JPS62111093A

JPS62111093A - 耐摩耗性インサ−トを有するロツク・ビツト

Info

Publication number: JPS62111093A
Application number: JP61245659A
Authority: JP
Inventors: デイビド　リチャード　ホール
Original assignee: Smith International Inc
Current assignee: Smith International Inc
Priority date: 1985-10-18
Filing date: 1986-10-17
Publication date: 1987-05-22
Also published as: EP0219959B1; EP0219959A3; DE3685083D1; IE57504B1; EP0219959A2; IE862386L; CA1256096A

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】［産業上の利用分野１本発明は着層を穿孔するための多結晶ダイヤモンド（Ｐ
ＣＤ）が先付けされたインサートを有する、油井等を穿
孔するためのロック・ビットに関する。

［発明の背景］重負荷ロック・ビットは、油、ガス、地熱スヂーム等の
ために地層に井戸を穿孔する際に用いられる。この種ビ
ットは、ドリル・ストリングに接続されたボディと、着
層を穿孔するためにボディに支持された、典型的には３
つの複数の中空のカッタ・コーンと、を有する。

カッタ・コーンはその下端部でボディと一体のｔｊＡｖ
Ｊジ１１−ナル若しくはビン上に支持される。使用にお
いてコーンが穿孔されるボア穴の底部に接触するにつれ
て、ドリル・ストリング及びビット・ボディはボア穴内
で回転され、各コーンは各ジ１１−ナル上で回転される
。上記ロック・ビットが硬い層に用いられると、高い圧
力及び温度に遭遇する。このような厳しい環境における
ロック・ビットの全使用ｉｐ命は、約５０００乃至ｚｏ
、ｏｏｏｒｔの深さで且つ約６−１／　２乃至１２−１
／４　ｉｎの直径の寸法において、２０乃至２００１１
５間である。典型的には使用寿命は約６５乃至１５０時
間である。

ボア穴が穿設されるにつれてロック・ビットが摩滅若し
くは破損すると、ビットを交換するためにドリル・スト
リングを引抜く必要がある。ビットを交換するために必
要な時間は、穿孔操作におけるり本釣な損失となる。こ
の１１．１間は、特に１１戸の深さが大ぎくなる程、せ
戸を完成する総時間の人き４１部分を占めるようになる
。従って着層にａ３けるドリル・ビットの′Ｒ命を最大
化することが望ましいことは明らかである。穿孔時間の
延長はビット交換のためにドリル・スｉ・リングを「往
復」ざＵる時間の１０失を最小どする。

ドリル・ビットの交換は種々の理由から必要となり、こ
れ等の理由としては着層に接触方る構造の摩滅若しくは
破損等が含まれる。ドリル・ス１へリング、トのロック
・ビットの交換の伯の主要な理由は、過剰な摩擦、潤滑
剤の消耗等により、ローラ・コーンを支持づるベアリン
グが破損することである。成る着層におけるロック・ビ
ットの破ＩＱには神々の他の主要でない原因が存在する
。交換の原因となるであろうロック・ビットのこれ等成
分の機能を高めると共に寿命を延ばそうとする努力が続
けられて来ている。ベアリングについては連続的な改良
がなされているが、ロック・ピッ１−の切削構造につい
ては主な改良が殆どなされていない。

ロック・ピッ１−がボア穴を穿設する時、ボア穴の直径
若しくは用法を所望の値に維持することが重要である。

ロック・ピッ１−の各コーン」二のインリートの最外列
はゲージ列として知られている。

このインナートの列は最大の摩擦を受け、何故なら、こ
の列は穴の底部上の最外部を移動するからであり、また
ゲージ列インサートは、ドリル・ビット・ボディ上でコ
ーンが回転するにつれて、穴の側壁を擦る傾向もある。

ゲージ列インサートが摩耗するにつれて、穿孔されるボ
ア穴の直径はロック・ビットの原寸法以下に減少する。

ビットが摩滅し且つ排除されると、穴の底部は通常寸法
が小さくなる。次のビットが穴内で駆動される時、従っ
て完全な所望の寸法にするために穴の底部を拡げる必要
がある。これは実質的に時間が■トかるだ（）でなく、
ゲージ列インサートの摩耗を引き起こし、このことは再
び第２ビツトが摩滅するにつれて寸法の小ざい穴をもた
らすこととなる。更に、ビットが穴を拡げるにつれ、コ
ーンに側部荷重が供給され、ビットを［ピンヂング１す
ると共に、ベアリングに高い側部荷重を供給し、これは
ベアリングの早期破損を生じさせる。

穿孔される岩屑中へのロック・ビットの侵入速度は穿孔
の重要なパラメータである。明らかに高速度の穿孔を維
持することが望ましく、何故ならこれは井戸の穿孔に必
要なｌ１１１間を減少さＶ、この時間は穿孔において包
含される固定原価故に非常に高価である。コーン内のイ
ンナートが摩耗し、穿孔開始時と同程度にはコーン表面
から突出しなくなると、侵入速度は減少する。摩耗イン
サートは増大した曲率半径及び増大した着層接触域を有
する。従って侵入により大ぎな力が必要となり、これは
ベアリングの破損及びゲージ列インサートの破壊をもた
らす。穿孔速度は作業者によって連続的に観察され、侵
入速度が許容程度以下となるＪ：うにインリートが摩耗
した時点で、ビットが交換される。

故にロック・ビットのインサートの摩耗抵抗を最大とし
て、実現可能な限り高い侵入速度を維持づることが重要
である。特にゲージ列インサートの摩耗を最小として完
全な寸法に穿設された穴の良さを最大とすることが重要
である。

超硬タングステン・カーバイドの通常のインサートの耐
ＩＴ耗性は、タングステン・カーバイドの比率を増大さ
せると共に、複合材料にＪ３けるコバルトの比率を減少
させることにより強化される。

これは超硬タングステン・カーバイドの硬度及び耐摩耗
性を増大さける一方その靭性を減少させ、コバルトの含
有値が多いインサー１−よりもインナートは破壊感受性
が高くなる。例示の実施例においてロック・ビットに用
いるインサートのコバル１−含右吊は約６乃至１６小ω
％である。

耐摩耗性及び靭性に影響する他の要素は、タングステン
・カーバイド相の粒子の寸法である。インサートにおけ
る例示的な粒子寸法は、３乃至７μである。この粒子寸
法は、より大きな及びより小さな粒子を含む混合粉体の
平均粒子寸法である。

例えば平均粒子寸法が５μであると、それ以下の寸法粒
子と共に７若しくは８μのような大きな粒子がｈ在する
。一般的には靭性はより大きな粒子寸法を伴って増大し
、耐摩耗性も同様である。ロック・ビット・インサート
のための超硬タングステン・カーバイドの通常のグレー
ドは、約６μの平均タングステン・カーバイド粒子寸法
を有し、約１０乃至１４重恐％コバルトを含む。

ロック・ビットにおいてインリートの靭性は重要で、何
故なら、インサーＩ−はき層に対して擦られることによ
る摩耗だけでなく、コーンの回転に伴ってｌｊ　ｍ荷重
を受けるからである。インサートの破壊は、穿孔作用の
減少をｂたらずだけで＜Ｋ　＜、破壊インサートの破片
が他のインサートをＵ　１１３させるために重要な問題
となる。従って破壊に抵抗するように靭性があり、また
摩耗に抵抗するように硬いインＩナートを提供すること
が望ましい。

［発明の要約］従って本発明によれば、一端部にドリル・ストリングに
ビットを接続するための手段を有すると共に、他端部に
ピッ１〜の軸に交差する軸の周りを回転するようにロー
ラ・コーンを支持する手段を有する、鋼製ボディの付い
たロック・ビットが提供される。穿孔されるボア穴の底
部上で回転するようボディに支持された各ローラ・コー
ンは、ボア穴の底部で岩を砕くための複数のインリーー
トを含む。これ等インサートの少なくとも一部分は、コ
ーン内に着座するグリップ長さと、コーンの表面から突
出する東京端部分と、を有する超硬タングステン・カー
バイド・ボディからなる。多結晶ダイＶ′Ｕ：ンドを含
む層が、多結晶ダイヤモンド結晶ド層バイド・ボディと
の間の移行層を伴ってカーバイド・ボディの集束端部上
に設けられる。移行層は、ダイヤモンド結晶及び予超硬
タングステン・カーバイド粒子を含む複合材料からなる
。

［実施例１例示のロック・ビットは下端部に支持された３個のカッ
タ・コーン１１を有する鋼製ボディ１０からなる。油Ｌ
［等を穿孔するため、ドリル・ストリング上へロック・
ビットを組立てるように、ボディの上端部に捩子付きビ
ン１２が設けられる。穿孔される岩屑に接触するように
、カッタ・コーンの表面に複数のタングステン・カーバ
イド・インサート１３が設けられる。

第２図は、カッタ・コーン１１が支持される３つの脚の
１つを通しで、ロック・ビットの回転＠１４から半径方
向に延びるロック・ビットの長手方向断面図である。各
脚はロック・ビット・ボディの下向ｅ■つ半径方向内向
きに延びるシ１シープル・ビン１６を含む。ジャーナル
・ビンはその下側部分上に硬質金属インサート１１を有
する円筒形ベアリング表面を含む。硬質金属インサート
は、典型的にはジャーナル脚の溝内の所定位置に熔接さ
れたコバルト若しくは鉄を主成分とした合金で、ジャー
ナル・ビン及びロック・ビット・ボディを形成する鋼よ
りも実質的に大きな硬さを有する。インサート１１に対
応する開放構１８はジャーナル・ビンの上側部分に設け
られる。例えば上記溝はジｐ　−ナル・ビンの周囲の６
０％程度に延び、硬質金１１１１７が残りの４０％程度
に延びる。ジャーナル・ビンはまたその下端部に円筒形
ノーズ１９を有する。

各カッタ・コーン１１は外表面の穴へ埋込まれたタング
ステン・カーバイド・インサート１３を右する、中空で
概ね円錐形の鋼製ボディの形態をなす。

各コーン上のインサートの外側列２０は、これ等のイン
サートがボア穴の寸法若しくは直径を穿設することから
、ゲージ列として言及される。上記タングステン・カー
バイド・インサートは、ロック・ビットが回転されるに
つれて、穿孔されるボア穴の底部で地下着層と係合し且
つこれを砕くことにＪ、す、穿孔作用を提供１′る。コ
ーン内の空所は、鋼製コーンの溝内に収納された若しく
はコーンの溝内の浮遊インサー１−としてのアルミニウ
ム・銅インリート２１を含む円筒形ベアリング表面を含
む。

コーン内のアルミニウム・銅インサート２１は脚上の硬
質金属インサート１７と係合し、ビット・ボディ１−の
コーンのための主ベアリング表面を提供する。ノーズ・
ボクン２２がコーン内の空所の端部とノーズ１９との間
に存在し、ジャーナル・ビン上のコーンの主要なスラス
ト荷重を支持１゛る。プツシ１２３がノーズを包囲し、
コーンとジャーナル・ビンとの間に追加のベアリング表
面を提供する。。

複数のベアリング・ボール２４が、コーン及びジャーナ
ル・ビン内の補完ボール・レース内に密封される。ボー
ルは、ベアリング・レースと［１ツク・ピッ１−の外部
との間でジャーナル・ビンを通して延びるボール通路２
６を通して挿入される。コーンは先ずジＶ−ナル・ビン
上に装着され、次にベアリング・ボール２４がボール通
路を通して挿入される。ボールはジャーナル・ビンから
コーンを外そうとする全てのスラスト荷重を支持し、従
ってジ１シーナル・ビン上にコーンを保持する。ボール
はこれ等が所定位置に置かれた後にボール通路２６を通
して挿入されるボール・リティｔ２７にＪ：リレース内
に保持される。次いでプラグ２８がボール通路の端部内
へ熔接され、ボール・リティナを所定位置に保持する。

ジャーナル・ビンとコーンとの間のベアリング表面は、
種々の通路及びグリース・リザーバに加えてベアリング
表面に隣接する区域を満たすグリースにより潤滑される
。グリース・リザーバは潤滑剤通路３１によりボール通
路２Ｇに接続されたロック・ビット・ボディ内の空所２
９からなる。グリースはまた、ボール・リテイナに隣接
するボール通路の一部分、ジ１シーナル・ピンの上側の
開放溝１８、及び両者間の対角延在通路３２を満たす。

グリースはコーンとジ１１−ナル・ビンとの間のＯリン
グ３３の形態をなす弾性シールによりベアリング構造内
に保持される。

圧力補償Ｉナブアセンブリがグリース・り暑ｆ−バ２９
内に含まれる。このサブアセンブリは内端部に開口３６
の付いた金属製キャップ３４からなる。可撓ゴム製ベロ
ーズ３７がギャップ内へその外端部から延びる。ベロー
ズは貞通ずるベント通路３９を右するキャップ３８によ
り所定位置に保持される。圧力補ｆｉｔナブアセンブリ
はスナップ・リング４１によりグリース・リザーバ内に
保持される。

ベローズはその内端部においてボス４２を有し、ボスは
ベント通路３９をシールするためベローズの転置の一端
部にＪ５いてギｊｙツブ３８に対して着座できる。ベロ
ーズの端部はまたキャップ３４に対してそのストローク
の他端部で着座し、従って間口３６をシールＪ−ること
ができる。

本発明の実施において、ロック・ビットの切削Ｍ４造の
少なくとも一部分は、多結晶ダイヤモンドが先付けされ
たタングステン・カーバイド・インリートからなる。例
示のインサートは第３図に長手方向断面で示される。こ
のインサートは、インナートの主部分に沿って延びる円
筒形グリップ４６を有する。一端部において、所望の切
削構造に依存する種々の形状のいずれかを右するであろ
う集束部分４１が存在する。集束部分は放物形状若しく
は丸い端部のイ」いた基本的に円錐体として言及される
。これは両側に集束平坦カット及び丸い端部の付いた円
錐体のようなたがね形状とすることができる。集束部分
は半球体若しくは技術的に公知の種々の他の形状とする
ことができる。

上記インサートはローラ・コーン内に埋込み装着若しく
はろう付けされる。各コーンはその外表面の周囲列に複
数の平坦底部穴を有する。例示の穴は例示のインサート
のグリップ４６の直径よりも約０．１３　ｍｍ小さい直
径を有する。インサートは数千ボンドの力で鋼製コーン
の穴内に埋込まれる。

コーン内へのインサートの埋込み装着はインサー１〜を
所定位置に緊密に保持すると共に穿孔中にこれが外れる
のを阻止する。

第３図図示インサー１−の集束部分は、ロック・ビット
内でインサ”−トが用いられる時に岩と係合するための
外層４８と、外層間の内層４９と、インサートの主超硬
タグステン・カーバイド・ボディと、を有する。例示の
実施例の外層は１２５μの厚さの多結晶ダイヤモンド（
ＰＣＤ）からなる。内層は３８０μの厚さを有し、米国
特許第４，５２５，１７８号に開示されるような多結晶
ダイヤモンドと予超硬タングステン・ｈ−バイトとの複
合４４　Ｆｌからなる。

この明細Ｎ内で用いられているように、多結晶ダイヤモ
ンドという用語は、その略ｍ　ｒＰｃＤＪに従って、隣
接ダイヤモンド結晶間で結晶粒の結合が生じる充分な高
圧及び高温を個々のダイＶ［ンド結晶に負わせることに
より製造した材料をいう。

例示の最小温度は約１３００℃で、例示の最小圧力は約
３５キロバールである。所与の実施例における最小の充
分な温度及び圧力は、］バパルのようなダイヤモンド結
晶に対する触媒の存在等の伯のパラメータに依存する。

通常上記触媒／結合祠料は、工程の選択された時間、温
度及び圧力にＪ３いて結晶粒の結合を確実にするために
用いられる。ここで用いられるように、ＰＣＤは残留］
パル（−を含む多結晶ダイヤモンドをいう。しばしばＰ
ＣＤは技術的に「焼結ダインセンド」として言及される
。

例示の実施例において、ＰＣＤの外層はダイヤモンド結
晶とコバルト粉体との混合体からなり、全体でコバルト
は１３巾吊％若しくは６体積％となっている。望ましく
は触媒金属が１乃至１０体積％で存在する。ダイヤモン
ド結晶の約６５％は４乃至８μである。ダイヤモンド結
晶のその他の３５％は１／２乃至１μである。ダイヤモ
ンド結晶は、自然のダイヤモンド若しくは高温、高圧工
程で製造した人工ダイヤモンドのいずれともすることが
できる。

ダイヤモンド結晶の刈払は１μ程度の寸法から上とする
ことができる。望ましくはこれ等は約２０μ迄範囲が広
がる。望ましくは寸法の混合は稠密パッキングのために
用いられる。コバルト含有ｄは１乃至１５体積％と１”
ることができ、望ましくは１０体積％以下である。成る
実施例において鉄若しくはニラクルのような他の触媒も
用いられる。

ＰＣＤ層を作るための原材料は、ダイもンド粒子がコバ
ルトで全体的に覆われるように充分な時間砿かれ（ミル
され）ることが−望ましい。超硬タングステン・カーバ
′イドで裏張り−され１つ超硬タングステン・カーバイ
ド・ボールを用いるボール・ミル内で黒くことはダイＶ
〔ンドの汚染を防止する上で望ましい。所望とあればａ
ｌ擦若しくは遊星ミル用いることができる。上記ミル作
業はコバルトを「なすり付ける」のに充分なエネルギで
あるが、ダイＡ７モンド粒子の粉砕を防止するようでな
けれ″ばならない。−日若しくは２日間のボール・ミル
作業が適当である。

禁かれた材料が、ダイモンドが熱力学的に安定な高温及
び充分な圧力を受けると、隣接ダイヤモンド間の結晶粒
の結合が生じ、多結晶ダイヤモンドの単一体が形成され
る。

中間複合層は、ダイヤモンド結晶、コバルト及び予超硬
タングステン・カーバイド粒子の混合体から形成される
。予超硬タングステン・カーバイドはボール・ミル等の
中でタングステン・カーバイド粉体及びコバルト粉体を
混合することにより作られる。混合粉体はコバルトの融
点近くぐ締固めされ且つ焼結される。結果としての締固
め体は内層の複合材料を作る・のに用いるため、所望の
粒子寸法に粉砕される。例示の実施例において内層の複
合材料には３２５米国メツシュ（約４４μ）の粗粒子ｊ
法が用いられる。

予超硬タングステン・カーバイド粗粒子は種々のタング
ステン・カーバイド粒子の寸法及び形状並びに種々のコ
バルト含有ωを有する。コバルト含有量は５乃至１６重
Ｍ％とすることができ、クンゲステン・カーバイド粒子
は４乃至１５μであることが望ましい。例示の実施例に
おいて、粒子寸法は６μでコバルト含有量は１４重量％
である。

例示の実施例において、多結晶ダイヤモンドの層と超硬
タングステン・カーバイドｕ体どの間の内層は、４０体
積％の上記ダイヤモンド粉体（６体積％のコバルトを含
む）と６体積％のタングステン・カーバイド粗粒子との
混合体から作られる。

所望とあれば、超硬タングテン・カーバイドのコバルト
含有８に依存して追加のコバルトを含めることができる
。

複合層Ｉ＋ｌを作る時、望ましい粉体を完全に混合する
。ダイヤモンド結晶及びコバルト粉体は上述の如くボー
ル・ミルで一緒に黒く。追加のコバルトを伴って若しく
は伴わずに、最初に砿かれる超硬タングステン・カーバ
イド相粒子が加えられた後、混合体を完全に６合し且つ
なすり例【ノるために、）１を合体は更に關かれる。例
えばダイＶ−［ンド及びコバル］へ粉体は、タングステ
ン・カーバイド粗粒子の追加の＋ｆｉに−「１中−緒に
ボール・ミルで鋸かれる。この混合体は次に更に１日若
しくは２日間ボール・ミルで砿かれる。例示のボール・
ミルでの礪く作業は４８時間である。

インサー１〜上の層を作るための混合粉体は、第５図図
示の型式のアセンブリにおけるロック・ピッ１−のイン
サート・ブランク５１に焼結且つ結合される。第５図図
示実施例において形成されたインサートは、」−述の第
３図図示実施例にＪノけるらのと幾分異なる層を右する
が、製造技術は同じである。インサート・ブランク５１
は一端部に集束部分を有する円筒形超硬タングステン・
カーバイド・ボディからなる。集束部分は完成イン丈−
トの外形をなし、その上に形成されるべき層の厚さだｔ
フ薄い。アセンブリは望ましくは２重壁を有する深絞り
金属製キＡＩツブとして形成される。内側キャップ５２
が存在し、その内側は、予形成されるロック・ビット・
イン１ノートの端部の所望の正味形状に形成される。内
側キャップは５０乃至１２５μの厚さを有するジルコニ
ウム・シー１−である。外側キャップ５３は２５０μの
厚さの七すプデンである。ジルコニウム・シート５４及
びモリブデン・シート５５は泊部でアセンブリを閉鎖す
る。故に形成されたジルコニウム１ノノン」はその内部
のＪｔＡ　Ｒを窒素及び酸素の影響から保護する。モリ
ブデン・カンはロック・ビット・インサートを形成する
のに用いられる高圧、高温プレス・サイクル中にしばし
ば存在１”ろ水からジルコニウムを保護する。

コバルトを含むダイヤモンド粉体を混合した第５図図示
アセンブリの製造はキャップ内で実施され、ブランクが
軸対称の時、インサート・ブランクと同じ形状を右り°
る物体でプレスし且つ回転させることにより１ｔ９ＦＪ
に延展される。もしたがねインサートが作られるとする
と、粉体は概ね円錐形の工具で延展される。外層を作る
粉体が先ず延展され、次に内層を作る粉体が外層−ヒに
延展される。

最終的にインサート・ブランクは所定位置に置かれ、ア
レンブリの頂部を閉鎖するように金属製シートが加えら
れる。少量のパラフィン・ワックスが混合粉体内に含ま
れ、薄層内における粉体の拡散及び保持を補助する。代
りに層は挿入物がキャップになる前にインサ“−１−・
ブランクの端部上に形成できる。他の実施例において、
充分なワックスが粉体に含まれ、インナート・ブランク
上若しくはキャップ内に配置される混合粉体の自己支持
「キャップ」を形成する。上記技術のいずれかによりア
センブリが形成された後、ダイスを通してアレンブリを
プレスし、それ等の内容物に対して緊密にキャップをす
え込むことが望ましい。

次に上記アセンブリの１つ若しくは複数は、ベル１〜・
プレス若しくはキュービック・プレスでプレスするため
に通常の高圧セル内に置かれる。種々の公知のセル形状
が適用可能である。例示のセルは、セルをシールすると
共に圧力を伝達する塩若しくはピロフィライトにより上
記アゼンブリから絶縁され、且つアセンブリを包囲する
グラファイト・ヒータ管を有する。ロック・ビット・イ
ンサートを形成するための１つ若しくは複数の上記アセ
ンブリを含む上記セルは、高圧ベルト若しくはキュービ
ック・プレス内に置かれ、焼結工程内に含まれる温度で
、ダイヤモンドが熱力学的に安定な充分な圧力が供給さ
れる。例示の実施例において、５０キロバールの圧力が
用いられる。

アレンブリが高圧になると直ぐに、グラフアイ１−・ヒ
ータ管を通して電流が流され、少なくとも１３００℃で
、望ましくは１３５０乃ｙｉ４ｏｏ℃にアセンブリの温
度を上品させる。多結晶ダイヤモンドの焼結及び形成の
ＩＣめの充分な１１１間に亘ってアセンブリが高温とな
った時、電流が遮断され、プレスの水冷アンビルに熱移
送することにより、パーツは急速に冷却される。渦電が
１３００℃以下で、望ましくは２００℃以下どなった時
、圧力が解放され、セル及びその内容物がプレスから１
ノＦ出される。金属製カン及び他の接着祠料カンは、４
ノンド・プラスト若しくはエツチングにより完成イン１
ナートから速に除去される。完成インサー］・のグリッ
プは、ロック・ビットのコーン内の穴に密着する所望の
＼１法の円筒体に基づくダイ１７ｒ：ンドである。当然
ダイヤモンド結晶及び予超硬カーバイド粒子の複金属は
、高温及び高圧で焼結され、ｎいに分離できる別個の形
態をなさない。

テキザス州の西部の穿孔するのが中程度に難しい地層に
井戸を穿孔する間に、本発明に係る２つの実験的な【コ
ック・ビットが試験された。穿孔される地層は、塩、頁
岩、苦灰岩、砂岩と苦灰岩との混合、砂岩と硬石膏の混
合、砂岩と苦灰岩との混合を含んでいた。これ等の各ビ
ットは７個で、ゲージの横断直径は７〜８ｉｎであった
。用いられるインサートの形状は、同じ油原地層にＪ３
いて典を的に用いられていたロック・ピッ１−の通常の
インサート（スミス・ツールＦ３７型）と同じ形状であ
った。

各ビットにａ３いて、ゲージ列のインサ−１〜は上述の
ように多結晶ダイヤモンドが先イ１すされていた。各超
硬タングステン・カーバイドのイン］１−ト・ブランク
は６μタングステン・カーバイド粒子及び１４千吊％の
コバルトを伴って作られた３、内層は３８０μの厚さで
、６体積％のコバルトを伴う４０体積％のダイ曳７モン
ド・コバルト混合体と、６０体積％の３２５メツシユ予
超硬タングステン・カーバイド粒子と、から形成されて
いた。外層は１２５μの名目上の厚さを伴うＰＣＤであ
った。外層の形成において幾分凹凸があり、成る区域に
おいて膚は７５μ程度のｊすさであったと信じられる。

ロック・ビット上の切削構造内の他のインサート（ゲー
ジ・インサート以外）は、６μタングステン・カーバイ
ド粉体及び１４％コバルトを伴って作られた通常のタン
グステン・カーバイド・インサートであった。

ピッ１−の１つが１５１４ｆｔから４０９４ｆｔの深さ
迄、即ち総計２５８０ｆｔの間用いられた。ビットは４
５時間１５分用いられ、平均侵入速度は５７ｒｔ／ｌ＋
ｒであった。

運転中、ビット上の荷重は１５，０００乃至５０，００
０ボンド（Ｇ、８００乃至２２．７００ｋｇ　）で、ビ
ットは６７乃至　１１０１３ＲＰの速度で回転した。ビ
ットの最大ＷＲは４２５で、これは穿孔される場所の平
均を僅かに下回る。ビット上の荷重に関するＷＲはビッ
ト・ゲージ直径により分割される回転速度を時定する。

この運転は、概ね対比可能な深さで同じ穿孔リグにより
穿孔された、７つの近隣の井戸における一般的なビット
による運転と比較される。平均的な運転は５４時間で終
了し、２８４８ｆｔの深さ穿孔され、侵入速度は約５３
ｒｔ／ｌ＋ｒであった。故に、各コーン上のゲージ列に
Ｊ３けるダイＡ７七ンド先付はインサートを伴うビット
は平均浸入速度以上で運転され、運転旧聞及び穿孔深さ
は平均を僅かに下回った。

総穿孔深さが僅かに低かった理由は、過剰な速度及びｉ
ｕｉ重で、砂岩の細脈を伴う苦灰岩の特に困難な着層内
でビットが運転されたからで、ゲージ列インサー１−は
破＋４１された。インリートの破壊は地面で検知され、
上記ビットによる穿孔は終了した。

インサートの破壊後、穴の１５乃至２０Ｃ【が寸法を下
回ったものと予想され、穴を拡げる必要があった。

例示の対比可能な穴において、拡げる必要のある穴の良
さは零から約１５０ｒｔの節回である。

第２の実験的なビットは、１ｓｉ１ｒｔの深さで穴内で
運転され、３６８７ｆｔで引出され、総穿孔良は２１７
６ｆｔであった。

穿孔時間は３３時間で、平均侵入速度は６６ｆｔ／ｌ＋
ｒであった。ビット上の荷重は１５，０００乃至５５，
０００ボンド（６，８００乃至２５，０００ｋ（１”）
で、速度は７８乃至１２０ＲＰＭであった。ビットの最
大ＷＲは穿孔される宕層の平均より上で、叩ち５４５で
あった。

同じ地層内の概ね対比可能な深さで、同じ穿孔リグで穿
孔された９本の確認井戸にＪ３いて、平均運転ｈ１は約
４７時間で２６８０ｆｔであり、平均侵入速度は５７ｆ
ｔ、／ｈｒであった。

第２の実験的なビットは、ビットが鈍くなるか破糺１り
るか、或い【ユ摩耗するかの兆が地面においである萌に
穴から引出された。ビットの検査は、ダイヤ［ンド先付
はゲージ列インサート上に知覚可能な摩耗が存在しない
ことを示した。僅かなゲージ列−ｒンサートではダイヤ
センド層が僅かに欠（〕ていた。これ等の同じ穿孔条件
下において、通常のＭＵＩＩ！１！タングステン・７Ｊ
−バイト・ゲージ列イン１ノート［には明らかに摩耗が
観察された。ゲージ列に超硬タングステン・）ｊ−バイ
ト・′インリ°−１−を右覆る通常のビットにＪ３いて
ｉｌＪ寮されるよりも、ゲージ列から内方の超硬タング
ステン・カーバイド・インサート上の摩耗は少ないよう
であった。試験ピッｉ・のノコ−バイト・インサート上
には殆ど１＠耗は認められなかった。多くのビットにＪ
３いて内側インサートは非常に摩耗し、侵入速度は大き
く減少する。ゲージ列インサート上に摩耗がないことは
、穴の完全寸法を維持するだけでなく、ゲージ列から内
側のタングステン・カーバイド・インサートのための保
護を提供するものと信じられる。これは、ゲージ列の摩
耗がないと、ビット上の荷重がインサート上により均一
に拡散され、他のイン１ナートは過剰な荷重が掛からな
いために生じる。耐摩耗ゲージ列インサートは、ロック
・ピッ１−・ボディ上にコーンを支持号−るのに用いら
れるベアリングを保護ツることにより、別の利益を右す
る。ビットが摩耗して切削が寸法以下になった時、若し
くは寸法以下の穴を拡げる時、コーンのベアリング上に
は不適当な負伺がｌ）かる。ピッｌ〜のこの「ピンチン
グ」は、早期のベアリング破ｊＯの原因となる。故に、
ＰＣＤで先付（プされたゲージ列インサートと、超硬金
属カーバイドの伯のインサー１〜とを伴うロック・ビッ
トの実施例は、本発明を実施する上で望ましい。

ダイヤモンド先イ１【フィン１ノートは無視できる程度
の摩耗しか示さないため、破損の主な理由はイン量ナー
１−の欠損若しくは破壊に近いものと考えられる。従っ
て上記ビットは、通常のローラ・コーン・ロック・ビッ
トに比べて高い回転速度及び低い荷小で使用することが
望ましい。欠片を迅速に除去し、コーンの摩耗を最小に
づ′るため、良好な循環が望ましい。

第４図は本発明に係る多結晶ダイヤモンドが先付けされ
たロック・ビット・インサートの他の実施例を示す。こ
のインサートは、円筒形グリップ５８を具漏する通常の
超硬タングステン・カーバイド・ブランク５７と、コー
ンの表面を越えて突出１゛るイン＃−１−の一部分上の
集束端部と、を右し、コーン内にインサートは埋込まれ
る。集束端部で超硬タングステン・カーバイド・ブラン
クに隣接し、３８０μの厚さの内層５９が存在する。内
層は２５０μの厚さの中間層６０により覆われる。一方
これは１２５μの厚さの外層６１により覆われる。

外層６１は上述のＰＣＤである。中間層は６０体積％の
ＰＣＤ　（６体積％のコバルトを含む）と４０体積％の
予超硬タングステン・カーバイドとの混合体で形成され
る。内層は４０体積％のＰＣＤと６０体積％の予超硬タ
ングステン・カーバイドで形成される。へル［ｔ″）高
温で焼結し、上述の如く層の複合材料を形成した後、相
な作用により体積％は原混合体内の比率と僅かに相’Ａ
−Ｊる。例λば、コバルト相内で幾分かのダイヤモンド
は溶解し、従ってＰＣＤ及び複合体内のダイヤモンドの
体積比率は僅かに減小する。

インリートの集束部分の外表面上にｌ）　ＣＤの層を有
することにより、Ｗｌｌに対して用いられる際のインサ
ートのＩ！？耗は無視できる程度となる。］）ＣＤ層と
超硬カーバイド基体との間に移行部を提供することによ
り、弾性係数及び熱膨張係数において移行部はＰＣＤ層
を保護する。ＰＣＤ層近傍の中間層６０は、内層５９に
比べてｌ）　ＣＤが比較的高比率で、超硬カーバイドが
低比率で、従って、上述及び第３図図示の実施例におく
ｊる単一スデツプの代りに２ステツプで、外層と超硬カ
ーバイド・ブランクとの間に移行部を提供する。

第５図は本発明に係るインリ゛−トの更に別の実施例で
示す。この実施例にＪ３いて、イン１ナート・ブランク
５１の集束部分は多結晶ダイヤモンドの外層６３を右Ｊ
る。このＰＣＤ外層は、１ｉ　ＣＤ層と超硬カーバイド
・ブランクとの間に性質の漸次移行部を右覆る内層６４
により１ランクから分離される。

この移行層はＰＣＤ外層６３に隣接して、高比率のＰ、
ｃｌ’）（例えば８０体積％若しくはそれ以上）及び低
比率の超硬タングステン・カーバイドを有する。

超硬カーバイド・ブランクに向かって、移１１層のダイ
ヤモンド含ｆｉ伝は漸進的に減少し、またｆ１随して予
超硬タングステン・カーバイドの比率が増大する。例え
ば、ブランクに隣接して多結晶ダイＡ７　Ｌンドの含有
量は２０体積％で、予超硬タングステン・カーバイドの
含有量は８０体積％である。移行層内のダイＮ７シンド
の比率の漸進的な移行は、’ＡＪ宋において、Ｐ　ＣＤ
外層と超硬タングステン・カーバイドＬ【体との間のｂ
１械的性質において、非常に多数の段階を提供する。

移行層はＰＣＤ層及び／Ｊ−バイト基体の神々の重要な
性質における移行を提供する。これは熱膨張係数及び弾
性係数の差を補償する。これはＰＣＤとカーバイドとの
中間の音速を有し、このことはインリートを通して移動
する応力波が界面で応力の集中が少ないことを意味する
。ダイヤモンド結晶及び予超硬タングステン・カーバイ
ド粒子の移行層は、ダイヤモンド、コバルト及びカーバ
イド粉体の混合体と大ぎく相違する。予超硬カーバイド
粒子は、良好な纏まりをらたらす粉体の混合にお（）る
圧力分散とは：１１常に責なる、層内の圧力分散を提供
する複数の「小アンビル」として作用するものと考えら
れる。予超硬カーバイドは粉混合体よりも小さな孔を有
し、ｊ１力の流ＵＪ性を改良する。更に複合体内のカー
バイドの分散はわ）体とは大ぎく異なり、粉末鋼と比較
したコンクリ−１・内のバーを強化する鋼の使用に類似
覆る。大きく異なる性質は分散の相違からしたらされる
。

本発明に係るロック・ビットにおいて種々の改良及び変
更が可能であることは明白である。３コ−ン型ロック・
ビットの一例がコーンの通常の支持体と共に以上にＪ３
いて記述並びに例示されて来た。ダイＶモンド先イ・１
【ノインリ゛−１へは、２コーン型ロツク・ビット若し
くは他の種々のロック・ビットにも使用することができ
る。ＰＣＤ先付はインサー１−は、ゲージ例インサート
だけでなく、ロック・ビットの全ての切削＠造に使用す
ることができる。

更にインリーート自体の変更も明白であろう。例えば以
上に記載の実施例にＪ３いて、ＰＣＤ層層は約１２５μ
の厚さを右り゛るが、所望とあればより厚い層が用いら
れる。ＰＣＤ層は７５乃至６００μの厚さどすることが
できる。然し驚くことにＰＣＤは穿孔される着層による
腐食に対して非常に抵抗づるため、たった１２５μの厚
さの層でら長スｊ命ロック・ビットに充分である。移行
層の厚さは１００μ乃至３ＩＩＩｌ若しくはそれ以、Ｌ
とづることができる。

移行層にＪ３けるＰＣＤと予超硬カーバイド粒子との他
の比率ら既述のように用いることができる。

例えばこれ等の層は、５乃至９５体積％の多結晶ダイ＼
７−シンド及び９５乃至５体積％の予超硬タングステン
・カーバイドからなる。超硬タングステン・カーバイド
の結合祠含有聞に依存して、移行層の良好イ１焼結のた
めに、混合体内に追加のコバルｉ〜が含まれる。タンタ
ル・カーバイド若しくはチタン・カーバイドのような他
の金属カーバイドも曲の実施例において用いることがで
きる。

従って付属の特許請求の範囲の欄に記載の思想から離れ
ることなく、本発明は特記した以外でら実施可能である
ことを理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は例示のロック・ビットの概略側面図、第２図は
上記ロック・ビットの長手方向断面部分図、第３図は上記ロック・ビットのためのインサー］・の一
実施例の長手方向断面図、第４図は、Ｆ記イン暑ナートの他の実施例の長手方向断
面図、第５図は上記ロック・ビット・インサートを形成するた
めのサブアセンブリの長手方向断面図。１０・・・［Ｊホデイ　１１・・・カッタ・コーン　１
２・・・捩子付ぎピン　１３・・・インサー１−１６・
・・ジャーナル・ビン　１９・・・ノーズ　２０・・・
インＩナートの外側列　４６・・・グリップ　４７・・
・集束端部分　４８・・・外層　４９・・・内層５１・
・・インリート・ブランク　５２・・・内側キｊｙツブ
　５３・・・外側キャップ　５７・・・インサート・ブ
ランク　５８・・・グリップ　５９・・・内層　６０・
・・中間層６１・・・外層　６３・・・外層　６４・・
・内層特泊出願人　　スミス　インターナショナル。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）鋼製ボディと、ドリル・ストリングにビットを接続するための、ボディ
の一端部における手段と、ビットの軸を横断する軸の周りで回転するように、ボデ
ィに少なくとも１つのローラ・コーンを支持するための
、ボディの他端部における手段と、穿孔されるボア穴の
底部上で回転するようにボディに支持された少なくとも
１つのローラ・コーンと、上記ボア穴の底部で岩を砕くための上記コーン内の複数
のインサートと、からなるロック・ビットであって、上記インサートの少なくとも１部分が、コーン内に埋込まれるグリップ長さ及びコーン表面から
突出する集束端部分を有する超硬タングステン・カーバ
イド・ボディと、カーバイド・ボディの集束端部上の多結晶ダイヤモンド
層と、多結晶ダイヤモンド層とカーバイド・ボディとの間に存
在し、ダイヤモンド結晶及び予超硬タングステン・カー
バイド粒子を含む複合体からなる少なくとも１つの移行
層と、からなることを特徴とする耐摩耗性インサートを有する
ロック・ビット。
（２）前記移行層が４０体積％の多結晶ダイヤモンド及
び６０体積％の予超硬タングステン・カーバイド粒子か
らなる特許請求の範囲第（１）項に記載のロック・ビッ
ト。
（３）前記多結晶ダイヤモンド層が１乃至１０体積％の
コバルトを含む特許請求の範囲第（２）項に記載のロッ
ク・ビット。
（４）前記多結晶ダイヤモンド層が７５乃至６００μの
厚さを有する特許請求の範囲第（１）項に記載のロック
・ビット。
（５）前記移行層が１００乃至６００μの厚さを有する
特許請求の範囲第（４）項に記載のロック・ビット。
（６）前記移行層が５乃至９５体積％のダイヤモンド及
び９５乃至５体積％の予超硬タングステン・カーバイド
からなる特許請求の範囲第（５）項に記載のロック・ビ
ット。
（７）第１移行層と超硬タングステン・カーバイド・ボ
ディとの間に第２移行層を含み、第２移行層は第１移行
層よりも低比率のダイヤモンド結晶及び高比率の予超硬
タングステン・カーバイドを含む複合体からなる特許請
求の範囲（１）項に記載のロック・ビット。
（８）前記移行層が、多結晶ダイヤモンド層に隣接する
比較的高いダイヤモンド含有量及び比較的低い予超硬タ
ングステン・カーバイド含有量と、タングステン・カー
バイド・ボディに隣接する比較的低いダイヤモンド含有
量及び比較的高い予超硬タングステン・カーバイド含有
量との間の漸時移行層を有する特許請求の範囲第（１）
項に記載のロック・ビット。
（９）前記インサートが前記コーンのゲージ列インサー
トである特許請求の範囲第（１）項に記載のロック・ビ
ット。
（１０）前記ゲージ列インサートから内方のインサート
が多結晶ダイヤモンド層のない超硬タングステン・カー
バイドからなる特許請求の範囲第（９）項に記載のロッ
ク・ビット。
（１１）前記インサートが、放物形状、丸端部付きコー
ン、たがね形状、及び半球状からなる群から選択された
集束端部分を有する特許請求の範囲第（１）項に記載の
ロック・ビット。
（１２）前記インサートの概ね全集束部分が、多結晶ダ
イヤモンド層と、ダイヤモンド層と超硬タングステン・
カーバイド・ボディとの間のダイヤモンド結晶及び予超
硬タングステン・カーバイドからなる移行層と、を有す
る特許請求の範囲第（１）項に記載のロック・ビット。