JPS6157788A - カツタ−アセンブリ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は一般的にせん孔掘削に関するものであり、特に
せん孔掘削を実施する切削ビットに関するものである。

岩石、鉱石、石炭およびコンクリート（下記において”
岩石”と総称する）の中のせん孔の掘削は鉱業、建築業
および石油業に共通な工程中に実施される作業である。

せん孔の代表的用途は、爆薬の配置、岩石支持ピンの配
置、天然ガスおよび石油のタッピングデポジットを含む
。代表的な掘削機は、硬質カッターを備えた加工面（ド
リルビット）を有する細長い中空工具軸（ドリルロッド
、ドリルスチール、ドリルパイプ）を岩石に対して押圧
しながらドリルピッ）Ｋ回転力および／または衝撃力を
加えることによって岩石中にせん孔を生じる。ドリルビ
ット上に具備されたカッターの縁部が岩石を破砕し、砕
片をかき出して、ドリルビットを徐々に岩石中に前進さ
せ、せん孔を生じる。ドリルロッドの内部をポンプ送液
されてドリルビット内部の流体通路を通して加工面近く
から放出される液体（水）によって、岩石砕片が加工面
から、前進中のドリルロッドの周囲に沿ってせん孔の外
部に噴出されることが通常である。ドリルビットの通路
から流出する流体速度は通常毎秒ｇｏｏフィート（２１
１りｍ７秒）以下であり、この流路は通常、０，１００
インチ（ｘ、ｙ４ｃＩＩＬ）以上の径を有する。岩石の
摩耗性とカッター切削縁によって岩石に伝達される激し
い機械的応力この故に、カッター切削縁の急速な鈍化が
生じる。カッター切削縁の鈍化はせん孔の前進速度を大
幅に低下させる。

その結果、多くのドリルロッドについて、容易に離脱さ
れうる着脱自在型ドリルビットを使用する。

この故に、掘削機の操作員は一般に、作業現場に複数の
ドリルビットを用意し、ドリルビットが鈍化したときに
操作員がこれを任意に取替えて研削し、掘削作業を遅ら
せないようにする。

代表的なドリルビット組立体は、ドリルロッドに対する
取付手段を備えた短軸体から成る。またドリルビット組
立体は、ドリルロッドの液体通路に連通した液体通路を
有する。ビットの切削面上に備えられたカッターは一般
に硬質鋼、炭化タンゲステン、ダイヤモンドまたは類似
の耐摩耗性物質から成る。摩耗限度に達したとき、通常
ドリルピット組立体全体を破棄する。

広範な実験テストと現場テストにより、ドリルピットカ
ッターが高速液流の切削噴流によって補助されるならば
、せん孔掘削前進速度が実質的に改良されることが示さ
れた。このような噴流は、ドリルビットの中に特殊の流
体通路オリフィス（ノズル）を設置すると共にドリルロ
ッド内部の流体圧を増大することによって作られる。こ
れらのノズルは集中流体流（噴流）を生じ、これらの噴
流がせん孔の切羽面に向けられ、ドリルピットカッター
による切削と同時に切羽面内部に切込む。

この噴流切削はカッターによる岩石破砕を容易に成し、
カッターの摩耗速度を低下させると同時圧せん孔前進速
度を増大させる。岩石切羽面の切削を成すに十分な噴流
速度を５るため、ドリルビット中のノズルの前後の差圧
は、遭遇する岩石の硬さと型に応じて約！ｒ、０００〜
４０，０００　ｌｂｓ／　１ｎ２（Ｊ’ｌ、！；ＭＰａ
＝　’ｌ／３．７　ＭＰａ）の範囲となる。噴流速度は
毎秒約ｇθＯフィートを超えなければならず、また流体
の通過オリフィス（ノズル）の径は原則として約ｏ、ｏ
６ｏインチ（／、５−）以下となり、場合によっては約
０．００．３インチ（０，０７ｗｍ）もの小径が使用さ
れる。

噴流の切削補助効果を十分に利用するため、しばしば単
一のドリルビットに複数のノズルオリフィスをせん孔切
羽面の相異る部分に指向させる必要のある場合がある。

非制限的実施例として、／、０インチ（ｕ、ｊ４’ｃｒ
ｒＬ）径のせん孔について１個のドリルビットにダ個の
ノズルオリフィスを有することが有効であることが発見
された。これより大径のせん孔については、さらに多数
のノズルオＩ）　フィバを必要とする。

多数の流体通路とノズルマウントをドリルビット本体の
中に加工する必要があるので、ドリルビットの製造コス
トが実質的に増大する。ドリルビットの外側加工面が摩
耗限度に達したとき、流体通路はなおも使用可能である
。しかし、流体通路はビットの加工面と一体を成してい
るのであるから、高価な組立体そのものを破棄しなげれ
ばならない。

この摩耗の問題を解決するために若干の試みが成された
。これらの試みの大部分は、　ａ）一体部品としてのド
リルピットカッター／ノズル組立体の耐摩性を改良する
が、ｂ）ノズルハウジングかからカッターアセンブリを
分離させるかのいずれかのカテゴリーに入る。一体部品
としてのドリルピットカッター／ノズル組立体の耐摩耗
性の改良に関しては、限られた成功しか得られていない
。

せん孔の単位直径あたりの切削噴流の数を増大させ、ま
たダイヤモンド被覆面によって防護された特殊の硬質カ
ッターインサートを使用することにより、カッターの寿
命を改良することができた。

しかしながら、高速噴流が摩耗性岩石面に衝突する際に
生じる浸食性スラリのはね返りの故にドリル本体が急速
に摩耗する傾向があるので、せん孔の長さの増分あたり
の全コストがなおも高い。噴流のはね返り浸食に抵抗す
るここのできるより硬質の材料は、冶金学的にまた構造
的に高圧流体通路およびノズルマウントと両立しない。

ノズル本体からのカッターアセンブリの分離は、従来多
くの方法で実施されていた。従来から公知のすべての試
みは３つの主な欠点を共有し、これがこれらの方法を本
発明の概念と明白に相違させる。

先行の試みの若干においては、ノズルハウジングを緩め
または除去することなしには鈍化したカッターアセンブ
リを除去することができないように、ノズルハウジング
とカッターアセンブリが相互に固着されていた。この方
法は、異物粒子が流体供給通路の中に入り、流体切削噴
流を生じるために必要な小オリフィスを閉塞させる機会
を生じる。経験上、流体通路が偶然に汚染されてノズル
オリフィスの閉塞を生じることは噴流装置について見ら
れる最も普通の問題点の１つであることが示されている
。本発明による概念は、流体通路接続部を緩める必要な
く、あるいは異物が流体通路に入る可能性を与えること
なく、カッターアセンブリを急速に除去することを可能
にする。

先行の試みの大部分は、１本または複数の噴流が通過す
る大径の孔（単数または複数）を使用する。その結果、
ノズルハウジングの相当部分が、噴流のはね返り浸食と
、せん孔の切羽面から流出する岩屑スラリの中に浸漬さ
れたノズルハウジングの回転作用による浸食とに露出さ
れる。本発明の概念は、カッターアセンブリ中の比較的
小なる孔を通してそれぞれの噴流を噴出させることによ
り、ノズルハウジングは噴流のはね返り浸食から完全に
防護される。さらにカッターアセンブリはノズルハウジ
ングの側面を防護するので、岩屑スラリによる摩耗が大
幅に低減される。

一部の先行の試みは、カッターアセンブリの中心部に配
置されなければならない小型のノズルノ・ウジングを使
用する。せん孔の直径が増大するに従って、切削噴流は
せん孔の切羽面の外側部分に達するためにそれだけ長い
距離を進行しなければならない。これは、噴流がせん孔
の切羽面のスラリ環境の中に放出される際にノズルオリ
フィスから短距離の範囲内で減衰する傾向の故に、切削
効果を大幅に低下させる。さらに、ノズルハウジングの
ゼオメトリーから、このハウジングの中に組込まれる切
削噴流の数が制限される。これらの７アクターは、従来
の試みを大径のせん孔については非常に非効率的なもの
にしている。本発明の概念は、せん孔の切羽面の直径全
体に亘って切羽面に均一に近接配置された多数のノズル
オリフィスを使用し、大径のせん孔中において、はるか
にすぐれた噴流切削効率を示す。

本宛貝ｉＩ力 カッターを含むドリルビット工作面が噴流ノズルオリフ
ィスマウントを収容したドリルビット本体とは別個の部
品を成すように設計された多噴流よい。７７、□、、う
）”Ｕ＃ｌ？−ｙ）ヵ８工あゎ　　　　ｌる。以下にお
いて、別個の工作両部品を“カッターアセンブリ”と呼
び、流体通路およびオリフィスマウントを具備するドリ
ルビット本体を１ノズルハウジングと呼ぶ。このカッタ
ーアセンブリはノズルハウジングの急速摩耗を防止し、
またノズルオリフィスマウントのいずれをも妨害しある
いは除去することなく、ノズルハウジングから容易に除
去することができる。またカッターアセンブリはノズル
ハウジングに対して、両者間に延在するねじ込み部材に
よって固着される。カッターは必要に応じて研削するこ
とができ、またカッターアセンブリは、摩耗限度に達し
たのちに破棄することができ、ノズルハウジングを除去
または破棄スる必要はない。ノズルハウジングの寿命が
大巾に増大されるので、噴流切削効果によるせん孔掘削
コストが大巾に低減される。

本発明を実施するための好ましい方法 第１図と第２図について述べれば、切削噴流を使用する
せん孔掘削機の実施態様は公知であってここに説明する
必要はないので、ドリルロッド／の末端と、ノズルハウ
ジング３と、カッターアセンブリｇのみを図示する。

ドリルロッドｌは、このドリルロッドｌを回転させある
いはこのドリルロッドｌに対して所望の掘進方向に軸方
向推力を加えながら回転衝撃を与えるここのできる適当
な装置に取付けられている。

ドリルロッドｌの流体通路コは、流体ポンプ源（図示さ
れず）に、流体供給用回転継手（図示されず）を介して
接続され、これによりポンプから流体を回転式ドリルロ
ッド／の通路コに入らせる。

ノズルハウジング３は、流体通路シール５を備えたドリ
ルロッド取付手段ダを含み、ノズルハウジングの流体通
路６をドリルロッドの流体通路コと流体洩れなしで接続
させる。ノズルハウジングの流体通路６は複数の分岐管
／コを有し、これらの分岐管がノズルオリフィスマウン
トクに対して流体を送る。これらのオリフィスマウント
７は、せん孔切羽に最も近いノズルハウジング３の面に
近接して配置されている。

カッターアセンブリざは、７個または複数のカッター硬
質刃部りと、複数の小通路１０とを含み、ノズルオリフ
ィスを出た噴流はこれらの通路ｌＯを通して放出される
。各通路ＩＯは、対応のノズルオリフィス７と同心配列
されるように配置されている。カッターアセンブリｔは
、固着手段ｌ／によってノズルハウジング３に対して整
列固着され、この固着手段／／は、ノズルオリフィス７
に対する流体通路１０の不整合あるいはカッターアセン
ブリｇの偶発的離脱を生じうるねじり応力と推力とに耐
えるように設計されている。図示の実施態様において、
固着手段／／は、カッターアセンブリｇを横断しノズル
ハウジング３の中にねじ込まれた埋込み固定ネジとする
。

カッターの硬質刃部ワは、岩屑とスラリを切羽から逃が
すのに十分な遊隙を生じる距離だけ、カッターアセンブ
リの側面から横方向に突出している。

非制限的実施例として、カッターアセンブリｇが比較的
小なるせん孔（約３インチ（７４，２ｒｔａｔ　）以下
の直径のせん孔）に使用される場合、流体通路／θの直
径はオリフィス７の径の約−倍から、約０．１００イン
チ（ＪＪｍ）の最大値まで変動することができる。

本発明は採鉱業および石油採掘業においてせん孔掘削に
応用することができる。さらにこのビットは、工業分野
の高圧清掃、コンクリートの乱切、岩石中およびコンク
リート中の深い広い穴の切削に使用することができ、ま
た公共施設および採炭業の方向性ドリルのビットとして
使用することができる。

まとめて言えば、ノズルハウジングの急速摩耗を防止す
るに役立つ噴流式せん孔掘削用カッターアセンブリにお
いて、 ／）ノズルオリフィスマウントを離脱させまたは１”る
ことなく、ノズルハウジングから容易急速に取りはずす
ことができ、 コ）ノズルハウジングを噴流のはね返りまたはカッター
アセンブリの周囲のスラリ流の浸食作用に露出するここ
のないように複数の噴流ノズルを取付けることを可能に
し、 ３）噴流オリフィスマウントとカッターアセンブリ中の
噴流排出用小孔この間の整合の問題を生じることなく、
ノズルハウジングに対して急速に固着することができ、 ｑ）より大径のせん孔切羽の中心部に向けられたノズル
に比して、ノズルオリフィスと切羽の間隔を大巾に増大
することなく、このせん孔の外径の近傍に複数の噴流を
指向させうるカッターアセンブリが開示され請求される
。

本発明は前記の説明のみに限定されるものでなく、その
主旨の範囲内において任意に変更実施できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施態様の横断面図、また第２図はそ
の斜視図である。 ／・・・ドリルロッド、コ、６・・・流体通路、３・・
・ノズルハウジング、り・・・ノズルオリフィスマウン
ト、ｇ・・・カッターアセンブリ、デ・・・硬質カッタ
ー刃部、１０・・・通路、／／・・・固定ネジ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、噴流式せん孔掘削用ノズルハウジング−カッタユニ
   ットアセンブリにおいて、 ａ）（１）中空ドリルロッドに対して密封的に軸方向に
   固着されるよらにした近位端部と、（２）複数ノズルを
   有する遠位端部とを有し、この遠位端部は、その前方の
   切削を促進するために高速で流体を通過させるように配
   置され、また（３）前記近位端部と前記遠位端部とを接
   続する管状部を有し、前記管状部の孔が前記の中空ドリ
   ルロッドの孔と前記複数の各ノズルとを連通するように
   したノズルハウジングを含み、 ｂ）（１）端面上に取付けられこの端面の限界を超えて
   放射方向に延びる少くとも１個のカッター手段を有する
   遠位端部を有し、この遠位端部は、前記ノズルハウジン
   グの遠位端部の正面の前記ノズルの位置と整合して前記
   端面に開く孔を有し、これらの孔は前記ノズルの径より
   大なる径を有し、この径は前記ノズルの径の約２倍から
   約０．１００インチまでの範囲とし、また（２）開放近
   位端部に終わる管状部を有するカップ状カッターアセン
   ブリを含み、前記管状部の内側面が、前記カップ状カッ
   ターアセンブリを前記ノズルハウジング上に緊密に滑り
   ばめするように成され、 ｃ）掘削条件において前記ノズルと前記カッターアセン
   ブリの孔とを整合関係に固定し前記の嵌合と整合とを保
   持するように前記のノズルハウジングの前記管状部と前
   記のカッターアセンブリの前記管状部とに組合わされた
   手段を含むノズルハウジング−カッタユニットアセンブ
   リ。 ２、ハウジングと、ハウジングの外部に開く少くとも１
   つのアパチュアと連通したハウジング内部の導管と、前
   記アパチュアに組合わされたノズルと、前記ハウジング
   をドリルロッドに密封固着するための手段と、前記ハウ
   ジングの前端部をカバーする着脱自在のカッターアセン
   ブリであって、このカッターアセンブリはその内部を貫
   通する少くとも１つの通路を有し、この通路は前記ハウ
   ジングのアパチュアと同心であり、少くとも１個のカッ
   タを固着された着脱自在のカッターアセンブリと、前記
   カッターアセンブリの通路、前記ハウジングのノズル、
   およびアパチュアの同心性を保持するように前記カッタ
   ーアセンブリと前記ハウジングを貫通する固着部材とを
   含むドリルビット。 ３、前記カッターアセンブリは、前記固着手段を収容す
   るために内部を貫通した第１ジャーナルを有する特許請
   求の範囲第２項によるドリルビット。 ４、前記ハウジングは前記固着手段を収容するために内
   部に延在する第２ジャーナルを有する特許請求の範囲第
   ２項によるドリルビット。 ５、前記の固着部材はネジを含み、ハウジング中にねじ
   込まれて、ハウジングとカッターアセンブリとを相互に
   固着する特許請求の範囲第２項によるドリルビット。 ６、固着手段は固定ネジである特許請求の範囲第５項に
   よるドリルビット。 ７、固着手段はカッターアセンブリの内部に埋込まれる
   特許請求の範囲第２項によるドリルビット。 ８、前記カッターアセンブリの通路の径は、ノズル径の
   約２倍乃至約０．１００インチの範囲内である特許請求
   の範囲第２項によるドリルビット。 ９、カッターアセンブリの切削面は尖端部を有する特許
   請求の範囲第２項によるドリルビット。 １０、カッターはカッターアセンブリの側面から前記尖
   端部の先まで延在する特許請求の範囲第９項によるドリ
   ルビット。