JP4406793B2 - 変形圧力低減回転振動ドリルの溶接ジョイント - Google Patents

Description

本発明は回転振動ドリル用のドリルパイプに関し、特にドリルパイプ用のジョイントに関する。

回転振動ドリルはドリル作業を実行するために回転作用に加えられる振動力を利用する。ソニックドリルとは振動が音響範囲にある回転振動ドリルのことである。ソニックドリルは砂鉱採掘、コンクリートパイル打設、井戸掘り、並びにブラスト穴用、岩石開穴用並びに汚染度チェックのための土壌試験用の岩石掘削等に利用される。

従来のソニックドリル機械の１つの大きな問題は適したドリル工具の開発ができなかったことである。非常に強力な振動力がドリルパイプ内に発生する。標準ドリルパイプは回転ドリル作業時に発生するトルクには耐久性があるものの、ソニックドリルによる振動性伸張力/押圧力には耐久性がない。螺子構造により発生する変形圧力集中のため、これら振動性荷重は工具ジョイントの螺子端で特に問題となる。

ジョイント破損の問題に対処するための様々な試みが為されてきた。１つはドリルパイプに直接的に螺子を設けることであった。しかし完全なものではなかった。なぜなら、螺子はパイプの断面積を減少させ、前記のごとく変形圧力集中点としても作用したからである。

別の試みは厚壁パイプの使用であった。しかし、そのようなドリルパイプは腐蝕したり、その厚みとは無関係に共振して同量だけ伸張及び収縮することが発見された。大きな断面積はジョイントによって伝達されなければならない力を単に増加させるだけであり、螺子の破損につながる。

次に、ドリルパイプはドリルパイプの太さに比して相対的に厚い工具ジョイントで試験された。この構造体は油田や井戸の掘削に使用される回転ドリルにおいて普通に使用されている。これらは一般的に、パイプと、ジョイントで使用される螺子式連結部材との間の周辺圧接により、あるいは連結部材をパイプに摩擦溶（圧）接させて構成される。しかし、これら溶接部はソニックドリルでの疲弊荷重状態や高変形圧力集中に長期間は耐えることができない。

バードゲットの米国特許３５２１８１１で開示されている油田掘削プラットフォームのごとき他の目的でパイプ周囲に交互に配置された延出部とスロットを有したパイプジョイントが利用されてきた。しかし、この欠点はソニックドリル装置の問題には対応せず、問題を解消させない。

それら問題は米国特許５０８６８５４で相当程度に克服されている。この特許は、ドルルパイプがそのＶ形状スロットに沿って螺子式連結体に溶接されているドリル連結体を開示している。しかし、従来技術の大幅な改良にも拘わらず、問題点は残っている。特に、ドリルの寿命が希望よりも短いことが問題である。

その問題はドリルパイプのＶ形状スロットの底部の溶接パドルで引き起こされることが発見された。この溶接パドルは冷えると収縮して変形圧力を発生させる。パイプが振動すると、溶接パドルにはクラックが発生する。やがてクラックは互いに連結するまで広がり、パイプを破損させる。この現象が穴の深部で発生すると、破損部以下のパイプは失われ、大きな経済的損失となる。

収縮する溶接パドルにより引き起こされる変形圧力集中は理論的にはパイプの全長で変形圧力を軽減処理すれば低減または排除できる。しかし、変形圧力軽減炉はさほど長くはないので現実的ではない。さらに、ロッドと容器は適正にサポートされていなければ円形に大きな歪みが発生するため、１度には２、３部品のみが処理できるだけである。その結果、そのような変形圧力軽減は部品を高価なものにする。

よって、本発明の１目的は、従来の回転振動ドリル構造体、ドリル連結体及びドリル連結体を連結させる方法よりも優れた耐久性を提供する回転振動ドリル構造体、ドリル連結体並びに方法を提供することである。

本発明の別目的は、従来のものより工事費を安価にする回転振動ドリル構造体、ドリル連結体並びに方法を提供することである。

本発明の１特徴によれば、複数のドリルパイプを含んだ回転振動ドリル用のドリル連結体が提供される。それぞれのドリルパイプは長軸と少なくとも１つの端部とを有している。ドリルパイプに隣接するドリル連結体の端部間には雌型連結部材と雄型連結部材が提供される。雌型連結部材は隣接ドリルパイプの一方と係合する第１部分と、その一方から延び出る第２部分とを有しており、雄型連結部材は隣接ドリルパイプの他方と係合する第１部分と、その他方から延び出る第２部分とを有している。雌型連結部材の第２部分は雄型連結部材の第２部分と螺子式に係合する。ドリルパイプと連結部材の一方はドリルパイプの端部に隣接して間隔を開けて提供されている複数のスロットを有しており、その端部で外側に開いている。これらスロットは長軸に対して平行である。それぞれの連結部材は端部周辺に延びるスロットに沿った溶接部により隣接ドリルパイプの１本に連結されている。

本発明の別特徴によれば、長軸と端部とを有したドリルパイプと、螺子式連結部材とを含んだドリルパイプ構造体が提供される。螺子式連結部材はドリルパイプと係合する第１部分と、ドリルパイプから延び出る第２部分とを有している。ドリルパイプと連結部材の一方はドリルパイプの端部に隣接して間隔を開けて提供された複数のスロットを有しており、その端部で外側に開いている。これらスロットは長軸に対して平行である。それぞれの連結部材は端部周辺に延びるスロットに沿った溶接部により隣接ドリルパイプの１本に連結されている。

本発明の別特徴によれば、回転振動ドリル用ドリルパイプを螺子式連結部材に連結させる方法が提供される。ドリルパイプは長軸と端部とを有し、螺子式連結部材はドリルパイプと係合する第１部分と、ドリルパイプから延び出る第２部分とを有している。ドリルパイプと連結部材の少なくとも一方はドリルパイプの端部に隣接して間隔を開けて提供された複数のスロットを有しており、その端部で外側に開いている。これらスロットは長軸に対して平行である。それぞれの連結部材は端部周辺にてスロットに沿って溶接することで隣接ドリルパイプの１本に連結されている。

本発明の別特徴によれば、回転振動ドリル用ドリルパイプを螺子式連結部材に連結させる方法が提供される。ドリルパイプは長軸と端部とを有し、螺子式連結部材はドリルパイプ内で係合する第１部分と、ドリルパイプから延び出る第２部分とを有している。ドリルパイプと連結部材の少なくとも一方はドリルパイプの端部に隣接して間隔を開けて提供された複数のスロットを有しており、その端部で外側に開いている。連結部材は、まずドリルパイプの端部に隣接してスロットを溶接し、ドリルパイプの端部に隣接する溶接部を打撃処理し、ドリルパイプのその端部周辺でスロットに沿って溶接することでドリルパイプに連結される。

本発明は従来のものより大幅に改善されている。ドリル連結体の寿命は従来のものより長い。さらに、変形圧力の軽減のごとき別方法と較べて経済的である。高価なドリルをドリル穴に落下させる可能性は大きく低減される。さらに、ドリル構造体の構造は従来のものより単純化されている。

図１はソニックドリル装置１０を示しており、本例ではトラック１２の荷台に搭載されている。前述のように、ソニックドリルは回転振動ドリルであり、振動は音響範囲である。ドリル装置は従来のものであり、詳細は省略する。

ドリル装置はドリル連結体１４に連結されている。ドリル連結体１４は複数のドリルパイプ構造体１６、１６.１、１６.２、１６.３を含み、ドリル工具２０を先端に装着しており、表土２４を通してドリル穴２２を掘削する。ドリルパイプ構造体はパイプ連結部１８で連結されている。

パイプ連結部１８は図２と図３で示されている。連結体は雄型螺子連結部材２６と、雌型螺子連結部材２８とを含んでいる。図３で示すように、雄型部材２６の螺子部３０は雌型部材２８の螺子部３２と螺合する。

連結部材２６と２８はそれぞれ外側部分３４と３６を有している。外側部分３４と３６は連結部１８で接しており、螺子部３０と３２はそれら外側部分に機械加工されている。連結部材２６は内側部分３８を有している。内側部分３８は連結部材２６の肩部４０から内端４２に延びており、本例ではパイプ内にフィットすることでパイプ１７と係合する。それぞれのパイプ構造体はパイプ構造体１６と１６.１のパイプ１７と１７.１のごときパイプを含んでいる。本例ではパイプは明細４０タイプの４インチパイプであるが、他のパイプでも構わない。本発明は４インチ以外のパイプにも適用できる。

連結部材２６の内側部分３８は、直径がパイプ１７の内径とほぼ等しい外面４４を有している。パイプの端部分４６は図２で示すように連結部材２６の内側部分３８と重なり、肩部４０と接する端部４８を有している。本例では、パイプ１７と外側部分３４は等しい外径を有しており、ドリル連結体１４に単一の外径を提供している。

連結部材２８は肩部５２から内端５４に延びる内側部分５０を有している。それは連結部材２６の内側部分３８と類似した形状を有しており、パイプ部材１７.１の端部分５６と係合する。

本例では連結部材２６と２８は、炭素０.３５％、マンガン１.４％、ケイ素０.３％、硫黄０.０５％及びリン０.０４％を含有する４１３０のごとき鋼鉄合金管で製造されている。しかし、他の金属や合金でも利用できる。

本好適実施例においては、連結部材は最終加工に先立って熱処理及び変形圧力軽減処理されている。連結部材の内側部分はドライアイス内で冷却され。またはパイプ端部は１５０℃に加熱されて組立て時に連結部材の内側部分にパイプをフィットさせる。

図２で示すように、パイプ１７.１の端部分５６は複数のスロット５８を有している。スロット５８は図４で示すように連結部材２８の外側部分３６に隣接する開いた端部６４を有している。スロットはパイプ１７と１７.１の軸方向に延びており、それらの共通軸６２に平行である。本例では、パイプ１７.１周囲に１２のスロットが設けられている。スロット同士は間隔が開けられており、本例ではＵ形状である。

実際には、連結部材２８はパイプ１７.１の端部７６周囲でそれぞれのスロット５８に沿って溶接することでドリルパイプ１７.１に接合されるであろう。しかし、図２においては説明のために上部パイプ１７と連結部材２６にのみ施されている。

溶接部７７はスロット５８に沿って延び、スロットを充填してパイプ１７を連結部材２６と連結させている。溶接はそれぞれのスロットの開いた端部に溶接材料を置き、金槌で打ち込む。打ち込み処理によって金属は延展し、変形圧力を軽減する。これでドリル構造体は従来のものよりも短くできる、さらに多くのスロットを有する。これで振動により引き起こされる交互変形圧力が軽減される。このように、Ｖ形状の従来のものより多くのスロットが提供され、負荷を分散させることができる。

前述のように、端部４８に隣接するパイプ１７の部分は連結部材２６の内側部分３８と重なる。溶接部７７はパイプ部材１７を連結部材２６に固定させる。溶接部はスロットに沿って延び、パイプ１７の軸方向に整合する。

好適にはパイプ部材と連結部材の端部分は鋼鉄合金の溶接における従来方法と同様に最低でも１５０℃に予備加熱される。溶接部７７は本好適実施例においては最低でも１/４インチであり、Ｅ７０１８の低水素ロッドまたはフラックス入りワイヤが溶接に利用される。好適には溶接部は炎処理によって変形圧力が軽減される。

本実施例ではパイプ１７の端部と連結部材２６の外側部分３４との間には周囲溶接部７４も提供される。これは溶接部７７を相互連結させるものである。同様な周囲溶接部がパイプ１７.１を連結部材２８に固定する。

さらなる例示として、パイプ部材を連結部材内にフィットさせることができる。この場合、スロットは連結部材内である。

前出の実施例は本発明の説明のみを目的としており、本発明を限定するものではない。

図１は、ドリル穴内に収納された状態のソニックドリル装置の概略図である。 図２は図１で示すドリル連結体の一部の斜視図であり、本発明の接合体が示されており、下方のドリル構造体の連結部材は非溶接状態である。 図３は図２の３-３線に沿った断面図である。 図４は図２のドリルパイプの展開図であり、スロットを示す。

Claims (18)

1. 複数のドリルパイプを含んだ回転振動ドリル用のドリル連結体であって、それぞれのドリルパイプは長軸と少なくとも１つの端部とを有しており、
   該ドリルパイプに隣接する該ドリル連結体の端部間には雌型連結部材と雄型連結部材とが提供されており、
   該雌型連結部材は該隣接するドリルパイプの一方と係合する第１部分と該ドリルパイプの該一方から延び出る第２部分とを有しており、
   前記雄型連結部材は該隣接するドリルパイプの他方と係合する第１部分と該ドリルパイプの該他方から延び出る第２部分とを有しており、
   前記雌型連結部材の第２部分は前記雄型連結部材の第２部分と螺子式に係合し、
   前記ドリルパイプと前記連結部材の一方は、該ドリルパイプの前記端部に隣接する間隔を開けて提供された複数のスロットを有しており、該スロットは前記長軸に対して平行であり、該スロットは該端部で外側に開いており、
   前記連結部材のそれぞれは、前記隣接するドリルパイプの端部周辺に延びる前記スロットに沿った溶接部によって該隣接するドリルパイプの一方に連結されていることを特徴とする、回転振動ドリル用のドリル連結体。
2. ドリルパイプは連結部材の第１部分を覆うように該第１部分に係合し、スロットは該ドリルパイプ内であることを特徴とする請求項１記載のドリル連結体。
3. それぞれのスロットは曲形状の端部を有しており、ドリルパイプの端部の少なくとも一方に間隔を開けて提供されていることを特徴とする請求項２記載のドリル連結体。
4. 溶接部は、隣接するドリルパイプの端部周辺全体に延びる輪を形成することを特徴とする請求項２記載のドリル連結体。
5. スロットはＵ形状であることを特徴とする請求項２記載のドリル連結体。
6. 長軸と端部とを有するドリルパイプと、該ドリルパイプ内の第１部分と該ドリルパイプから延び出る第２部分を有する螺子式連結部材とを含んだドリルパイプ構造体であって、
   該ドリルパイプと該連結部材の少なくとも一方はこれらの端部に隣接して間隔を開けて提供された複数のスロットを有しており、該スロットは長軸に対して平行であり、該スロットは該端部で外側に開いており、
   該連結部材は前記ドリルパイプの端部周辺に延びる該スロットに沿った溶接部によって該ドリルパイプに連結されていることを特徴とするドリルパイプ構造体。
7. ドリルパイプは連結部材の第１部分を覆うように係合し、スロットはドリルパイプ内であることを特徴とする請求項６記載のドリルパイプ構造体。
8. スロットは曲形状の端部を有しており、ドリルパイプの端部に間隔を開けて提供されていることを特徴とする請求項７記載のドリルパイプ構造体。
9. 溶接部は、ドリルパイプの端部周辺全体に延びる輪を形成することを特徴とする請求項７記載のドリルパイプ構造体。
10. スロットはＵ形状であることを特徴とする請求項７記載のドリルパイプ構造体。
11. 回転振動ドリル用のドリルパイプを螺子式連結部材に連結させる方法であって、
    該ドリルパイプは長軸と端部とを有しており、該螺子式連結部材は該ドリルパイプと係合する第１部分と該ドリルパイプから延び出る第２部分とを有しており、該連結部材と該ドリルパイプの少なくとも一方は該ドリルパイプの端部に隣接する間隔を開けて提供された複数のスロットを有しており、該スロットは前記長軸に対して平行であり、該スロットは該端部にて外側に開いており、
    前記ドリルパイプを該ドリルパイプの端部周辺で前記スロットに沿って前記連結部材に溶接することを特徴とする方法。
12. ドリルパイプは連結部材の第１部分を覆うように係合し、スロットはドリルパイプ内であり、溶接部は該スロットを通って前記連結部材へ延びることを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. スロットは連結部材に隣接して開いた端部を有しており、溶接部は先ず該スロットの開いた端部を溶接することで提供されることを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 溶接されたスロットの開いた端部は残りのスロットを溶接する前に金槌で打ち込みされ、ドリルパイプの端部周辺を溶接することを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. ドリルパイプの端部は連結部材へ完全に輪状に溶接されることを特徴とする請求項１１記載の方法。
16. 回転振動ドリル用のドリルパイプを螺子式連結部材に連結する方法であって、
    該ドリルパイプは長軸と端部とを有しており、
    該螺子式連結部材は前記ドリルパイプと係合する第１部分と該ドリルパイプから延び出る第２部分とを有しており、
    前記連結部材と前記ドリルパイプの少なくとも一つは間隔を開けて提供された該ドリルパイプに隣接する複数のスロットを有しており、該スロットは前記端部にて外側へ開いており、
    前記連結部材は先ず前記ドリルパイプの端部に隣接するスロットを溶接して該ドリルパイプに連結され、該ドリルパイプの端部に隣接する溶接を金槌で打ち込み、該ドリルパイプの端部周辺を前記スロットに沿って溶接することで提供されることを特徴とする方法。
17. ドリルパイプは連結部材の第１部分を覆うように係合し、スロットは前記ドリルパイプ内であり、溶接部は該スロットを通って前記連結部材へ延びることを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. ドリルパイプの端部は完全に連結部材に輪状に溶接されていることを特徴とする請求項１６記載の方法。

Images