各リブ１７は、各セクション１２ａ、１２ｂ、１２ｃ内のスカート１２の径方向最外側領域を表わすランド面２３を備える。ランド面２３は、リーディング面２０との接合点における前縁２１、およびトレーリング面２５との接合点における後縁２４により、（軸１９を中心として周方向において）各側で終端されている。

各リブ１７およびチャネル１８ａ、１８ｂが軸１９に対して斜めに延在する角度θは、リブ１７およびチャネル１８ａ、１８ｂの全体的な長さ方向経路に対して、または、トラフ２２、リーディング面２０、リーディングエッジ２１、ランド面２３、トレーリングエッジ２４、および／もしくはトレーリング面２５の相対配向に関連して画定され得る。特定の実施によれば、トレーリングエッジ２４は、各リブ１７の周方向における厚さが第２および第３のセクション１２ｂ、１２ｃにわたってスカート後方端部１２ｅに向かって軸方向後方への方向において減少するように、リーディングエッジ２１と比べてより大きな角度で屈曲される。したがって、各チャネル１８ａ、１８ｂの周方向における幅は、セクション１２ｂ、１２ｃにわたって軸方向後方への方向において増大する。リーディングエッジ２１および／またはトレーリングエッジ２４がそれらの長さに沿って湾曲される場合、リーディングエッジ２１の半径は、リーディング面２０およびトレーリング面２５の対応する非平行配列を提供するように、トレーリングエッジ２４の対応する半径よりも大きくされ得る。

図４を参照すると、リーディング面２０は、軸１９を中心とする仮想円の接線に対して直角に位置合わせされるように、径方向スポーク３０上に位置合わせされかつ回転方向Ｒに対して垂直である、径方向外側部分を少なくとも備える。トレーリング面２５は、ランド面２３から径方向内方に下り傾斜になるように、スポーク３０およびリーディング面２０に対して横方向に位置合わせされる。

少なくとも第２および第３のセクション１２ｂ、１２ｃ内のリブ１７およびチャネル１８ａ、１８ｂのそれぞれの非直線状長さ方向経路は、典型的にはスラッジとして表わされるフラッシング流体と混合された切削物の軸方向後方移送を促進するのに有利である。つまり、リブ１７およびチャネル１８ａ、１８ｂの角度付けされたまたは湾曲した長さ方向配向は、ヘッド１１における切削領域からの、また、形成されたままの穴（ａｓ−ｆｏｒｍｅｄ ｂｏｒｅ）に沿って軸方向後方への、スラッジの後方への通過を促進する。さらに、リブ１７およびチャネル１８ａ、１８ｂの斜めの配列は、引抜き中にも方向Ｒに回転されるドリルビット１０の軸方向後方引抜きを促進する。スカート１２の外部領域の周りからまたヘッド１１において切削屑およびフラッシング流体を除去することは、引抜き中に穴が崩壊する可能性を最小限に抑えることに加えて、引抜き中にドリルビット１０が穴内で動けなくなるリスクを低下させる。

さらなる実施形態によれば、リブ１７およびチャネル１８ａ、１８ｂの湾曲または角度付けされた長さ方向の逸脱は、ネック１２ｄと後方端部１２ｅとの間でスカート１２の全軸方向長さに及んでもよい。各リブ１７が軸１９に対して位置合わせされる角度は、全てのリブ１７に対してまた各リブ１７の全ての領域において同じであってもよく、または、逸脱の角度は、リブ１７によってまた各リブ１７の領域によって異なっていてもよい。したがって、各チャネル１８ａ、１８ｂの幅は、ネック１２ｄとスカート後方端部１２ｅとの間で同じであってよく、または、長さ方向において様々であってもよい。

Claims (15)

1. ドリルビット（１０）であって、
   前記ドリルビット（１０）の長手軸（１９）の周囲での前記ドリルビット（１０）の回転により岩石を摩耗させるための切削要素（１４ａ、１４ｂ）を有するヘッド（１１）と、
   前記ヘッド（１１）から軸方向後方に延在するスカート（１２）と、
   径方向外方に突出し、前記スカート（１２）に沿って軸方向に延在して軸方向に延在するチャネル（１８ａ、１８ｂ）を画定する複数のリブ（１７）であって、前記リブおよびチャネルのそれぞれが、前記ヘッド（１１）と前記スカート（１２）の軸方向後方端部（１２ｅ）との間のある方向において軸方向に延在する長さを有する、複数のリブ（１７）と、
   を備え、
   前記リブ（１７）またはチャネル（１８ａ、１８ｂ）の長さ方向部分が前記長手軸に対して斜めであるように、前記長さ方向において前記リブ（１７）およびチャネル（１８ａ、１８ｂ）の少なくとも一部分が屈曲または湾曲されることを特徴とする、ドリルビット（１０）。
2. 前記長手軸（１９）に対して斜めである前記リブ（１７）およびチャネル（１８ａ、１８ｂ）の前記一部分が、前記スカート（１２）の軸方向後方部分に位置決めされる、請求項１に記載のドリルビット。
3. 前記リブ（１７）およびチャネル（１８ａ、１８ｂ）の軸方向前方部分が、前記長手軸（１９）に対してほぼ平行に位置合わせされる、請求項２に記載のドリルビット。
4. 前記軸方向後方部分が、前記ヘッド（１１）の軸方向最後方領域（１２ｄ）と前記スカート（１２）の前記軸方向後方端部（１２ｅ）との間で前記スカートの前記長さの２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、または９０％まで延在する、請求項２または３に記載のドリルビット。
5. 前記リブおよびチャネルの前記長さ方向部分が、前記軸（１９）の周りで少なくとも部分的に螺旋状である、請求項１から４のいずれか一項に記載のドリルビット。
6. 各リブが、径方向外方に面するランド面（２３）によって隔てられたリーディング面（２０）およびトレーリング面（２５）を備え、前記リーディング面（２０）およびトレーリング面（２５）が、少なくとも部分的に前記チャネル（１８ａ、１８ｂ）を画定する、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. 前記長さ方向において、前記リブ（１７）の前記リーディング面（２０）および前記トレーリング面（２５）の両方が、前記軸（１９）に対して斜めに位置合わせされるように前記軸（１９）の周りで同じ周方向に屈曲または湾曲される、請求項５に記載のドリルビット。
8. 前記長さ方向において、前記ランド面（２３）とそれぞれの前記リーディング面（２０）および前記トレーリング面（２５）との間の接合点における前記リブ（１７）のリーディングエッジ（２１）およびトレーリングエッジ（２４）の少なくとも一部分が、前記軸（１９）に対して斜めに位置合わせされるように屈曲または湾曲される、請求項６または７に記載のドリルビット。
9. 前記軸（１９）に対して斜めである前記リーディングエッジ（２１）および前記トレーリングエッジ（２４）の前記一部分が、前記スカート（１２）の軸方向後方部分に位置決めされる、請求項８に記載のドリルビット。
10. 前記長手軸に直角な横断平面において、前記リーディング面（２１）が、前記軸（１９）の周囲での前記ビットの回転方向（Ｒ）に対してほぼ垂直に位置合わせされる、請求項６に従属したときの請求項１から９のいずれか一項に記載のドリルビット。
11. 前記軸（１９）に直角な前記横断平面において、前記トレーリング面（２５）が、前記ビット（１０）の前記回転方向（Ｒ）に対して横方向にかつ／または前記リーディング面（２０）に対して斜めに位置合わせされる、請求項１０に記載のドリルビット。
12. 前記リブ（１７）の長さが周方向に逸脱するように前記リブ（１７）が屈曲または湾曲される角度（θ）が、前記軸（１９）に対して１から２０°の範囲内である、請求項１から１１のいずれか一項に記載のドリルビット。
13. 前記範囲が、３から１０°、３から８°、または４から６°である、請求項１２に記載のドリルビット。
14. 内部穴（２６）と、前記穴（２６）の前方端部（２８）から軸方向に延在して前記ヘッド（１１）の前方切削面（１３）に開口部（１５）として出現する通路（２７）と、を備え、前記ヘッド（１１）に沿って軸方向に延在する前記チャネル（１８ａ）のうちの少なくともいくつかが、前記開口部（１５）と連通する、請求項１から１３のいずれか一項に記載のドリルビット。
15. 前記切削要素が、前記ヘッド（１１）に埋め込まれた切削ボタン（１４ａ、１４ｂ）を含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載のドリルビット。
    

Images