KR20010106500A

KR20010106500A - 동시 드릴링에 사용되는 로터리 충격 드릴링용 드릴파이프 스트링

Info

Publication number: KR20010106500A
Application number: KR1020017004213A
Authority: KR
Inventors: 플레밍프리드리히
Original assignee: 추후제출; 보아르트 롱이어 게엠베하 운트 콤파니 카게 하르트메탈 베르크조이그파브릭
Priority date: 1998-10-01
Filing date: 1998-10-01
Publication date: 2001-11-29
Also published as: JP2002526701A; ATE266796T1; WO2000020720A1; JP3961769B2; DE59811400D1; EP1117897A1; KR100556271B1; EP1117897B1

Abstract

본 발명은 동시 드릴에 사용되는 로터리 충격 드릴링용 드릴 파이프 스트링에 관한 것으로서, 드릴 파이프 스트링의 한쪽 말단부에는 숫나사(1), 다른 말단부에는 암나사(2)가 설치되며, 여기에서 양쪽 나사에는 크고 부하가 수용되는 측면 그리고 적고 부하가 수용되지 않는 측면이 설치된다. 상기와 같은 드릴 파이프 스트링에서 특히 드릴 파이프가 연결될 때 나사 마모를 최소화하기 위하여, 드릴 파이프 말단부에는 숫나사와 암나사가 연결되는 비나사 삽입부(3)가 설치되며, 여기에서 숫나사(1)의 형상(profile)은 줄어드는 나사산과 원호형의 나사골로 설치되며, 반면에 암나사(2)의 형상은 원호형의 나사산과 평평한 나사골로 설치되며, 여기에서 숫나사(1)가 설치되는 파이프 말단부는 충격작용을 다음에 따르는 드릴 파이프 스트링에 전달되도록 하는 둘러진 어깨부(5)의 형태로 된다.

Description

동시 드릴링에 사용되는 로터리 충격 드릴링용 드릴 파이프 스트링{STRING OF DRILL PIPES FOR ROTARY PERCUSSION DRILLING, ESPECIALLY FOR SIMULTANEOUS DRILLING}

대형 구조물을 설치할 때 흔히 지하가 충분히 튼튼하지 못한 경우에는 안정한 기초를 만들어 주는 것이 필요하다. 상기 경우에는 지하에 뚫은 구멍에 앵커(anchor)를 설치하여서 지하를 고정시켜야 한다. 상기 구멍의 드릴링 작업을 동시 드릴링(simultaneous drilling)이라고 한다.

다양한 방법이 알려져 있지만, 동시 드릴링은 주로 충격 드릴링(percussion drilling)으로 실시되며, 여기에서는 헤드 해머(해머 드릴(hammer drill))와 2중 드릴 파이프 스트링이 사용된다. 드릴 파이프 스트링은 해머의 충격(충돌)과 회전력을 드릴 비트(drill bit)에 전달하는 역할을 하여야 한다. 또한 이것은 서로 반복되어야 한다.

동시 드릴링에 사용되는 드릴 파이프 스트링은 실린더형 또는 원추형 나사가 서로 결합되어 있다. 이것들이 상기와 같은 용도로 특수하게 개발되었다고 하더라도 많은 단점들을 가지고 있다. 중요한 단점들은 다음과 같은 것들이 있다.

a) 연결시의 나사 마모.

b) 나사 직경이 큰 경우에 나타나는 자체 억압.

c) 나사 직경이 적은 경우에 암나사의 내부 말단부 부근의 재료 파손.

본 발명은 동시 드릴링(simultaneous drilling)에 사용되는 로터리 충격 드릴링(rotary percussion drilling)용 드릴 파이프 스트링(string of drill pipe)에 관한 것으로서, 드릴 파이프 스트링의 한쪽 말단부에는 숫나사(male thread), 다른 말단부에는 암나사(female thread)가 설치되며, 여기에서 양쪽 나사에는 대형의 부하 수용 측면(load-bearing flank) 그리고 소형의 부하 비수용 측면(non-load bearing flank)이 설치된다.

도 1a는 본 발명에 따른 숫나사가 설치된 드릴 파이프 스트링 말단부의 종단면도,

도 1b는 본 발명에 따른 암나사가 설치된 드릴 파이프 스트링 말단부의 종단면도,

도 2a는 숫나사의 형상에 대한 확대도,

도 2b는 암나사의 형상에 대한 확대도,

도 3a는 도 2a와 다른 직경을 가지는 1개 나사 피치의 측면을 도시한 본 발명에 따른 드릴 파이프 스트링의 숫나사 단면도,

도 3b는 도 2a와 다른 직경을 가지는 2개 나사 피치의 측면을 도시한 본 발명에 따른 드릴 파이프 스트링의 숫나사 단면도이다.

본 발명은 상기와 같은 종류의 드릴 파이프 스트링에서 나타나는 단점을 해소하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서는 드릴 파이프 말단부(pipe end)에 숫나사와 암나사가 연결되는 비나사 삽입부(non-threaded insertion section)가 설치되며, 여기에서 숫나사의 형상(profile)은 줄어드는 나사산(thread crest)과 원호형의 나사골(thread root)로 설치되며, 반면에 암나사의 형상은 원호형의 나사산과 평평한 나사골로 설치되며, 여기에서 숫나사가 설치되는 파이프 말단부는 충격작용을 다음에 따르는 드릴 파이프 스트링에 전달되도록 하는 둘러진 어깨부(circumferential shoulder) 형태로 되도록 함으로서 상기 단점을 해소하고자 한다.

본 발명에 따른 드릴 파이프 스트링은 긴 수명, 특히 드릴 파이프 스트링을 결합시킬 때 나사 마모가 최소가 되도록 한다는 장점이 있다. 나사의 형태에서는나사 직경이 큰 경우에도 자체 억압을 방지하도록 한다.

본 발명에 따른 드릴 파이프 스트링의 장점을 가진 형태는 부하 비수용 측면은 각각 원호형으로 설치되고 숫나사의 원호형 나사산과 암나사의 원호형 나사골과 같이 동일한 반경으로 설치된다. 이것은 나사 측면(thread flank)에 대한 전압 피크(voltage peak)를 낮추어주게 된다.

다른 장점을 가진 형태에서는 숫나사에 미리 설정된 삽입부의 길이는 각 드릴 파이프 스트링 외경의 최소한 0.3 내지 0.35배에 해당하며, 여기에서 숫나사에 미리 설정된 삽입부는 암나사에 미리 설정된 삽입부와 같이 최소한 2배 더 길다. 상기와 같이 삽입부가 상대적으로 길어서 나사의 외부 측면에 대한 마모를 최소화하게 된다.

또 다른 장점으로는 둘러진 어깨부는 숫나사가 설치된 드릴 파이프 스트링에서 다른 드릴 파이프 스트링의 방향으로 원추형으로 경사가 지고 다른 드릴 파이프 말단부는 보충으로 형성된 전면부가 설치된다는 것이다. 상기로 인하여 어깨부의 접촉면은 확대되어서, 해머 드릴의 충격을 드릴 비트에 잘 전달할 수 있게 된다. 여기에서 어깨부의 경사각도는 각 드릴 파이프 스트링의 당시 면을 기준으로 10°와 20°사이에 놓이게 된다.

파이프 스트링의 전체 크기 범위에 걸쳐서 숫나사와 암나사의 경사각도가 12°와 16°사이, 주로 12.3°와 15.8°사이에 놓일 때, 본 발명에 따른 드릴 파이프 스트링은 자체 억압없이 신속하고 간단하게 결합시키고 풀 수 있게 된다.

또 다른 장점을 가진 형태로는 나사의 부하 수용 측면이 드릴 파이프 스트링중심축에 대하여 25°내지 35°까지 경사지도록 하는 것이다. 상기 방법은 부하 수용 측면을 위한 접촉면을 상대적으로 크게 할뿐만 아니라 숫나사가 설치된 파이프 스트링 말단부를 해당 암나사가 다음에 오는 파이프 스트링의 말단부에 삽입될 때 나사의 방향 설정을 지지하게 된다. 상기 방법을 통하여 마모도 최소화시키게 된다.

본 발명에 있어서 상기 방법에 있어서 본 발명에 따른 드릴 파이프 스트링은 2개 또는 3개의 망원경 형태로 서로 설치된 드릴 파이프 스트링으로 드릴링 할 수 있다.

주로 드릴 파이프 스트링은 최대 외경인 75mm와 180mm 사이의 외경, 즉 최소 내경의 1.15 내지 1.55배, 주로 1.25 내지 1.45배가 되도록 한다. 숫나사와 암나사의 측면 직경은 여기에서 주로 1/1.25 x AD와 1.05 x AD 범위 사이의 값을 가지며, 여기에서 AD는 드릴 파이프 스트링의 외경이다. 상기를 통하여 드릴 파이프 스트링은 다음으로 큰 드릴 파이프 스트링에 삽입시킬 수 있고 동시에 충분한 강도로 설치할 수 있게 되는데, 이는 드릴 파이프 스트링의 횡단면이 외경이 증가하는 드릴 파이프 스트링 암나사의 내부 말단부에서 커지게 된다.

또한 암나사의 내부 말단부에 대한 횡단면이 숫나사의 내부 말단부에 대한 횡단면보다 큰 경우에는 드릴 파이프 스트링에서 충격 작용은 외부 어깨부를 거쳐서 전달되기 때문에 굽힘 응력이 큰 암나사가 설치된 말단부는 숫나사가 설치된 말단부로 종속된다.

나사가 자체 세척이 되도록 하기 위하여 부하 비수용 측면을 각각 원호 형태로 형성시키는 또 다른 형태를 설치하게 되며, 여기에서 원호의 반경은 3.2mm와 4.5mm 사이 범위, 주로 약 3.8mm의 값이 되도록 한다. 원호의 반경은 드릴 파이프 스트링의 전체 크기 범위를 유지하게 된다. 상기 형태에서 측면 각도와 나사 깊이가 변하지 않도록 하기 위하여 드릴 파이프 스트링의 전체 크기 범위에 상기 나사 절단공구를 설치할 수 있게 된다.

또 다른 형태로는 드릴 파이프 스트링의 외경이 증가할수록 나사 피치(thread pitch)의 수를 증가시키는 것으로, 여기에서 외경이 75mm 이하인 드릴 파이프 스트링에는 1개의 나사 피치, 외경이 75mm와 105mm 사이인 드릴 파이프 스트링에는 2개의 나사 피치, 외경이 105mm와 140mm 사이인 드릴 파이프 스트링에는 3개의 나사 피치, 외경이 140mm 이상인 드릴 파이프 스트링에는 4개의 나사 피치가 되도록 설치한다. 또한 상기에 의하여 드릴 파이프 스트링의 외경이 증가하는 경우에는 나사 측면의 부하 수용면이 확대된다. 상기에 의하여 드릴 파이프 스트링의 전체 크기 범위에 대하여 동일한 나사 형상을 사용하는 경우에 경사 각도는 크진 외경(AD)을 초과하지 않도록 변할 수 있도록 한다.

응력 집중에 의한 재료 파손의 위험성을 최소화하기 위하여 숫나사와 암나사에는 모든 전이부(transition section)에 약 1mm의 전이부 반경이 되도록 설치하는 것이 좋다.

본 발명에 따른 또 다른 장점을 가지는 형태와 특징은 종속항에 나타내었다.

본 발명에 따른 특징은 다음과 같은 실시 예를 도면을 사용하여 더욱 자세하게 설명한다.

도 1a와 도 1b는 실린더형 숫나사(1)와 적합한 암나사(2)가 설치된 드릴 파이프 스트링 말단부의 종단면도를 도시한 것이다. 드릴 파이프 스트링 말단부에는 각각 비나사 삽입부(3과 4)가 설치되고, 각각의 나사가 연결된다. 숫나사(1)에 사전 설정된 삽입부(3)의 길이는 드릴 파이프 스트링 외경(AD)의 약 0.3 내지 0.35배에 해당하고 암나사(2)에 사전 설정된 삽입부(4)와 같이 약 2배의 길이이다.

도 1a에 도시된 도면에서는 동시 드릴링에서 정해진 드릴 파이프 스트링의 말단부에는 둘러진 외부 어깨부(5)가 형성되고, 상기 어깨부는 충격작용을 다음에 오는 드릴 파이프 스트링과 드릴 비트에 전달하는 역할을 하게 되는 것을 알 수 있다. 어깨부(5)는 원추형으로 형성되고, 경사각도는 반경면에 대하여 약 15°이고, 여기에서 다른 드릴 파이프 스트링 말단부에는 추가로 경사지도록 한 전면부(6)를 설치한다.

2개 혹은 다수의 망원경형으로 설치된 드릴 파이프 스트링으로 드릴링할 수 있도록 하기 위하여, 드릴 파이프 스트링은 외경과 내경에 대하여 크기에 맞도록 계단을 설치하며, 사전 설정된 크기의 드릴 파이프 스트링을 2개 크기의 드릴 파이프 스트링의 내부에 삽입할 수 있게 된다. 드릴 파이프 스트링의 최대 외경(AD)인 75mm와 180mm 사이의 외경(AD)을 가지는 드릴 파이프 스트링은 최소 내경(ID)의 약 1.15 내지 1.55배가 되도록 한다. 숫나사와 암나사의 측면 직경(FD)은 1/1.25 x AD와 1/1.05 x AD 사이에 놓인다. 암나사(2)의 내부에 놓이는 말단부의 횡단면은 드릴 파이프 스트링 외경(AD)이 증가하면 더 넓어진다. 또한 암나사(2)의 내부에 놓이는 말단부의 횡단면은 숫나사(1)의 내부에 놓이는 횡단면보다도 더 크다는 것을 알 수 있다. 암나사(2)의 내부 말단부에서 경계가 지워지는 단면(8)과 숫나사(1)의 해당 단면(7)은 여기에서 거의 동일한 벽강도(WA와 WI)를 가지며, 여기에서 드릴 파이프 스트링의 내경(ID)은 암나사(2)의 방향으로 원추형으로 설치된다.

도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 드릴 파이프 스트링의 나사 형상에 대한 확대도를 도시한 것이다. 숫나사(1)와 암나사(2)에는 각각 부하 수용 외부 측면(9)과 부하 비수용 내부 측면(10)이 설치된다.

숫나사(1)(경사 나사(tapered thread))는 감소하는 나사산(11)과 원호형 나사골(12)을 가지고, 반면에 암나사(2)(소켓 나사)는 원호형 나사산(13)과 평평한 나사골(14)을 가진다.

부하 수용 외부 측면(9)은 드릴 파이프 스트링 중심축(M)에 대하여 약 30°의 각도(αF)로 각각 경사진다. 상기와 반대로 부하 비수용 내부 측면(10)은 각각 원호형으로 형성되고, 암나사(2)의 원호형 나사산(13)과 숫나사(1)의 원호형 나사골(12)과 같이 동일한 반경(R)을 가진다. 원호의 반경(R)은 3.2mm와 4.5mm 사이, 주로 약 3.8mm에 놓인다.

암나사(2)에서는 평평한 나사골(14)에서 나사 측면(9, 10)으로 가는 전이부는 둥근 반곡(15)으로 형성한다. 상기 둥근 반곡(15)의 반경은 약 1mm이다. 이에 상응하여 줄어드는 나사산(11)에서 나사측면(9, 10)까지의 전이부(16)는 숫나사(1)에서 원호형으로 둥근 형태가 되며, 여기에서 원호의 반경은 둥근 반곡의 값에 해당하게 된다.

공구 가격을 최소화하기 위하여 모든 드릴 파이프 스트링은 동일한 나사 피치로 설치한다. 나사 피치의 나사 깊이는 8.5mm와 10.5mm 사이, 주로 약 9.5mm가 된다.

도 3a는 숫나사의 측면도를 도시한 도면이며, 여기에서 경사각도(1)는 1개 나사 피치를 도시한 것이다. 도 3b는 숫나사의 측면도를 도시한 도면이며, 여기에서 경사각도(2)는 2개 나사 피치를 도시한 것이다.

나사 피치의 수는 드릴 파이프 스트링의 외경에 따라서 달라진다. 외경이 75mm 이하인 드릴 파이프 스트링은 예를 들면 1개의 나사 피치를 가지고, 외경이75mm 이상이고 105mm이하인 드릴 파이프 스트링은 2개의 나사 피치를 가지고, 외경이 105mm이상이고 140mm 이하인 드릴 파이프 스트링은 3개의 나사 피치를 가지고 외경이 140mm 이상인 드릴 파이프 스트링은 4개의 나사 피치로 설치된다.

본 발명은 상기에서 나타낸 실시 예에만 한정되는 것이 아니다. 특히 드릴 파이프 스트링의 나사 형상은 실린더형일 뿐만 아니라 원추형으로도 설치할 수 있다.

Claims

동시 드릴링에 사용되는 로터리 충격 드릴링용 드릴 파이프 스트링에 있어서, 드릴 파이프 스트링의 한쪽 말단부에는 숫나사(1), 다른 말단부에는 암나사(2)가 설치되며, 여기에서 양쪽 나사(1, 2)에는 대형의 부하 수용 측면(9) 그리고 소형의 부하 비수용 측면(10)이 설치되며, 드릴 파이프 말단부에 숫나사와 암나사가 연결되는 비나사 삽입부(3, 4)가 설치되며, 여기에서 숫나사(1)의 형상은 줄어드는 나사산(11)과 원호형의 나사골(12)로 설치되며, 반면에 암나사(2)의 형상은 원호형의 나사산(13)과 평평한 나사골(14)로 설치되며, 여기에서 숫나사(1)가 설치된 파이프 말단부에는 충격작용을 다음에 따르는 드릴 파이프 스트링에 전달되도록 하는 둘러진 어깨부(5)가 설치되도록 하는 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.
제1항에 있어서, 부하 비수용 측면(10)은 각각 원호형으로 설치되고 숫나사(2)의 원호형 나사산(13)과 암나사(1)의 원호형 나사골(12)과 같이 동일한 반경으로 설치되는 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.
제1항 또는 제2항에 있어서, 숫나사(1)에 미리 설정된 삽입부(3)의 길이는 각 드릴 파이프 스트링 외경(AD)의 최소한 0.3 내지 0.35배에 해당하는 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.
제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 숫나사(1)에 미리 설정된 삽입부(3)는 암나사(2)에 미리 설정된 삽입부(4)와 같이 최소한 2배 더 긴 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.
제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 둘러진 어깨부(5)는 숫나사(1)가 설치된 드릴 파이프 스트링에서 다른 드릴 파이프 스트링의 방향으로 원추형으로 경사가 지고, 여기에서 다른 드릴 파이프 스트링에는 추가 형태의 전면부(6)가 설치되는 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.
제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 둘러진 어깨부(5)는 숫나사(1)가 설치된 드릴 파이프 스트링에서 10°와 20°사이의 경사각을 이루고, 반경 평면의 반대쪽에서 다른 드릴 파이프 스트링의 방향으로 원추형으로 경사가 진 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.
제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 숫나사(1)와 암나사(2)의 경사각도가 12°와 16°사이에 놓이는 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.
제7항에 있어서, 숫나사(1)와 암나사(2)의 경사각도가 12.3°와 15.8°사이에 놓이는 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.
제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 있어서, 부하 수용 측면(9)은 드릴 파이프 스트링 말단부에 설치된 나사(1, 2)의 각각의 외부 측면인 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.
제1항 내지 제9항중 어느 한 항에 있어서, 나사의 각 부하 수용 측면(9)이 드릴 파이프 스트링 중심축(M)에 대하여 25°내지 35°까지 경사진 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.
제1항 내지 제10항중 어느 한 항에 있어서, 드릴 파이프 스트링의 나사 깊이(GT)는 1.5mm와 2.5mm 사이, 주로 약 2mm 범위의 값으로 설치되는 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.
제1항 내지 제11항중 어느 한 항에 있어서, 드릴 파이프 스트링은 외경과 내경의 크기에 따라서 계단식으로 하고, 미리 설정된 크기의 드릴 파이프 스트링은 2배 크기의 드릴 파이프 스트링의 내부에 삽입시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.
제1항 내지 제12항중 어느 한 항에 있어서, 드릴 파이프 스트링은 75mm와 180mm 사이의 외경(AD)을 가지고, 외경은 최소 내경의 1.15 내지 1.55배, 주로 1.25 내지 1.45배가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.
제1항 내지 제13항중 어느 한 항에 있어서, 숫나사와 암나사의 측면 직경(FD)은 1/1.25 x AD와 1.05 x AD 범위 사이의 값을 가지며, 여기에서 AD는 드릴 파이프 스트링의 외경인 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.
제1항 내지 제14항중 어느 한 항에 있어서, 암나사(2)의 내부 말단부에 대한 횡단면이 숫나사(1)의 내부 말단부에 대한 횡단면보다 큰 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.
제1항 내지 제15항중 어느 한 항에 있어서, 부하 비수용 측면(10)을 각각 원호 형태로 형성시키고, 여기에서 원호의 반경(R1)은 3.2mm와 4.5mm 사이 범위, 주로 약 3.8mm의 값으로 설치하는 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.
제1항 내지 제16항중 어느 한 항에 있어서, 숫나사(1)와 암나사(2)는 다수의 나사산으로 형성시키는 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.
제17항에 있어서, 드릴 파이프 스트링의 외경이 증가할수록 나사 피치의 수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.
제18항에 있어서, 외경이 75mm 이하인 드릴 파이프 스트링에는 1개의 나사피치, 외경이 75mm 이상/동일하고 105mm 이하인 드릴 파이프 스트링에는 2개의 나사 피치, 외경이 105mm 이상/동일하고 140mm 이하인 드릴 파이프 스트링에는 3개의 나사 피치, 외경이 140mm 이상인 드릴 파이프 스트링에는 4개의 나사 피치가 설치되는 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.
제1항 내지 제19항중 어느 한 항에 있어서, 암나사(2)에 있는 나사골(14)에서 나사 측면(9, 10)까지의 전이부는 둥근 반곡(15)을 형성시키고 반경은 약 1mm가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.
제1항 내지 제20항중 어느 한 항에 있어서, 숫나사(1)에 있는 줄어드는 나사산(11)에서 나사 측면(9, 10)까지의 전이부는 원호형으로 둥글게 하고, 여기에서 원호의 반경은 약 1mm의 값으로 설치하는 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.
제1항 내지 제21항중 어느 한 항에 있어서, 나사(1, 2)는 실린더형으로 형성시키는 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.
제1항 내지 제22항중 어느 한 항에 있어서, 나사(1, 2)는 원추형으로 형성시키는 것을 특징으로 하는 드릴 파이프 스트링.