JP6543297B2

JP6543297B2 - Ｐｄｃビット

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Publication number: JP6543297B2
Application number: JP2017107668A
Authority: JP
Inventors: エコワルドヨアフマディ; 哲臣宮本; 晋行宮崎; 哲二大野
Original assignee: Japan Oil Gas and Metals National Corp
Current assignee: Japan Oil Gas and Metals National Corp
Priority date: 2017-05-31
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2019-07-10
Anticipated expiration: 2037-05-31
Also published as: JP2018204202A

Description

本発明は、ＰＤＣビットに関する。

従来、ＰＤＣ（Polycrystalline Diamond Compact）のカッターを備えた回転掘削ビット（ＰＤＣビット）において、ビットボディの摩耗を低減し、掘削穴の径を維持するためのゲージカッターを備えたものが知られている（例えば特許文献１，２参照）。

米国特許出願公開第２００８／０１９０６７０号明細書米国特許出願公開第２０１３／０２９２１８６号明細書

従来のＰＤＣビットでは、掘削穴壁面との衝撃を緩和するために、ゲージカッターに大きなバックレーキ角を持たせていた。例えば特許文献１にはバックレーキ角を４０°〜７０°とすることが開示され、特許文献２にはバックレーキ角を７０°〜８５°とすることが開示されていた。しかし、単にバックレーキ角を調整するだけでは、バックレーキ角を小さくするとチッピングが発生しやすくなり、バックレーキ角を大きくすると掘削効率が低下するため、実質的に掘削効率は向上していなかった。

本発明は、バックレーキ角を小さくしてもチッピングを生じにくく、掘削効率を向上できるＰＤＣビットを提供することを目的の一つとする。

本発明の一態様によれば、中心軸周りに回転可能なビットボディと、前記ビットボディの外周面に固定されたゲージカッターとを備え、前記ゲージカッターのバックレーキ角は２０°以上２５°以下であり、前記ゲージカッターは、超硬合金層と、前記超硬合金層上に積層された多結晶ダイヤモンド層とを有し、前記多結晶ダイヤモンド層は、平均粒径１５μｍ以上６０μｍ以下のダイヤモンド粒子の焼結体からなり、前記多結晶ダイヤモンド層は、円板の一部を直線状に切り欠いた形状を有し、前記ゲージカッターは、前記多結晶ダイヤモンド層の直線状の切り欠き部を前記ビットボディの径方向外側に向けた状態で前記ビットボディに固定され、前記直線状の切り欠き部の長さが１ｍｍ以上である、ＰＤＣビットが提供される。

この構成によれば、ゲージカッターの多結晶ダイヤモンド層として、平均粒径が１５μｍ以上６０μｍ以下と比較的粒径の大きいダイヤモンド粒子を用いたことで、多結晶ダイヤモンド層における耐衝撃性が向上する。これにより、ゲージカッターのバックレーキ角を従来より小さい２０°以上２５°以下に設定してゲージカッターの加工効率を上昇させたときにも、長時間にわたってゲージカッターに欠損を生じることなく掘削することができる。したがって本発明によれば、バックレーキ角を小さくしてもチッピングを生じにくく、掘削効率を向上できるＰＤＣビットを提供することができる。

前記多結晶ダイヤモンド層は、平均粒径２０μｍ以上４０μｍ以下のダイヤモンド粒子の焼結体からなる構成としてもよい。

前記多結晶ダイヤモンド層は、円板の一部を直線状に切り欠いた形状を有し、前記ゲージカッターは、前記多結晶ダイヤモンド層の直線状の切り欠き部を前記ビットボディの径方向外側に向けた状態で前記ビットボディに固定され、前記直線状の切り欠き部の長さが１ｍｍ以上である構成としてもよい。

前記直線状の切り欠き部の長さが２ｍｍ以上である構成としてもよい。

前記直線状の切り欠き部の長さが前記多結晶ダイヤモンド層の円板径の９５％以下である構成としてもよい。

前記ゲージカッターの直径が１１ｍｍ以上１６ｍｍ以下である構成としてもよい。

石油、天然ガス、又は地熱流体の採掘に用いられる坑井掘削用ビットである構成としてもよい。

本発明によれば、バックレーキ角を小さくしてもチッピングを生じにくく、掘削効率を向上できるＰＤＣビットが提供される。

図１は、実施形態のＰＤＣビットの斜視図である。図２は、実施形態のＰＤＣビットを軸方向から見た平面図である。図３は、実施形態のＰＤＣビットの断面図である。図４は、フェースカッターの斜視図である。図５は、ゲージカッターの斜視図である。図６は、ゲージカッターの取り付け状態を示す説明図である。図７は、試験時のビット荷重の変化を示したグラフである。

図１は、本実施形態のＰＤＣビットの斜視図である。図２は、本実施形態のＰＤＣビットを軸方向から見た平面図である。図３は、本実施形態のＰＤＣビットの断面図である。

本実施形態は、本発明の構成をリーミングビットに適用した例である。
本実施形態のＰＤＣビット１０は、図１〜３に示すように、軸線Ｏを中心とする概略有底円筒状のビットボディ１１を有する。ビットボディ１１は、一般的には、スチール又はマトリックス材（ＷＣ＋Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ等）からなる。本実施形態のビットボディ１１は、マトリクス材のビットボディである。

ビットボディ１１は、後端側（図１及び図３において下側）に、所定外径の円筒状のスカート部１２を有し、先端側（図１及び図３において上側）にスカート部１２よりも大きい外径を有するリーミング部１３と、リーミング部１３から先端側に突出するパイロット部１４と、を有する。リーミング部１３は、掘削時の切れ刃となるフェースカッター１５及びゲージカッター２０を有する。

スカート部１２は、後端部に、軸線Ｏを中心とする雄ねじ部１２ａを有する。雄ねじ部１２ａは、スカート部１２の後端側に向かって先細り形状のテーパーねじである。雄ねじ部１２ａに対して、図示しない掘削ロッドの先端が螺合される。ビットボディ１１は、掘削ロッドを介して削岩機から伝播される軸方向先端側への推力及び打撃力と、掘削時の回転方向Ｔへの軸回りの回転力とにより、フェースカッター１５及びゲージカッター２０によって岩盤を破砕して掘削し、予め形成された小径の掘削孔を拡孔する。

ビットボディ１１は、雄ねじ部１２ａの後端側の端面に開口し、軸線Ｏに沿ってビットボディ１１の先端側へ延びるブロー孔１６を有する。ブロー孔１６は、図３に示すように、パイロット部１４の小径部１４Ａにおいて中心から放射状に８方向に分岐する。分岐したブロー孔１６は、小径部１４Ａの外周面に開口する。

パイロット部１４は、リーミング部１３の先端面に連続する小径部１４Ａと、小径部１４Ａの先端に連続し、小径部１４Ａよりも大きい外径を有する大径部１４Ｂとを有する。小径部１４Ａ及び大径部１４Ｂは、それぞれ、軸線Ｏを中心とする円板状である。したがって、パイロット部１４は、小径部１４Ａと大径部１４Ｂとからなる多段の円柱状である。大径部１４Ｂは、リーミング部１３よりも小径、かつスカート部１２よりも大径の外径を有する。

リーミング部１３は、軸方向の先端側から見てパイロット部１４の径方向外側に位置する先端面１３Ａと、先端面１３Ａの外周端から後端側へ延びる概略円筒状の外周面１３Ｂと、外周面１３Ｂの後端からテーパー状に延びる後端面１３Ｃとを有する。
先端面１３Ａは、全体が外周側に向かうに従い後端側に向けて傾斜する環状の凸曲面である。先端面１３Ａには、複数個のフェースカッター１５が固定される。外周面１３Ｂには複数のゲージカッター２０が固定される。

リーミング部１３には、図２及び図３に示すように、先端面１３Ａからリーミング部１３の後端面１３Ｃにわたって軸方向に延びる複数条（本実施形態では８条）の排出溝１７が設けられる。排出溝１７は掘削時に繰り粉及び削孔水を後端側へ排出する溝である。それぞれの排出溝１７は凹曲面状である。８条の排出溝１７はリーミング部１３の周方向に等間隔に配置される。それぞれの排出溝１７の上方には、ブロー孔１６の開口部が配置される。排出溝１７の回転方向Ｔを向く側面１７Ａに、フェースカッター１５及びゲージカッター２０が側面の外形に沿って並んで配置される。本実施形態の場合、先端面１３Ａが凸曲面であるため、掘削チップも先端面１３Ａの外形に沿う凸曲線に倣って配置される。一方、外周面１３Ｂに設けられるゲージカッター２０は、軸方向に沿って直線状に並んで配置される。

図４は、フェースカッター１５の斜視図である。図５は、ゲージカッター２０の斜視図である。
フェースカッター１５及びゲージカッター２０としては、円板状のＰＤＣカッターを用いることができる。本実施形態のフェースカッター１５とゲージカッター２０は、いずれも、多結晶ダイヤモンド層１と超硬合金層２の積層体である。ＰＤＣカッターは、例えば、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た後、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することで製造できる。

本実施形態では、フェースカッター１５は、図４に示す円板状であるが、ゲージカッター２０は、図５に示すように、円板を直線状に切り欠いた形状である。ゲージカッター２０は、図１に示すように、直線状の切り欠き部１Ａをビットボディ１１の径方向外側に向けた状態で固定される。直線状の切り欠き部１Ａと軸線Ｏとは概ね平行である。
なお、ゲージカッター２０として、図４に示す円板状のＰＤＣカッターを用いることもできる。フェースカッター１５として図５に示す切り欠き部を有するＰＤＣカッターを用いることもできる。

フェースカッター１５及びゲージカッター２０は、リーミング部１３に設けられる取り付け座２２にロウ付け接合される。取り付け座２２は、少なくとも、フェースカッター１５又はゲージカッター２０の裏面（超硬合金層２側の端面）とロウ付け接合される支持面を有する。取り付け座２２は、フェースカッター１５及びゲージカッター２０の側面とロウ付け接合される曲面を有していてもよい。

フェースカッター１５及びゲージカッター２０において、多結晶ダイヤモンド層１の厚さは、例えば０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ、超硬合金層２の厚さは、例えば２〜５ｍｍである。
本実施形態において、多結晶ダイヤモンド層１は、平均粒径が１５μｍ以上６０μｍ以下のダイヤモンド粒子の焼結体である。ダイヤモンド粒子の平均粒径が１５μｍ未満である場合、多結晶ダイヤモンド層１にチッピングを生じやすくなる。一方、平均粒径が６０μｍを超えると、多結晶ダイヤモンド層１の角部１Ｂを鋭利に仕上げることが困難になり、掘削効率が低下する。

多結晶ダイヤモンド層１を構成するダイヤモンド粒子の平均粒径は、２０μｍ以上４０μｍ以下であることが好ましい。平均粒径を上記範囲とすることで、耐衝撃性と掘削効率を両立できるＰＤＣカッターとすることができる。

フェースカッター１５及びゲージカッター２０の直径Ｄは、例えば８ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、９ｍｍ以上１６ｍｍ以下であることが好ましい。直径Ｄが８ｍｍ未満では十分なロウ付け面積を確保しづらく、接着強度が不足する場合がある。直径Ｄが１６ｍｍを超える場合、ＰＤＣカッターが高価になる一方で、掘削効率はあまり向上しなくなる。
なお、ゲージカッター２０のように直線状の切り欠き部１Ａを有する場合、ＰＤＣカッターの直径Ｄは、円板部分の直径である。

ゲージカッター２０は、直線状の切り欠き部１Ａを有することで、掘削孔の壁面に対して切り欠き部１Ａで線接触する。これにより、円板状のＰＤＣカッターを用いる場合と比較して、掘削孔との接触面積が広くなり、多結晶ダイヤモンド層１にチッピングを生じにくくなる。

直線状の切り欠き部１Ａの長さＬは１ｍｍ以上であれば、チッピングを抑制する効果を得ることができる。十分なチッピング抑制効果を得るには、長さＬは２ｍｍ以上であることが好ましい。一方、長さＬがゲージカッター２０の直径Ｄの９５％を超える場合、円板の面積の１／３以上が切り欠かれることになるため、十分なロウ付け面積を確保しにくくなり、接着強度が不足する場合がある。

図６は、ゲージカッター２０の取り付け状態を示す説明図である。図６は、ゲージカッター２０の軸方向位置におけるビットボディ１１の横断面（軸線Ｏに直交する断面）を示した模式図である。図６に示すように、ゲージカッター２０は、ビットボディ１１の径方向基準線Ｊに対して、所定の負のラジアルレーキ角（バックレーキ角β）を成す姿勢で取り付けられる。

ゲージカッター２０は、バックレーキ角βが２０°以上２５°以下となる姿勢でビットボディ１１に固定される。バックレーキ角βが２０°未満の場合、上述したチッピングを生じにくいＰＤＣカッター（平均粒径が１５μｍ以上６０μｍ以下のダイヤモンド粒子の焼結体を備えるＰＤＣカッター）を用いたとしても、十分にチッピングを抑制できない。一方、バックレーキ角βが２５°を超える場合、ゲージカッター２０は破損しにくくなるが、十分な掘削効率を得られない。
なお、ゲージカッター２０は、５〜２０°程度の負のアキシャルレーキ角を有する姿勢で取り付けられていてもよい。

以上に説明した本実施形態のＰＤＣビット１０によれば、ビットボディ１１の側面に配置されるゲージカッター２０として、平均粒径１５μｍ以上６０μｍ以下のダイヤモンド粒子の焼結体からなる多結晶ダイヤモンド層を備えたＰＤＣカッターを用いたことで、ゲージカッター２０における耐衝撃性を向上させることができる。これにより、ゲージカッター２０のバックレーキ角を２０°以上２５°以下の小さい角度に設定した場合でもチッピングを抑制することができる。その結果、バックレーキ角が４０°〜８５°に設定されていた従来のＰＤＣビットと比較して、掘削効率が大きく向上する。

ＰＤＣビット１０においてゲージカッター２０が摩耗又は欠損すると、ビットの加工径が小さくなり、掘削孔が細くなる。ＰＤＣビット１０の直上には、通常スタビライザーが設置されており、スタビライザーと掘削孔の内面が接触する程度にまで掘削孔が細くなると、ＰＤＣビット１０を交換しなければならない。この点、本実施形態のＰＤＣビット１０では、ゲージカッター２０が破損しにくいため、長時間にわたってビットの加工径を維持できる。これにより、掘削孔が細くなるまでの時間が長くなり、ＰＤＣビット１０の交換周期（寿命）が長くなる。

なお、本実施形態では、ＰＤＣビットの一形態として、リーミングビットを例示して説明したが、パイロットビットであってもよい。

以上に説明した本実施形態のＰＤＣビット１０は、石油、天然ガス、又は地熱流体を採掘する坑井掘削用ビットとして好適に用いることができる。
本実施形態のＰＤＣビット１０では、ゲージカッター２０が破損しにくいことから、常に掘削孔の壁面にゲージカッター２０が接触する斜坑や横坑の掘削においても、長時間にわたって高効率に掘削を行うことができる。また、硬質な地層を含む場合にも、ＰＤＣビット１０の加工径を維持でき、掘削孔が細くなりにくい。
したがって、従来よりＰＤＣビットが有用であるとされてきた油田・ガス田の採掘に加えて、斜坑や横坑の掘削が必要なシェールオイル、シェールガスの掘削や、硬質で不均質な地層が多い地熱流体の掘削においても好適に用いることができる。
より詳細には、石油掘削では主に砂岩、泥岩のような比較的軟らかいもの（１軸圧縮強度、ＵＣＳ：１２０ＭＰａ）が対象となるが、地熱掘削では中硬岩（ＵＣＳ：１８０ＭＰａ）や、場合によっては超硬岩（ＵＣＳ：２８０）までが掘削対象となる。従来技術では上記のような軟岩では高効率な掘削が対応できるが、超硬岩を効率よく掘削するためには、比較的小さいバックレーキ角が必要である。
また近年では掘削効率を上げるために、ビット回転は従来の５０〜６０ＲＰＭ（ケリー、トップドライブを使用）よりも、マッドモーター（ダウンホールモーター）を使用することで１５０〜３００ＲＰＭという高い回転数で使用されることも多くなる。
これらの用途において、本実施形態のＰＤＣビット１０は、好適に使用することができる。

次に、本発明のＰＤＣビットについて、実施例を挙げてさらに詳細に説明する。

（第１実施例）
第１実施例では、ゲージカッターに好適なＰＤＣカッターの多結晶ダイヤモンド層について検証した。
表１に示す粒径のダイヤモンド粒子を用いた試験例１−１〜１−５のＰＤＣカッターを作製した。ＰＤＣカッターの直径は８．２ｍｍ、厚さは３．５ｍｍ（多結晶ダイヤモンド層０．７ｍｍ、超硬合金層２．８ｍｍ）とした。なお、表１に示すダイヤモンド粒子の粒径と平均粒径は、ダイヤモンド粉末の状態で、レーザー回折・散乱法により測定した値である。
試験例１−１〜１−５のＰＤＣカッターを、カッターを８個取り付け可能なコアリングビットに取り付け、下記の条件で試験切削を行った。

掘削速度：７ｃｍ／ｍｉｎ
回転数：１００ｒｐｍ
掘進長：１００ｍ以上
掘削に使用される岩石：稲田花崗岩、ＵＣＳ＝２２４ＭＰａ

表１に示すように、粒径の大きいダイヤモンド粒子を用いた試験例１−１のＰＤＣカッターは、試験例１−２のＰＤＣカッターと比較して、耐摩耗性及び耐衝撃性のいずれにおいても優れた結果が得られた。特に、耐衝撃性については、試験例１−１と試験例１−２とで顕著な差があった。具体的には、試験例１−２では、４個とも大きなチッピングが発生したのに対して、試験例１−１では、大きなチッピングが発生したのは１個のみであり、もう１個のチッピングは非常に軽微なものであった。

試験例１−３では、比較的大きいダイヤモンド粒子（平均粒径が５５μｍ）を用いてＰＤＣカッターを作製した。そのため、鋭利な切れ刃を形成しにくくなり、試験例１−１と比較すると掘削効率がやや低下した。このことは、最大荷重が５０ｋＮとやや大きくなっており、一定の掘削速度を維持するのに、試験例１−１と比較して高荷重でビットを押しつける必要があることから確認できる。
一方、試験例１−３では、摩耗幅自体が小さくなっていた。これは、ダイヤモンド粒子の粒径が大きいことでＰＤＣカッターの切れ刃が丸まっており、チャンファー付きＰＤＣカッターと同様の作用が得られたからである。

試験例１−４では、試験例１−３のＰＤＣカッターよりもさらに粒径の大きいダイヤモンド粒子を使用した。これにより、ＰＤＣカッターの切り刃における丸まり現象が顕著となり、掘削時の荷重が７０ｋＮと大きくなった。８．５インチの全断面（パイロット）ビットでも通常は５０〜１００ｋＮ程度のビット荷重で使用されているため、本実施例で用いたφ６６のコアビットにおいて７０ｋＮは非常に高い荷重であり、通常の倍程度の荷重である。

試験例１−５では、試験例１−１と比較してやや粒径の小さいダイヤモンド粒子を用いてＰＤＣカッターを作製した。試験例１−５では、摩耗幅はやや大きくなったものの、掘削時のビット荷重は、小さくなっており、試験例１−１と同様の優れた結果が得られた。

（第２実施例）
第２実施例では、ゲージカッターのバックレーキ角について、好適な角度を検証した。
本実施例では、表２に示す４種類のＰＤＣカッターをゲージカッターとして備えたリーミングビットを用意し、リーミング試験によりゲージカッターの評価を行った。

試験手順は、以下の通り。
・パイロット孔掘削：
６−１／４インチビットを用いて稲田花崗岩を掘削する。
・ビット交換：
ロッドとパイロット孔の軸を合わせたままでビットを７−５／８インチのリーミングビットに交換する。
・リーミング試験：
速度一定（回転数７５ｒｐｍ、掘削速度５ｃｍ／ｍｉｎ）でパイロット孔をリーミングし、所定長さの掘削後にゲージカッターを観察。

表２に示すように、バックレーキ角を２５°、２０°に設定した試験例２−１、試験例２−２のＰＤＣビットでは、掘削後にゲージカッターが欠損せず、小さく摩耗したのみであり、十分な掘削性能が確認された。一方、バックレーキ角が２０°未満である試験例２−３、２−４のＰＤＣビットでは、ゲージカッターに欠損が生じ、その欠損箇所から摩耗が進行していた。
図７は、試験時のビット荷重の変化を示したグラフである。図７に示すように、バックレーキ角を２５°、２０°に設定した試験例２−１、試験例２−２のＰＤＣビットでは、低い荷重で掘削可能であったのに対して、バックレーキ角が２０°未満である試験例２−３、２−４のＰＤＣビットでは、荷重が比較的高くなった。

１…多結晶ダイヤモンド層、１Ａ…切り欠き部、２…超硬合金層、１０…ＰＤＣビット、１１…ビットボディ、１３Ｂ…外周面、２０…ゲージカッター、Ｄ…直径、Ｌ…長さ、Ｏ…軸線、β…バックレーキ角

Claims

軸線周りに回転可能なビットボディと、前記ビットボディの外周面に固定されたゲージカッターとを備え、
前記ゲージカッターのバックレーキ角は２０°以上２５°以下であり、
前記ゲージカッターは、超硬合金層と、前記超硬合金層上に積層された多結晶ダイヤモンド層とを有し、
前記多結晶ダイヤモンド層は、平均粒径１５μｍ以上６０μｍ以下のダイヤモンド粒子の焼結体からなり、
前記多結晶ダイヤモンド層は、円板の一部を直線状に切り欠いた形状を有し、
前記ゲージカッターは、前記多結晶ダイヤモンド層の直線状の切り欠き部を前記ビットボディの径方向外側に向けた状態で前記ビットボディに固定され、
前記直線状の切り欠き部の長さが１ｍｍ以上である、
ＰＤＣビット。
前記多結晶ダイヤモンド層は、平均粒径２０μｍ以上４０μｍ以下のダイヤモンド粒子の焼結体からなる、請求項１に記載のＰＤＣビット。
前記直線状の切り欠き部の長さが２ｍｍ以上である、請求項１または２に記載のＰＤＣビット。
前記直線状の切り欠き部の長さが前記多結晶ダイヤモンド層の円板径の９５％以下である、請求項１から３のいずれか１項に記載のＰＤＣビット。
前記ゲージカッターの直径が１１ｍｍ以上１６ｍｍ以下である、請求項１から４のいずれか１項に記載のＰＤＣビット。
石油、天然ガス、又は地熱流体の採掘に用いられる坑井掘削用ビットである、請求項１から５のいずれか１項に記載のＰＤＣビット。