KR101349284B1 - 내부 유로부를 포함하는 드릴비트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부 유로부를 포함하는 드릴비트에 관한 것이며, 보다 구체적으로 본 발명은 석분을 효과적으로 배출하기 위해 유로부의 설계 인자를 제어함으로써 토출되는 유체의 압력 손실이 감소됨에 따라 천공률이 향상되는 드릴비트에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따라 최소한의 유량을 사용하여 석분을 효과적으로 배출하며 내부 유로부에서 유동하는 유체의 압력 손실이 절감되는 드릴비트를 제공한다.

Description

내부 유로부를 포함하는 드릴비트{A drill bit including an internal flow path}

본 발명은 내부 유로부를 포함하는 드릴비트에 관한 것이며, 보다 구체적으로 본 발명은 석분을 효과적으로 배출하기 위해 유로부의 설계 인자를 제어함으로써 토출되는 유체의 압력 손실이 감소되며, 천공률이 향상되는 드릴비트에 관한 것이다.

암석 등에 구멍을 뚫기 위해서 드릴 스트링(drill string)이 이용된다. 드릴 스트링의 하부에는 드릴비트가 위치하며 상기 드릴비트는 암석을 깨고 구멍을 형성하는 작업을 수행한다.

도 1을 참조하여 종래 기술에 따른 드릴비트(1)에 관하여 좀더 자세하게 설명하기로 한다. 착암식 드릴비트(1)는 드릴 헤드부(3) 및 생크(5) 또는 스커트부(5)를 갖는 드릴비트 본체를 포함한다. 드릴 헤드부(3) 및 스커트부(5)는 서로 단단히 일체화되어있다. 또한, 착암식 드릴비트(1)는 드릴로드의 일 단부에 있는 외부 수나사를 수용하도록 되어 있는 내부 암나사(7)를 구비하는 것이 바람직하다.

착암식 드릴비트의 드릴 헤드부(3)는 버튼(30)의 형태로 된 암석 파쇄 부재를 구비하며 드릴 헤드부(3)의 전방면(9)에는 1 이상의 냉각 매체 채널(10) 또는 플러싱 채널(10)이 연장되어 있다. 상기 냉각 매체 채널(10) 또는 플러싱 채널(10)은 유체를 토출하며 토출된 유체는 상기 암석 파쇄 수단에 의해 파쇄된 석분을 배출하는 기능을 한다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 고안된 것이다. 보다 구체적으로 드릴비트 내부에 유로부를 포함하며 유로부의 개수(n), 토출부의 직경(d) 및 드릴비트의 중심축과 유로부의 중심축이 이루는 각도(θ)를 제어함으로써 유체의 압력 손실을 줄이고 최소한의 유량을 사용하여 효과적으로 석분을 배출하는 드릴비트를 제공하고자 한다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 유체가 유동 가능한 다수(n)의 유로부를 포함하는 드릴비트로서, 상기 유로부는 유체를 토출하며, 상기 드릴비트 드릴면에 위치하는 토출부를 포함하며, 상기 유로부는 상기 드릴비트의 중심축과 기설정된 소정의 각도(θ)를 이루어 기울어지고, 상기 토출부의 직경은 기설정된 소정의 길이(d)인 것을 특징으로 하는 드릴비트를 제공한다.

또한, 상기 유로부의 개수는 2개 내지 3개인 것이 바람직하다.

또한, 상기 소정의 각도(θ)는 30˚에서 33˚까지인 것이 바람직하다.

또한, 상기 소정의 길이(d)는 10mm에서 12 mm까지인 것이 바람직하다.

본 발명의 실시 예를 통해 최소한의 유량을 사용하여 석분을 효과적으로 배출한다. 또한, 내부 유로부에서 유동하는 유체의 압력 손실이 절감되며, 이에 따른 천공률이 향상된다.

도 1은 종래기술에 따른 드릴비트의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 드릴비트의 단면도이다.
도 3은 암반 천공에 의한 채취 석분의 직경에 따른 중량 그래프이다.
도 4는 암반 천공에 의한 채취 석분의 직경에 따른 히스토그램이다.
도 5는 Box-Behnken 실험 계획법의 수준 조합표에 따른 드릴비트 평면도이다.
도 6은 유로부의 공기압에 따른 석분 분포도이다.
도 7은 유로부에서 토출되는 유체의 유동 경로도이다.
도 8은 석분 배출 중량에 따른 반응표면 분석표이다.
도 9는 배출 중량에 따른 반응 표면도이다.
도 10은 배출 중량에 따른 등고선도이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 유로부를 포함하는 드릴비트의 단면도이다.

본 발명의 실시 예에 따른 드릴비트(100)를 도 2 내지 도 11 을 참조하여 설명한다.

1. 드릴비트(100)의 개략적인 설명

본 발명에 따른 드릴비트(100)는 유로부(110), 드릴면(120) 및 버튼(130)을 포함한다.

유로부(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 다수(n)의 유로부(110)가 드릴비트(100) 내에 위치하며, 상기 유로부(110)를 통해 유체가 외부로 배출된다. 배출되는 유체의 압력으로 파쇄된 석분이 천공홀 외측으로 배출된다.

토출부(113)는 유로부(110)의 일단부에 위치하며, 상기 유로부(110)의 일단부는 후술할 드릴면(120)에 위치한다. 따라서 유로부(110)를 유동하는 유체는 토출부(113)를 통해 외부로 토출된다. 토출부(113)는 유체를 토출하는 어떠한 형상도 가능하나, 본 발명의 실시 예에 따라 원형일 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 드릴비트(100)는 유로부(110)를 적어도 하나 이상(n) 포함하며, 유로부(110)의 중심축(C2)은 드릴비트(100)의 중심축(C1)과 기설정된 소정의 각도(θ)를 이루며 기울어진다. 또한, 유체가 토출되는 토출부(113)의 직경은 기설정된 소정의 길이(d)로 나타낸다.

드릴면(120)은 상기 드릴비트(100)의 일단부에 해당하며, 암석과 마주하는 면이다. 상기 드릴면(120)에 후술할 버튼(130) 및 토출부(113) 등이 위치할 수 있다.

버튼(130)은 상기 드릴면(120)에 위치하며 복수개가 있을 수 있다. 충격식 드릴비트(100)의 경우, 상기 버튼(130)은 암석에 끊임없는 충격을 가하여 암석을 파쇄한다. 버튼(130)은 암석을 파쇄하기 위한 어떠한 형상도 가능하며 도 2에 도시된 바와 같이 반구형 버튼(130)일 수 있다.

2. 유로부(110)의 설계에 대한 설명

암석을 효율적으로 배출하기 위한 유로부를 설계함에 있어서 다양한 방법이 존재할 수 있으나, 본 발명의 실시 예를 통해 최적화된 유로부를 살펴본다.

A. 경암용 드릴비트 내부 유로 최적화를 위한 실험

가) 암반 천공 실험

천공 작업 시 발생하는 석분의 분포를 유동해석의 입력변수로 적용하기 위해 본 출원인은 충남 아산의 화강암을 대상으로 천공 시험을 수행하였다. 천공 시험 시 적용된 천공 드릴의 구동조건은 표 1에 정리하였다.

Category	Value
Drill bit dia. [mm]	76
Impact pressure [bar]	150
Rotation [rpm]	180
Feed pressure [bar]	40
Impact rate [bpm]	2600

암반 천공 시험 후 석분의 형상 및 크기 분포 조사를 위해 체 거름 방법으로 메쉬 별 입도를 분류하였으며, 사용된 mesh에 따른 석분 중량을 표 2에 나타내었다. 도 3을 참조하여 석분의 채취 결과를 살펴보면 1.36 mm의 석분이 다량 발생하였으며, 석분은 0.56 mm를 기준으로 크게 2개의 그룹이 형성되었음을 알 수 있다.

No.	Size [mm]	Weight [kg]
1	5.45	30.4
2	3.33	59.2
3	3.02	31.1
4	2.37	42.9
5	2.14	45.2
6	1.36	115.7
7	1.18	42.6
8	1.01	26.0
9	0.92	29.0
10	0.78	53.1
11	0.67	32.9
12	0.61	35.0
13	0.56	4.8.0
14	0.45	43.7
15	0.32	40.1
16	0.28	38.0
17	0.19	60.6
18	0.154	42.5
19	0.077	88.8
20	0.077	54.0

나) 석분 분포 통계량 분석

도 4는 히스토그램을 이용하여 석분 직경에 따른 분포상태를 나타낸 것이고, 기술 통계량의 분석 결과로 도출된 평균 및 표준편차는 표 3에 나타내었다. 분석된 분포 통계량(평균, 표준편차, 최대값, 최소값)은 유동 해석에 있어서 석분 생성 시 입력조건으로 적용되었다.

Category	Value
Mean [mm]	1.309
Standard deviation [mm]	1.391
Max. [mm]	5.45
Min. [mm]	0.077

B. 반응 표면 기법( Response surface method)을 이용한 경암용 드릴비트 내부유로 최적화

실험 계획법의 반응 표면 기법을 이용하여 유로부의 최적화를 진행하였으며, 드릴비트 성능에 영향이 있는 설계 인자를 하기와 같은 이유로 선정하였다.

가) 설계 인자의 선정

드릴비트(100) 내 유로부(110)의 설계에 있어서 유로부(110)의 개수(n), 유로부(110)의 중심축(C2)과 드릴비트(100)의 중심축(C1)이 이루는 소정의 각도(이하 'theta')(θ) 및 토출부(113)의 직경에 해당하는 소정의 길이(d)를 제어하여 드릴비트(100)의 유체 토출 성능을 향상시킨다.

일정한 유량이 공급되는 경우, 유로부(110)의 개수(n)가 증가하면 각각의 유로부(110)로 나누어 들어가는 유량이 감소하게 되므로 유로부(110)의 개수(n)가 드릴비트(100)의 유체 토출 성능에 영향을 준다.

또한, 일정한 유량이 공급되는 경우 토출부(113)의 직경(d) 차이는 유체가 토출되는 단면적의 차이가 되며, 이에 따라 유체의 토출 속도에 영향을 준다.

또한, 복수개(n)의 유로부(110)가 존재하는 경우, 유로부(110)의 중심축(C2)이 드릴비트(100)의 중심축(C1)과 이루는 소정의 각도(θ)에 따라 유체의 유동이 변하므로 유체의 토출 속도가 변한다.

따라서 유로부(110)의 개수(n), 드릴비트(100)의 중심축(C1)과 유로부(110)가 이루는 소정의 각도(θ) 및 토출부(113)의 직경(d)을 설계 인자로 선정하며, 표 4에 나타난 바와 같이 3 수준으로 살펴본다. 즉, 상기 설계 인자의 값을 변화시켜 유체를 효과적으로 토출하는 드릴비트(100)를 제공한다.

인자	수준1	수준2	수준3
θ	27	30	33
d	10.8	12	13.2
n	2	3	4

Box-Behnken 실험 계획법에 따른 수준 조합표를 표 5에 나타내었으며, 상기 실험계획표의 각 설계인자와 수준의 조합에 근거한 15개의 드릴비트 유로부(도 5 참조)를 대상으로 다상 유동 해석을 진행하였다.

	θ	d	n
1	27	12	2
2	33	10.8	3
3	30	10.8	4
4	30	12	3
5	30	10.8	2
6	33	12	4
7	30	13.2	4
8	27	12	4
9	30	12	3
10	33	12	2
11	27	13.2	3
12	27	10.8	3
13	33	13.2	3
14	30	12	3
15	30	13.2	2

나) 수치해석

유체인 압축공기와 함께 고체인 석분이 외부로 배출되는 다상 유동(Muti-phase flow) 현상을 동시에 모델링하기 위해서는 공기와 석분의 상호 작용이 수치 해석 시 고려되어야 한다. 본 출원인은 STAR-CCM+(Ver.7.02 0.11)를 사용하여 드릴비트 유로부 형상에 따른 석분의 배출 성능을 분석하기 위한 다상 유동 해석을 수행하였다.

다) 수치해석 결과

도 6은 유로부에서 토출되는 유체의 공기압으로 인해 시추공 위로 배출되는 석분 입자를 나타내며, 도 7을 통해 유체의 이동경로를 나타내었다.

C. 반응 표면 기법 분석

실험계획표 상의 각 설계인자와 수준의 조합에 따라 해석을 진행한 경우, 각 수준의 조합에 따른 배출중량을 계산하여 표 6에 나타내었다.

		d	n	배출중량
1	27	12	2	0.3198
2	33	10.8	3	0.2269
3	30	10.8	4	0.1441
4	30	12	3	0.1972
5	30	10.8	2	0.3909
6	33	12	4	0.1156
7	30	13.2	4	0.0889
8	27	12	4	0.1207
9	30	12	3	0.1972
10	33	12	2	0.3664
11	27	13.2	3	0.1488
12	27	10.8	3	0.2274
13	33	13.2	3	0.1688
14	30	12	3	0.1799
15	30	13.2	2	0.2891

도 8을 참조하여 배출 중량에 대한 분산 분석표 결과값을 살펴보면, 1) 선형, 제곱의 P값이 0.000인 것과 2) 적합성 결여(Lack of fit) 검증 값이 0.324로 0.05보다 크다는 것은 회귀모델의 선형, 제곱 모형이 적절하게 반응표면에 적합시켰다는 것을 보여준다. 또한, 신뢰수준 95%에서 배출 중량에 유의한 인자는 d, n, n *n 으로 분석되었다.

반응 표면 기법의 Box-Behnken법을 이용하여 구한 배출 중량에 대한 2차 회귀식은 다음 수식 1과 같으며, 배출 중량의 분산분석 결과 결정계수(R²)가 98.6%로 2차 모형은 독립변수(인자)와 반응(배출중량)의 관계를 98.6% 설명한다.

여기서 사용된 회기 계수는 다음과 같다.

천공 작업 시 배출되는 중량 측면에서 반응 표면은 도 9에 도시하였으며, 도 9는 모든 설계 인자의 조합에 대한 등고선도를 도시하였다. 각 표면도 및 등고선도에서 나머지 인자들은 중간값으로 고정시켰다.

도 9 및 도 10를 살펴보면, d, n은 인자의 수준이 작아질수록 배출 중량이 높아지며, θ는 인자의 수준이 높아질수록 배출 중량이 미세하게 증가함을 알 수 있다.

반응변수가 두 개 이상일 경우, 하나의 반응변수의 대한 최적 값은 다른 반응변수에 대해서도 동일하게 적용되기 어렵다. 따라서, 세 가지 반응 변수를 동시에 고려하였으며, 도 9 및 도 10을 바탕으로 하여 최적 수준의 범위를 결정하였다.

결과적으로,

경암의 원활한 천공을 위해서 θ 는 30°~33°, n 은 2개~3개, d 는 직경 10.8mm ~ 12mm의 사이에서 최대의 성능을 보여주는 것으로 판단된다.

이는 일정한 유량이 공급되면 유로의 직경(d)이 감소하면 유동단면적이 변함에 따라 토출되는 압축공기의 속도가 증가하여 석분 배출이 용이할 것으로 판단되며, 또한 유로의 개수(n)가 감소하면 각각의 유로를 통과하는 유속이 증가하기 때문에 석분 배출이 용이하게 될 것이라 판단되기 때문이다.

가) 드릴비트 설계 최적 범위

본 암반 배출에 대한 실제 천공시험을 수행하기 위해서는 많은 비용과 시간이 요구되기 때문에 석분이 고려된 다상 유동 해석을 이용해 드릴비트의 각 인자 θ, d, n 의 변동에 따른 석분 배출 능력을 나타내었으며, 최적의 배출 능력을 가지는 정량적인 인자의 범위를 도출하여 표 7에 나타내었다.

Design factor	Initial	Optimum range
θ	30˚	30~33˚
d	12 mm	10.8~12 mm
n	2	2~3

즉, 본 발명의 실시 예에 따르면, 경암용 드릴비트 유로부는 30˚ ≤ θ ≤ 33˚, 10.8 mm ≤ d ≤ 12 mm, 2 ≤ n ≤ 3에서 최적의 효율을 가지는 것으로 분석되었으며, 이와 같은 실시 예를 도 11에 도시하였다.

이상의 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

100 : 드릴비트
110 : 유로부
113 : 토출부
120 : 드릴면
130 : 버튼

Claims (5)

1. 유체가 유동 가능한 다수(n)의 유로부를 포함하는 드릴비트로서,
   상기 유로부는 유체를 토출하며, 상기 드릴비트 드릴면에 위치하는 토출부를 포함하며,
   상기 유로부는 상기 드릴비트의 중심축과 기설정된 소정의 각도(θ)를 이루어 기울어지고,
   상기 토출부의 직경은 기설정된 소정의 길이(d)이며,
   상기 유로부의 개수(n)는 2개 내지 3개이고,
   상기 소정의 각도(θ)는 30˚ 내지 33˚이고,
   상기 소정의 길이(d)는 10.8mm 내지 12mm인 것을 특징으로 하는,
   드릴비트.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서
   상기 드릴비트의 직경(Drill bit dia.)은 76mm이고,
   상기 드릴비트에 인가되는 압력(Impact pressure)은 150bar이고,
   상기 드릴비트의 회전속도(Rotation)는 180rpm인 것을 특징으로 하는,
   드릴비트.

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