JP7019814B2 - 摩耗シールドを有するドリルビット - Google Patents

Description

本開示は、鉱業、石油及びガス、並びに建設の作業で使用するためのドリルビットに関する。それは、特に、主にパーカッションアクションで使用される特定のタイプのドリルビットであるダウンザホール（ｄｏｗｎ－ｔｈｅ－ｈｏｌｅ：ＤＴＨ）ドリルビット又はトップハンマー（ＴＨ）ドリルビットに関するが、限定されない。

衝撃掘削（ｐｅｒｃｕｓｓｉｖｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ）は、非常に様々な種類の岩に穴をあけるために使用される。衝撃掘削は、例えば石油及びガスの産業で深い井戸掘削孔を作るために使用される。また、それは建設業界でも杭や足場を作るために使用される。また衝撃掘削は、岩盤層内の鉱石にアクセスできるようにするためにその後に爆発される爆発物で満たされる穴を掘削するために、採掘作業でも使用される。

衝撃ハンマー及びドリルビットは、岩を掘削する最速の方法の１つである。そのハンマーは小さなジャックハンマーに似ている。それは周期的に高速で空気で動き、その高速アクションハンマーを回転式掘削アクションと組み合わせる。この組み合わされたアクションは、それが岩石層内に突っ込みながら、そののみ状の先端を回転させて、それを破砕して小片及び細粉にする。ハンマーは空気圧で作動するため、それは穴から小片及び細粉を吹き飛ばす排気装置を有する。

ドリルビットは、ドリルストリングの下端に取り付けられる。ハンマーは、パーカッションメカニズムとも知られ、ＤＴＨ衝撃掘削の場合はドリルビットの真後ろに又はＴＨ衝撃掘削のために地上に、位置する。ドリルストリングに接続されるドリルパイプは、圧縮空気とともに、必要な供給力及び回転をハンマー及びビットに送るように働く。穴が深くなるにつれて、追加のドリルパイプが続けて追加される。

衝撃ドリルビットは、極端な動作条件にさらされることがあり、他の機器と同様に、摩耗及び損傷を受ける。ドリルビットが摩耗して適切な速度でドリルできなくなったりフルゲージの穴を開けられなくなったりしたら、ビットを交換するために作業を停止する必要がある。

摩耗した従来技術の衝撃ドリルビットが、図１に示され、概して１０で示される。耐摩耗性超硬合金で作られたボタンインサート１２は、ドリルビット１０の動作寿命を延ばすために、ビット衝撃面１４に設けられている。しかしながら、ドリルビットの鋼製本体１６は、ボタンインサート１２と比較して時期尚早に摩耗しており、２つのボタンインサート１２が、一般に「ボタンポップアウト」として知られている故障により、失われている。２つの失われたボタンインサートの座部が１８で示されている。したがって、ボタンインサート１２の利点は完全には実現されていない。

発明の目的は、最適化された貫通率及び延ばされた動作寿命を有するドリルビットを提供することである。

発明によれば、衝撃面を有するドリルビット本体であって長手方向の回転軸を有するドリルビット本体と、衝撃面に加圧流体を供給するための内部導管と、内部導管と流体連通している衝撃面における少なくとも１つの排出ポートと、各排出ポートに隣り合う摩耗シールドとを備えるドリルビットが提供され、摩耗シールドは、回転方向に関して定められる、各排出ポートのトレーリング側（ｔｒａｉｌｉｎｇ ｓｉｄｅ）にのみ配置される。

摩耗シールドは、時間の経過とともにドリルビット本体が徐々に摩耗していくこととして一般的に知られている「ボディウォッシュ」に対し、対象を絞った保護を提供する。摩耗シールドは、最も摩耗しやすい衝撃面の場所に位置する。ハンマー作用からの排気は、作用中に排出ポートを出るので、それは衝撃面を横切って岩石層の破片とほこりを勢いよく流す。ドリルビットが回転すると、岩の削り屑がドリルビットの回転方向と逆方向に流れる。そのように、ドリルビット本体のボディウォッシュは、排出ポートの（ドリルビットの回転方向に関して）すぐ「背後」で隣り合って始められると考えられている。このゾーン（又は排出ポートの数に応じていくつかの区別できるゾーンがある場合は、複数ゾーン）を特に対象とすることで、強化された摩耗保護は最も必要な場所にのみ提供され、それによって追加の耐摩耗性材料のコストを削減する。ボディウォッシュは、依然としてそのうちに、ただし衝撃面の他の場所で、摩耗シールドがなくそれが発生するであろうよりも遅く（更なる掘削後）に、発生しうる。

発明の好ましい及び／又は任意の特徴は、包含的に請求項２～１４において提供される。

本実施形態及びその利点のより完全で詳細な理解は、同様の参照番号が同様の特徴を示す添付の図面と併せて、以下の説明を参照することによって得られうるものであり、そこでは：
図１は、摩耗した従来技術のドリルビットである。 図２は、部分的に組み立てられた状態の、発明によるドリルビットの上面図である。 図３は、図２のドリルビットの側面図である。 図４は、完全に組み立てられた状態の、発明によるドリルビットの概略斜視図である。

図２、３及び４を参照すると、発明によるドリルビットは、概して１００で示されている。ドリルビット１００は、従来のやり方でパーカッションメカニズム及びドリルストリングに接続可能である。それは、発明の焦点であるドリルビット１００である。

ドリルビット１００は、衝撃面１０４と、掘削孔の所望の直径を設定するために衝撃面１０４から延びるゲージ壁１０６と、を有するドリルビット本体１０２を含む。ドリルビット１００はまた、衝撃面１０４に加圧エアを供給するための内部導管１０８、内部導管１０８と流体連通している衝撃面１０４における３つの排出ポート１１０、及び各排出ポート１１０に独占的に隣り合って設けられている摩耗シールド１１２を含む。

「独占的」という用語は、この発明を、衝撃面全体を又はそのかなりの割合を覆うことができるハードフェーシング（ｈａｒｄ ｆａｃｉｎｇｓ）を有するドリルビットから区別することを意図されている。その排出ポート１１０又は各排出ポート１１０に関する摩耗シールド１１２の具体的な位置は重要である。

この実施形態において、衝撃面１０４は平面（すなわち、平坦又は実質的に平坦）である。特に、衝撃面１０４は、２つの平面部分を含み、これらは主面部分１０４ａ及び副面部分１０４ｂである。主面部分１０４ａは、ドリルビット本体１０２の回転軸に垂直な平面において延在するが、副面部分１０４ｂは、それが半径方向外向きに傾斜して主面部分１０４ａから離れるような角度で主面部分１０４ａの周辺範囲に依存する。

衝撃面１０４は代替的に湾曲していてもよい。それは、湾曲している場合、凹状又は凸状としうる。凹面は、一般的に優れたオールラウンドな実行部と見なされ、非常にまっすぐな穴を開ける間、ほとんどの状況のための汎用ビットとして使用される。凸面は、速度及び耐用年数の組み合わせのために使用される。平らな面は、破砕された又は断片化された地面及び固い層に最も適している。

各排出ポート１１０は、一端で内部導管１０８に、他端で概して細長いフラッシュ溝１１６に接合された貫通孔１１４を含む。フラッシュ溝１１６は、貫通孔１１２から半径方向に離れて延びる。フラッシュ溝１１６は、主面部分１０４ａのほぼ中央である位置から、副面部分１０４ｂの周囲範囲にまで延びる。前述の３つではなく、例えば２、３、４、５又は６の任意の数量の排出ポート１１０が設けられてもよい。

さらに、ドリルビット１００は、ハンマー（図示せず）に接続するための複数のスプライン１２０を含むシャンク１１８と、衝撃面１０４における複数のボタンインサート１２２とを備える。

シャンク１１８は、ドリルビット本体１０２に隣り合う。ドリルビット本体１０２及びシャンク１１８は、従来、鋼又はその合金を含む。ドリルビット本体１０２及びシャンク１１８の両方は、典型的には円筒形である。ゲージ壁１０６の外径は約１４０ｍｍであってもよいが、掘削作業で必要に応じて任意のサイズの直径を使用することができる。シャンク１１８の外径は、ドリルビット１００の操作性を考慮して、ゲージ壁１０６の外径よりも小さい。ドリルビット本体１０２は、長手方向の回転軸（図３で最もよくわかる）を有し、摩耗シールド１１２は、衝撃面１０４において（図２において矢印Ａで示される）回転方向に各排出ポート１１０の後に配置される。言い換えれば、摩耗シールド１１２は、排出ポート１１０の後縁に配置される。

摩耗シールド１１２は、ハードフェーシング要素１２６で満たされる、衝撃面１０４における凹部１２４を含む。ハードフェーシング要素１２６は、ドリルビット本体１０２のバルク材料よりも耐摩耗性が大幅に大きいフィラー材料である。ハードフェーシング要素１２６は、好ましくは、その鉄基を特徴とする低融点炭化物（ＬＭＣ）材料を含む。例示的な材料は、ＵＳ８，９６８，８３４、ＵＳ８，８４６，２０７及びＵＳ８，７５３，７５５に記載されている。あるいは、ハードフェーシング要素１２６は、超硬合金又は多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）材料、又は他の耐摩耗性材料を含んでいてもよい。

凹部１２４は細長く、排出ポート１１０に並んで延びる。摩耗シールド１１２は、フラッシュ溝１１４に隣り合う。具体的には、凹部１２４は、一方の側でフラッシュ溝１１４に開いている。より具体的には、凹部１２４は、概して長方形であり、フィレットされた（ｆｉｌｌｅｔｅｄ）内部コーナーを有する。凹部１２４の正確な寸法は、ドリルビットのサイズに依存するが、典型的には、凹部１２４は、約５ｍｍの衝撃面内への深さを有する。

摩耗シールド１１２はさらに、ハードフェーシング要素１２６でも満たされる、衝撃面１０４における第２の凹部１２８を含む。第２の凹部１２８の目的は、ハードフェーシング要素１２６で満たされると、排出ポート１１０に隣り合う過度の摩耗のゾーンに起因すると考えられる摩耗痕の進行を制限することである。

第２の凹部１２８は、第１の述べられた凹部１２４に隣り合う。第２の凹部１２８は、第１の凹部１２４から離れるように概して円周方向に延びる。第２の凹部１２８も細長く、排出ポート１１０の貫通孔１１２に近接して第１の凹部１２４に接続される。第２の凹部１２８は、ドリルビットの回転方向において第１の凹部１２４の後方で回転する。

セットとして、貫通孔１１２及びフラッシュ溝１１６を含む排出ポート１１０、並びに第１の凹部及び第２の凹部を含む摩耗シールド１１２は、同じ２つのさらなるセットから衝撃面上で離間される。オプションとして、ドリルビット１００は、同じものの２つ、４つ、又は５つのセットを備えてもよい。

オプションとして、摩耗シールド１１２は、凹部１２４内のフィラー材料１２６とは対照的に、衝撃面１０４の表面に適用されてもよい。そのような実施形態では、摩耗シールド１１２は、衝撃面１０４の表面に隣り合ってその上にあり、それに結合された、画定されたゾーンを構成する。

摩耗シールド１１２を排出ポート１１０に隣り合って選択的に配置することにより、摩耗シールド１１２は、（必ずしもそれが必要とされる唯一の場所ではないが）それが最も必要な場所に提供され、材料コストを最小限に保つ。

ボタンインサート１２２は、耐摩耗性スタッドである。岩石層に衝撃を与えると、（ドリルビット本体と比較して）スタッド１２２の減少した面積が、衝撃面１０４の他の平面よりも大きな程度で岩に応力が集中すると考えられている。

各ボタンインサート１２２は、衝撃面１０４における対応する形状の凹部に設置される。スタッド１２２は、ろう付けを使用して本体に固定されるが、代替として、圧入、焼きばめ、接着又は他の任意の取り付けの手段を代わりに使用しうる。

この実施形態では、１９のボタンインサート１２２がドリルビット本体に配置されている。しかしながら、任意の数量のボタンインサート１２２を使用しうる。好ましくは、８～２０のボタンインサート１２２が使用される。１９のボタンインサート１２２のうち、９は主面部分１０４ａに配置され、１０は副面部分１０４ｂに配置されている。ボタンインサート１２２は、専ら主面部分１０４ａに、専ら副面部分１０４ｂに、又はその両方に配置されうる。

典型的に、各ボタンインサート１２２は、１２ｍｍ～２０ｍｍの径を有し、１０ｍｍ～４０ｍｍの長さを有する。他の径、例えば６ｍｍ～３０ｍｍ、を使用しうる。主面部分１０４ａで使用されるボタンインサート１２２の径は、副面部分１０４ｂで使用されるボタンインサート１２２の径と異なっていてもよい。

ボタンインサート１２２は、ハードフェーシング要素１２６とは異なり得る材料を含む。ボタンインサート１２２は、好ましくは、超硬合金又は多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）材料を含む。代わりに、他の耐摩耗性材料を使用しうる。

ボタンインサート１２２は、球形状、半球形状、弾道形状、又はドーム形状のスタッドとしてもよく、これらの形状の任意の組み合わせが使用されうる。さらに、主面部分１０４ａに配置されたボタンインサート１２２の形状は、副面部分１０４ｂに配置されたものとは異なっていてもよい。

ボタンインサート１２２は、回転軸に関して非対称パターンで配置される。一部のボタンインサート１２２は、各排出ポートの回転「後方」にグループで配置される。摩耗シールド１１２の第２の凹部１２８は、これらのボタンインサート１２２のうちの２つの間に延びる。摩耗シールド１１２がボタンインサート１２２によって提供される保護をさらに延ばし、それによってドリルビット１００の使用可能な寿命を延ばすので、ボタンインサート１２２に対する摩耗シールド１１２の位置は重要である。

摩耗シールド１１２は、ドリルビット本体１０２が経験するボディウォッシュを遅くし、それによってボタンインサート１２２の利点をより長く実現することができる。摩耗シールド１１２は、ボタンポップアウトの発生を大幅に延ばす。摩耗シールド１１２は、鋼製本体１０２の比較的低い耐摩耗性と比較的高い耐摩耗性ボタンインサート１２２との間の差を効果的に調整する。

ドリルビット１００は、ドリルビット本体１０２のサイドを保護するためのゲージプロテクター１３０をさらに備える。ゲージプロテクター１３０は更なるハードフェーシング要素１２６を含み、当該ハードフェーシング要素１２６は、ゾーンＧの他の減らされたゲージにまで至りドリルビット１００の最初のフルゲージまで戻る。ゲージプロテクター１３０は、ドリルビット１００のフルゲージをより長く延ばす。

追加的に又は代替的に、ゲージプロテクター１３０は、ハードフェーシング要素１２６で満たされた凹部を備えてもよい。

ここに記載されるドリルビット１００は、増大した貫通率及び増大したドリルビット寿命により、改善された価値提案及び掘削されるメートル当たりのより低いコストを示す。

この発明は、実施形態を参照して特に示され説明されたが、添付の特許請求の範囲によって定められる発明の範囲から逸脱することなく、形態及び詳細の様々な変更が行われ得ることが当業者によって理解される。

スプライン１２０は、発明の一部を形成せず、ハンマーに接続する代替の方法が使用されてもよい。

同様に、ボタンインサート１２２は必須ではなく、これらは省略されてもよい。

フラッシング媒体は、ハンマー作用の副産物である加圧エアであると説明されてきたが、排出ポートを出る加圧流体は、代わりに液体であり得る。

ドリルビットは、回転式ドリル及び衝撃掘削、又は衝撃面に排出ポートを必要とするあらゆるタイプのドリルに使用されうる。

ここで使われるある標準的な用語及び概念が、以下に簡単に説明される。

ここで使われる場合、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）材料は、複数のダイヤモンド粒子を含み、当該ダイヤモンド粒子のかなりの数は互いに直接的に相互結合され、当該ダイヤモンド粒子におけるダイヤモンドの含有量は材料の少なくとも約８０体積パーセントである。ダイヤモンド粒子間の隙間は、実質的に空であってもよいし、或いはそれらは少なくとも部分的にバルクフィラー材料で満たされていてもよいし、或いはそれらは実質的に空であってもよい。バルクフィラー材料は、焼結促進材料を含んでいてもよい。

ＰＣＢＮ材料は、金属、半金属、及び又はセラミック材料を含むマトリックス内に分散した立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の粒子を含む。例えば、ＰＣＢＮ材料は、チタン炭窒化物などのＴｉ含有化合物、及び又は窒化アルミニウムなどのＡｌ含有化合物、及び／又はＣｏ及び又はＷなどの金属を含有する化合物を含むバインダーマトリックス材料に分散した少なくとも約３０体積パーセントのｃＢＮ粒子を含んでいてもよい。ＰＣＢＮ材料のいくつかのバージョン（又は「グレード」）は、少なくとも約８０体積パーセント又は少なくとも約８５体積パーセントのｃＢＮ粒子を含んでいてもよい。

Claims (14)

1. － 衝撃面を有するドリルビット本体であって、長手方向の回転軸を有するドリルビット本体と、
   － 前記衝撃面に加圧流体を供給するための内部導管と、
   － 前記衝撃面にあり、前記内部導管と流体連通している少なくとも１つの排出ポートと、
   － 各排出ポートに隣り合う摩耗シールドであって、回転方向に関して定められる、各排出ポートのトレーリング側にのみ配置される摩耗シールドと、を備える衝撃ドリルビット。
2. 前記少なくとも１つの排出ポートの各々は、前記衝撃面において細長いフラッシュ溝に隣り合う貫通孔を含み、前記フラッシュ溝は前記貫通孔から半径方向に離れて延びる請求項１に記載の衝撃ドリルビット。
3. 前記摩耗シールドは、ハードフェーシング要素で満たされる前記衝撃面における凹部を備える請求項１又は２に記載の衝撃ドリルビット。
4. 前記凹部は細長く、各排出ポートと並んで半径方向に延びる請求項３に記載の衝撃ドリルビット。
5. 前記凹部は、少なくとも前記排出ポートのフラッシュ溝に隣り合う請求項４に記載の衝撃ドリルビット。
6. 前記摩耗シールドは、さらに、前記ハードフェーシング要素でも満たされる前記衝撃面における第２の前記凹部を備え、前記第２の凹部は、第１の前記凹部から延びて第１の前記凹部に接続されている請求項３、４、又は５に記載の衝撃ドリルビット。
7. 前記第２の凹部は、前記第１の凹部から周方向に離れるように延びる請求項６に記載の衝撃ドリルビット。
8. 前記第１の凹部は第１端部及び第２端部を有し、前記第１端部は前記排出ポートの前記貫通孔に近接し、前記第２の凹部は前記第１の凹部の前記第１端部から離れるように延びる請求項７に記載の衝撃ドリルビット。
9. 前記衝撃面において対応する形状の凹部に各々が据え付けられる複数の耐摩耗性スタッドをさらに含む請求項１～８のいずれかに記載の衝撃ドリルビット。
10. 前記耐摩耗性スタッドのうちの一部が、各摩耗シールドに近接してグループで配置されている請求項９に記載の衝撃ドリルビット。
11. 前記摩耗シールドは少なくとも部分的に２つ以上の前記耐摩耗性スタッドの間に延びる請求項１０に記載の衝撃ドリルビット。
12. 前記耐摩耗性スタッドは多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）を含む請求項９～１１のいずれか一項に記載の衝撃ドリルビット。
13. 前記ドリルビット本体のサイドを保護するためのゲージプロテクターをさらに含む請求項１～１２のいずれかに記載の衝撃ドリルビット。
14. 前記ゲージプロテクターはまたハードフェーシング要素を含む請求項１３に記載の衝撃ドリルビット。

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