JP2023538935A - 彫り込まれたドリルビット - Google Patents

Abstract

シャンク及びドリルビットヘッドを備え、シャンク及びドリルビットヘッドの両方とも長手方向軸を中心とする、ドリルビットであって、ドリルビットヘッドが、ゲージと、ゲージに隣接する周縁を有する前面と、を有し、周縁が、径Ｄ１を有し、周縁内の領域が、前面の総面積を画定し、前面が、前面の半径方向最内側セクションに中央島部、周縁に隣接する前面の半径方向最外側セクションに複数の周辺プラットフォーム、及び中央島部と周辺プラットフォームとの間に半径方向に位置決めされた陥凹セクションを有し、中央島部及び周辺プラットフォームが、陥凹セクションと比較して軸方向に隆起しており、複数の内側前方インサートが、中央島部上に位置決めされており、少なくとも１つの外側前方インサートが、周辺プラットフォームの各々上に位置決めされている、ドリルビットにおいて、陥凹セクションの領域が、前面の総面積の＞６２％であることを特徴とする、ドリルビット。【選択図】図２

Description

本発明は、打撃式削岩工具用のドリルビットに関し、より詳細には、硬質インサートを使用するそのようなドリルビットに関する。

打撃ドリルビットは、硬い岩石に比較的浅いボアをドリリングするため、及び深いボアホールを作成するための両方に広く使用されている。後者の用途では、典型的には、複数のロッドが相互連結されてドリルビットを前進させ、穴の深さを増加させる、ドリルストリングが使用される。「トップハンマドリリング」では、地上機械が、ドリルストリングの上端に衝撃及び回転駆動の組合せ運動を伝達するように動作し、同時に下端に位置決めされたドリルビットが、岩石を破砕してボアホールを形成するように動作する。「ダウンザホール」ドリリングでは、衝撃は、ストリングの上端を通るのではなく、穴内のドリルビットに直接連結されたハンマによって送達される。

ドリルビットは、典型的には、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る。そのようなインサートは、ドリルビットの寿命を高めるために炭化物系材料を含む。従来、ドリルビットは、破砕される材料と係合しかつボアホールの径を決定するように構成されたヘッドの外周に、円周方向に分布した複数のゲージインサートを備える。ヘッドはまた、ドリリングの軸方向最前部領域で破砕される材料に係合するためにヘッドの前面に設けられた複数の前方インサートを搭載する。１つ以上の流れ開口部は、通常は、ドリルビットの長さを通って延在し、ドリルビットヘッドの前方面に形成された流路に通じる。押し流し流体が、ドリルビットに取り付けられたドリルチューブを通してドリリング部位に導入され、破片は、ドリルビットヘッドの側部に沿って形成された軸方向に延在する溝を介してドリリング部位から押し流される。

問題は、切削インサートが摩耗するにつれて、ドリルの前面上の鋼がドリリングされている岩石と接触することである。これにより、よってドリリングされている岩石が効率的な方法で岩石を破壊しないこととなり、その結果、ドリリングの速度が低下することとなるため、望ましくない。

いくつかの既知の設計は、隆起した中央島部上に位置決めされた複数の内側前方インサートと、隆起した外側前面セクション上に位置決めされた複数の外側前方インサートと、が存在し、その間に位置決めされた陥凹セクションが、ドリルビットヘッドの側部上の溝に連結してドリルビットの前面からの破片の押し流しを容易にし、インサートが摩耗するにつれて鋼が岩石と接触することを回避するように配置された、前方インサートを有する。しかしながら、ドリリング効率をさらに改善するために、鋼の接触の回避をさらに改善する必要が依然としてある。

本発明の目的は、インサートが摩耗するにつれて鋼が岩石と接触するリスクを低減する新規かつ改善された設計を提供することである。この目的は、シャンク及びドリルビットヘッドを備え、シャンク及びドリルビットヘッドが両方とも長手方向軸を中心とする、ドリルビットであって、ドリルビットヘッドが、ゲージと、ゲージに隣接する周縁を有する前面と、を有し、周縁が、径Ｄ１を有し、周縁内の領域が、前面の総面積を画定し、前面が、前面の半径方向最内側セクションに中央島部、周縁に隣接する前面の半径方向最外側セクションに複数の周辺プラットフォーム、及び中央島部と周辺プラットフォームとの間に半径方向に位置決めされた陥凹セクションを有し、中央島部及び周辺プラットフォームが、陥凹セクションと比較して軸方向に隆起しており、複数の内側前方インサートが、中央島部上に位置決めされており、少なくとも１つの外側前方インサートが、周辺プラットフォームの各々上に位置決めされている、ドリルビットにおいて、陥凹セクションの領域が、前面の総面積の＞６２％であることを特徴とする、ドリルビットを提供することによって達成される。

有利には、ドリルビットの前面上の鋼の領域を陥凹させる又は彫り込むことにより、インサートが摩耗するにつれて鋼が岩石と接触するリスクが低減される。岩石との鋼の接触は、ドリリングの性能に悪影響を及ぼすため避けることが好ましい。

好ましくは、陥凹セクションの領域は、ドリルビットヘッドの前面の総面積の領域の＞６３％である。有利には、これにより鋼が接触するリスクがさらに低減する。

好ましくは、陥凹セクションの領域は、ドリルビットヘッドの前面の総面積の領域の＜８０％である。有利には、これによりインサートのより良好な支持が提供されることとなり、インサートが外れるリスクが低減することとなる。

好ましくは、陥凹セクションは、周辺プラットフォームの各々上の外側前方インサートの各々の間に、径Ｄ２を有する陥凹セクション外縁まで延在し、Ｄ２はＤ１の＞７０％、より好ましくは＞８０％である。有利には、これは、前面からより多くの鋼が除去されていることを意味し、したがって、インサートが摩耗するにつれて鋼が岩石と接触することの可能性が減少する。

任意選択的に、Ｄ２はＤ１の１００％までであり、言い換えれば、Ｄ２はＤ１に等しくてもよい。したがって、有利には、最大面積の鋼が除去されており、よって、鋼が岩石と接触するリスクがさらに低減される。

好ましくは、陥凹セクションは、周辺プラットフォーム上の内側前方インサートの各々の間に、径Ｄ３を有する陥凹セクション内縁まで延在し、Ｄ３はＤ１の＜４０％、好ましくは＜３２％である。有利には、これは、前面からより多くの鋼が除去されていることを意味し、したがって、インサートが摩耗するにつれて鋼が岩石と接触することの可能性が減少する。

好ましくは、Ｄ３はＤ１の＞１０％、より好ましくは＞１５％である。有利には、これは、インサートを確実に所定の位置に保持するのに十分な鋼がインサートを取り囲んでいることを意味する。

好ましくは、陥凹セクションは、インサートから少なくとも１．０ｍｍである。有利には、これにより、インサートの各々を確実に所定の位置に保持して保つのに十分な鋼がインサートの各々を取り囲んでいることが保証される。

好ましくは、ゲージは側面を有し、軸と側面との間の角度αは≧５°、より好ましくは≧６°である。有利には、これは、鋼と岩石との間のクリアランスを増加させ、ゲージインサートが摩耗するにつれて鋼が岩石と接触する場合に発生し得る先細り抵抗の発生を低減する。

好ましくは、αは≦１２°、より好ましくは≦９°である。有利には、これは、ゲージインサート穴とゲージの側面との間の良好な支持を提供する。

好ましくは、２つから４つ、より好ましくは３つの内側前方インサートが中央島部に位置決めされる。有利には、これにより、インサートで前面を十分に覆うことが保証される。

好ましくは、周辺プラットフォームの各々上に位置決めされた１つから３つ、より好ましくは２つの外側前面インサートが存在する。有利には、これにより、インサートで前面を十分に覆うことが保証される。

好ましくは、３つから８つの外側周辺プラットフォームが存在する。有利には、これにより、インサートで前面を十分に覆うことが保証される。

好ましくは、周辺プラットフォームは、外側前方インサートの各々の円周の少なくとも１０％、好ましくは少なくとも２０％の周りに２．５ｍｍ未満、好ましくは２．０ｍｍ未満の幅を有する。

好ましくは、中央島部は、内側前方インサートの各々の円周の少なくとも５０％の周り、好ましくは少なくとも６０％の周りに２．５ｍｍ未満、好ましくは２．０ｍｍ未満の幅を有する。

ここで、本発明の具体的な実施態様を、単なる例として、添付の図面を参照して説明する。

ドリルビットの斜視図である。 ドリルビットヘッドの前面の上面図である。 ドリルビットの断面図である。

図１は、ドリルビットヘッド４及びシャンク６を備えるドリルビット２を示しており、ドリルビットヘッド４及びシャンク６が両方とも長手方向軸８を中心とする。ヘッド４は、ヘッド４の最も前方の端部を画定する前面１０を有する。前面は、通常、円錐形又は円錐台形であるが、平坦、ドロップセンター、又は凹形などの任意の他の形状であってもよい。前方インサート１２（ボタンとしても知られている）を受容するための複数の穴が前面１０上に設けられており、インサート１２は、通常、略ドーム形状を有するが、丸みを帯びた、円錐形の、弾道形の、半球形の、平坦の、又は尖った軸方向前方切削先端部を有してもよい。インサート１２は、前面１０から軸方向に突き出た位置にあるようにドリルビットヘッドに埋め込まれている。インサート１２は、超硬合金などの非常に硬い材料で作製されており、一方、ドリルビット２の残りの部分は、異なる材料、典型的には鋼で作製されることとなる。

ゲージ１４が前面１０を取り囲み、ドリルビットヘッド４の周りに周辺リングを形成するゲージインサート１６を受容するための複数の穴がゲージ１４上に設けられている。ゲージインサート１６は、実質的に傾斜して軸８から外向きになるように半径方向外側に傾いている。溝１８（チップウェイ（ｃｈｉｐｗａｙ）としても知られている）が、隣接する周辺ゲージインサート１６間の領域に設けられており、その中を押し流し媒体が通過することができる。

削岩ドリルビット２は、通常の方法で回転運動を伝達するように、ねじ連結によって図示されていないドリルストリング内のドリルチューブ又はドリルロッドに、又は図示されていないダウンザホールハンマのドライバサブ（ｄｒｉｖｅｒ ｓｕｂ）に結合される。チューブ又はロッドは、押し流し媒体をドリルビット２の内側に、次いで陥凹セクション２２に位置決めされた押し流し穴２０を介して前面１０に搬送するためのチャネルを含む。陥凹セクション２２は、溝１８に連通している。換言すると、陥凹セクション２２は、効果的に、前面１０の彫られて除かれたセクションである。一般に水又は空気である押し流し媒体は、そうして、破片を前面１０上の陥凹セクション２２から溝１８内に除去のために押し流す。

前面１０は、径Ｄ１を有する、ゲージ１４に隣接する周縁２４を有する。溝１８の各々の間に、周縁２４から延在して、陥凹セクション２２と比較して軸方向に隆起しており、その結果陥凹セクション２２から直立している、周辺プラットフォーム２６（外側島部又は隆起した外側前面セクションとしても知られている）が存在する。図１は、各周辺プラットフォーム２６の間に陥凹セクション２２が突出している状態の３つの周辺プラットフォーム２６が存在することを示しているが、２つ、４つ、又は５つなどの異なる数の周辺プラットフォーム２６が存在してもよい。前面１０はまた、中央島部２８（中央プラットフォームとしても知られている）を有し、これもまた、陥凹セクション２２と比較して軸方向に隆起しているか、又は陥凹セクション２２から直立している。一実施形態では、中央島部２８は、軸８に対して実質的に垂直に位置合わせされている一方で、外側周辺プラットフォーム２６は、中央島部２８に対して下降するように、軸８に対して後方に先細りになるように面取りされている。中央島部２８と周辺プラットフォーム２６との間に半径方向に位置決めされた陥凹セクション２２もまた、中央島部２８に対して下降するように、軸８に対して半径方向に先細りになるように面取りされているが、陥凹セクション２２が軸８から延在する下降角度は、周辺プラットフォーム２６が軸８に対して延在する対応する角度よりも小さく、これは、前面１０が本質的にドーム形状であることを意味する。したがって、集合的に、中央島部２８、陥凹セクション２２、及び外側島部２６は、外周縁２４から前方に突出する略凸状又は平坦な前面１０を形成する。

既知の設計と比較して、陥凹セクション２２の領域は増加されている。前面１０の総面積は、周縁２４までの領域とみなされる。本発明の一実施形態では、陥凹セクション２２の領域は、前面１０の総面積の合計の＞６２％、好ましくは＞６３％、さらにより好ましくは＞６４％である。換言すると、前面１０の総面積の６２％超が、軸方向に彫り込まれている。

一実施形態では、陥凹セクション２２の領域は、前面１０の総面積の合計の＜８０％、好ましくは＜７５％である。

中央島部に対する陥凹セクション２２の深さは、典型的には約１から７ｍｍ、例えば約３ｍｍである。任意選択的に、中央島部２８と陥凹セクション２２との間、又は周辺プラットフォーム２６の間に位置決めされた移行領域４０は、任意選択的に放射状範囲を有するか、又は面取りされている。

図２は、複数の外側前方インサート３０が各周辺プラットフォーム２６上に位置決めされており、通例では各周辺プラットフォーム２６上に２つの外側前方インサート３０が位置決めされることを示しているが、１つ又は３つなどの異なる数であってもよい。周辺プラットフォーム２６は、外側前方インサート３０を取り囲む鋼である。外側前方インサート３０は、軸８から同じ又は異なる半径方向距離に位置決めされ得る。陥凹セクション２２は、外側前方インサート３０の各々の間に、径Ｄ２を有する陥凹セクション外縁３２まで延在する。一実施形態では、Ｄ２はＤ１の少なくとも７０％、好ましくは少なくとも８０％である。好ましくは、領域陥凹セクション２２は可能な限り大きくあるべきであり、すなわち、各隣接する外側前面インサート３０の間の彫り込まれた鋼の量は可能な限り多くあるべきであるが、隆起した少なくとも１．０ｍｍ、例えば１．０から５．０ｍｍを各インサートの円周の周りに残しており、すなわち、各外側前方インサート３０の縁部の周りは陥凹していない。Ｄ２はＤ１の１００％まででもよく、言い換えれば、Ｄ１とＤ２とは等しくてもよい。典型的には、３つの周辺プラットフォーム２６が存在するが、３から８の間など、異なる数が存在してもよい。

複数の内側前方インサート３４が中央島部２８上に位置決めされており、典型的には、３つの内側前方インサート３４が存在するが、２つ又は４つなどの異なる数の内側前方インサート３４も存在し得る。好ましくは、内側前方インサート３４は、軸８から同じ半径方向距離に位置決めされるが、軸８から異なる半径方向距離に位置決めされてもよく、互いからの最大距離は６ｍｍである。中央島部２８は、内側前方インサート３４を取り囲む鋼である。陥凹セクション２２は、内側前方インサート３４の各々の間に、径Ｄ３を有する陥凹セクション内縁３６まで延在する。一実施形態では、Ｄ３はＤ１の４０％未満、好ましくは３２％未満である。一実施形態では、Ｄ３は１０％超、好ましくは１５％超である。好ましくは、領域陥凹セクション２２は可能な限り大きくあるべきであり、すなわち、隣接する内側前面インサート３６の各対の間の彫り込まれた鋼の量は可能な限り多くあるべきであるが、各内側前面インサート３６の円周に少なくとも１．０ｍｍの隆起した鋼を残しており、すなわち、各外側前面インサート３０の縁部の周りは陥凹していない。好ましくは、各前面インサート３０の円周に５．０ｍｍ以下の隆起した鋼が存在する。

一実施形態では、周辺プラットフォーム２６は、外側前方インサート３０の各々の円周の少なくとも１０％、好ましくは２０％の周りに２．５ｍｍ未満、好ましくは２．０ｍｍの幅を有する。一実施形態では、中央島部２８は、内側前方インサート３４の各々の円周の少なくとも５０％の周り、好ましくは６０％の周りに２．５ｍｍ未満、好ましくは２．０ｍｍの幅を有する。

図３は、ドリルビット２の断面を示している。ビットヘッドクリアランス角αは、ゲージ１４の軸８側面３８間の角度である。本発明の一実施形態では、αは≧５°、好ましくは≧６°である。本発明の一実施形態では、αは≦１２°、好ましくは≦９°である。

上記及び以下に記載されるドリルビット２は、任意の打撃ドリリング機器、例えば、トップハンマドリル又はダウンザホール（ＤＴＨ）ドリルに使用され得る。

Claims (15)

1. シャンク（６）及びドリルビットヘッド（４）を備え、前記シャンク（６）及び前記ドリルビットヘッド（４）が両方とも長手方向軸（８）を中心とする、ドリルビット（２）であって、
   前記ドリルビットヘッド（４）が、ゲージ（１４）と、前記ゲージ（１４）に隣接する周縁（２４）を有する前面（１０）と、を有し、前記周縁（２４）が、径Ｄ１を有し、前記周縁（２４）内の領域が、前記前面（１０）の総面積を画定し、
   前記前面（１０）が、前記前面（１０）の半径方向最内側セクションに中央島部（２８）、前記周縁（２４）に隣接する前記前面（１０）の半径方向最外側セクションに複数の周辺プラットフォーム（２６）、及び前記中央島部（２８）と前記周辺プラットフォーム（２６）との間に半径方向に位置決めされた陥凹セクション（２２）を有し、
   前記中央島部（２８）及び前記周辺プラットフォーム（２６）が、前記陥凹セクション（２２）と比較して軸方向に隆起しており、
   複数の内側前方インサート（３４）が、前記中央島部（２８）上に位置決めされており、少なくとも１つの外側前方インサート（３０）が、前記周辺プラットフォーム（２６）の各々上に位置決めされている、
   ドリルビット（２）において、
   前記陥凹セクション（２２）の領域が、前記前面（１０）の前記総面積の＞６２％であることを特徴とする、
   ドリルビット（２）。
2. 前記陥凹セクション（２２）の前記領域が、前記ドリルビットヘッド（４）の前記前面（１０）の前記総面積の領域の＞６３％である、請求項１に記載のドリルビット（２）。
3. 前記陥凹セクション（２２）の前記領域が、前記ドリルビットヘッド（４）の前記前面（１０）の前記総面積の領域の＜８０％である、請求項１又は２に記載のドリルビット（２）。
4. 前記陥凹セクション（２２）が、前記周辺プラットフォーム（２６）の各々上の前記外側前方インサート（３０）の各々の間に、径Ｄ２を有する陥凹セクション外縁（３２）まで延在し、Ｄ２が、Ｄ１の＞７０％である、請求項１から３のいずれか一項に記載のドリルビット（２）。
5. Ｄ２が、Ｄ１の最大１００％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（２）。
6. 前記陥凹セクション（２２）が、前記周辺プラットフォーム（２６）上の前記内側前方インサート（３４）の各々の間に、径Ｄ３を有する陥凹セクション内縁（３６）まで延在し、Ｄ３が、Ｄ１の＜４０％である、請求項１から５のいずれか一項に記載のドリルビット（２）。
7. Ｄ３が、Ｄ１の＞１０％である、請求項１から６のいずれか一項に記載のドリルビット（２）。
8. 前記陥凹セクション（２２）が、前記インサート（３０、３４）から少なくとも１．０ｍｍである、請求項１から７のいずれか一項に記載のドリルビット（２）。
9. 前記ゲージ（１４）が、側面（３８）を有し、前記軸（８）と前記側面（３８）との間の角度αが、≧５°である、請求項１から８のいずれか一項に記載のドリルビット（２）。
10. αが、≦１２°である、請求項１から９のいずれか一項に記載のドリルビット（２）。
11. 前記中央島部（２８）上に位置決めされた２つから４つの内側前方インサート（３４）が存在する、請求項１から１０のいずれか一項に記載のドリルビット（２）。
12. 前記周辺プラットフォーム（２６）の各々上に位置決めされた１つから３つの外側前面インサート（３０）が存在する、請求項１から１１のいずれか一項に記載のドリルビット（２）。
13. ３つから８つの周辺プラットフォーム（２６）が存在する、請求項１から１２のいずれか一項に記載のドリルビット（２）。
14. 前記周辺プラットフォーム（２６）が、前記外側前方インサート（３０）の各々の円周の少なくとも１０％の周りに２．５ｍｍ未満の幅を有する、請求項１から１３のいずれか一項に記載のドリルビット（２）。
15. 前記中央島部（２８）が、前記内側前方インサート（３４）の各々の円周の少なくとも５０％の周りに２．５ｍｍ未満の幅を有する、請求項１から１４のいずれか一項に記載のドリルビット（２）。

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