KR20160053953A - 드릴 스트링 구성 요소 - Google Patents

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Abstract

외부 직경 (Dot) 을 갖는 암형 나사 가공된 단부 (21), 수형 나사 가공된 단부 (22), 외부 직경 (Doc) 을 갖는 상기 암형 나사 가공된 단부와 상기 수형 나사 가공된 단부 사이에서의 중앙 섹션 (27) 을 포함하는 충격 드릴링을 위한 세장형 드릴 구성 요소 (20; 120) 이고 암형 나사 가공된 단부의 외부 직경은 중앙 섹션의 외부 직경보다 크다. 관통 플러싱 채널은 직경 (Dic) 을 갖는 중앙 플러싱 채널 (28; 128) 및 직경 (Dit) 을 갖는 나사 플러싱 채널들 (29; 129) 을 포함한다. 암형 나사 가공된 단부가 동일한 구성 요소의 수형 나사 가공된 단부에 연결될 때에 측정된 나사 가공된 조인트 (31) 의 탄성 단면 계수 대 중앙 섹션 (27) 의 탄성 단면 계수의 비 St / Sc 는 1.5 보다 크고 중앙 플러싱 채널의 직경 대 중앙 섹션의 외부 직경의 비 Dic / Doc 는 0.45 내지 0.95 이다.

Description

드릴 스트링 구성 요소{DRILL STRING COMPONENT}
본 발명은 충격 확장 드릴링 및, 특히 그러한 드릴링에서 사용을 위한 드릴 스트링 구성 요소에 관한 것이다.
확장 드릴링은 전형적으로 회전되는 동시에 종방향 임팩트들을 받는 드릴 스트링의 단부에 장착되는 드릴 비트의 사용을 포함한다. 드릴 스트링의 상부 단부는 회전을 수행하고 임팩트를 부여하는 지상형 (above-ground) 드릴링 머신에 연결된다. 그러한 충격 드릴링 기술은 벤치 드릴링으로 일반적으로 칭해진다. 본 발명은 또한 예를 들면, 긴-구멍 드릴링, 드리프팅 및 터널링으로 사용될 수 있다.
로드들을 포함하는 충격 드릴 스트링들의 일반적인 설명은, 예를 들면 U.S. 특허 No. 6,164,392 및 U.S. 특허 No. 6,681,875 에 제시되어 있다. 이것들은 충격 드릴링에서 드릴 스트링의 가장 익숙한 타입의 예들이다. 그러나, 이들 로드들은 비트가 그라운드에 고착되는 위험성을 증가시킬 뿐만 아니라 드릴링 스피드 및 드릴링 정확성을 감소시키는 경향을 갖는다. 종래의 로드들는 나사 조인트들의 과열 및 이어지는 파괴를 발생시키기 쉽다.
튜브들을 포함하는 드릴 스트링은 유럽 특허 제 126740 에 개시되어 있다. 로드들과 비교하여 튜브들은 형상이 관형이고, 즉 벽 두께는 튜브의 직경과 비교되는 바와 같이 작다. 공지된 해결책에 있어서 종래의 드릴 로드들과 비교하여 플러싱 특성들은 개선되고 탄성 단면 계수는 증가되어, 개선된 드릴링 정확성이 달성된다. 그러나, 튜브들의 증가된 탄성 단면 계수는 조인트들에서 보다 높은 스트레스들을 발생시킨다. 이는 조인트들을 파괴시키는 것을 어렵게 만드는 효과를 갖는다. 종래의 드릴 로드들과 비교하여 튜브의 보다 큰 외부 직경은 드릴 스트링과 드릴링된 구멍의 벽 사이의 갭을 감소시켜 구멍으로부터 커팅들이 운반과 관련된 문제점을 발생시킨다.
본 발명은 새로운 구성 요소 내에 로드들 및 튜브들의 이점들을 조합한다.
본 발명의 하나의 목적은 개선된 강성을 갖는 나사 가공된 드릴 로드를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 개선된 플러싱을 갖는 나사 가공된 드릴 로드를 제공하는 것이다.
일 양상에 따르면, 외부 직경 Dot 을 갖는 암형 나사 가공된 단부, 수형 나사 가공된 단부, 외부 직경 Doc 을 갖는 상기 암형 나사 가공된 단부와 상기 수형 나사 가공된 단부 사이에서의 중앙 섹션으로서, 암형 나사 가공된 단부의 외부 직경은 중앙 섹션의 외부 직경보다 큰, 상기 중앙 섹션, 및 직경 Dic 을 갖는 중앙 플러싱 채널 및 직경 Dit 을 갖는 나사 플러싱 채널들을 포함하는 관통 플러싱 채널을 포함하는 충격 드릴링을 위한 세장형 드릴 구성 요소가 제공되고, 암형 나사 가공된 단부가 동일한 구성 요소의 수형 나사 가공된 단부에 연결될 때에 측정된 나사 가공된 조인트의 탄성 단면 계수 대 중앙 섹션의 탄성 단면 계수의 비 St / Sc 는 1.5 보다 크고 중앙 플러싱 채널의 직경 대 중앙 섹션의 외부 직경의 비 Dic / Doc 는 0.45 내지 0.95 이다.
본 발명의 특징들 및 이점들은 유사한 도면 부호들이 유사한 요소들을 나타내는 도면들과 함께 다음의 상세한 설명을 정독함으로써 양호하게 이해될 것이다:
도 1 은 측면도로 충격 탑 헤머 드릴링을 위한 종래 기술 분야의 드릴링 머신을 개략적으로 도시한다.
도 2 은 측면도로 종래 기술 분야의 통상적인 드릴 스트링을 개략적으로 도시한다.
도 3 은 본 발명의 실시형태의 종방향 횡단면도를 개략적으로 도시한다.
도 4 는 본 발명의 실시형태의 종방향 횡단면도를 개략적으로 도시한다.
도 5 는 연결된 상태로 본 발명의 실시형태의 종방향 횡단면도를 개략적으로 도시한다.
도 6 은 종래 기술 분야와 비교하여 본 발명의 내부와 외부 직경의 비들 및 탄성 단면 계수들의 비를 예시하는 차트를 도시한다.
도 1 은 어떻게 구멍이 종래의 벤치 드릴링 머신 (1) 을 사용하여 생성되는 지를 예시한다. 드릴 비트에 연결된 드릴 스트링 (2) 은 회전되고 암반 (3) 내에 임팩트를 가하고, 따라서 구멍 (4) 을 드릴링한다.
도 2 는 충격 드릴링을 위해 사용되는 종래의 드릴 스트링 (2) 을 예시한다. 드릴 스트링 (2) 은 드릴링 머신 (도시 생략) 에서 어댑터 (18) 에 연결되고 어댑터 (18) 로부터 연장되고, 적어도 하나의 로드 (10) (그러나 일반적으로 일련의 로드들) 은 드릴 비트에 어댑터를 연결한다. 로드 드릴링 머신에서, 각각의 로드 (10) 는 하나의 단부에서 수형 스크류 나사 (12) 및 다른 단부에서 암형 스크류 나사 (14) 를 갖는다. 최상부 로드 (10') 는 어댑터 (18) 의 수형 스크류 나사 (16) 에 연결된 그 암형 나사 (14) 를 갖는다. 남아있는 로드들 (10) 은 일련으로 함께 결합된다. 최하부 로드 (10") 는 드릴 비트 (19) 의 암형 스크류 나사에 부착된 그 수형 나사를 갖는다. 어댑터 (18) 및 로드들 (10) 은 인서트들 및 플러시 어웨이 커팅들 (flush-away cuttings) 을 냉각하도록 드릴 비트의 전방 면에 형성된 유출구를 통해 나가는 플러싱 유체 (일반적으로 물 및/또는 공기) 를 안내하기 위해 서로 정렬되고 그를 통해 연장되는 각각의 중앙 통로들을 갖는다. 플러싱 유체와 함께 커팅들은, 드릴 스트링과 드릴링된 구멍의 벽 사이에 형성된 갭을 통해 상향으로 배출된다.
도 3 은 본 발명의 실시형태를 예시한다. 세장형 구성 요소 (20) 는 단부 (21) 및 단부 (22) 를 갖는다. 단부 (21) 는 암형 나사 (23) 를 갖고 단부 (22) 는 수형 나사 (24) 를 갖는다. 암형 나사 (23) 및 수형 나사 (24) 는 원통형이고 헬리컬 리지들 및 그루브들을 포함하고 바람직하게 사다리꼴 또는 로프 기하학적 형상들을 갖는다. 세장형 구성 요소 (20) 의 종축을 따르는 횡단면에서 암형 나사 (23) 및 수형 나사 (24) 의 가장 작은 반경은 바람직하게 1.5 mm 보다 크다.
단부 (21) 다음에 세장형 구성 요소 (20) 는 세장형 구성 요소의 잔부와 비교하여 작은 외부 직경을 구비한 슬림 섹션 (25) 을 갖는다. 단부 (22) 다음에 세장형 구성 요소 (20) 는 세장형 구성 요소의 잔부와 비교하여 작은 외부 직경을 구비한 슬림 섹션 (26) 을 갖는다. 단부 (21) 에서의 슬림 섹션 (25) 과 단부 (22) 에서의 슬림 섹션 (26) 사이에, 중앙 섹션 (27) 이 존재한다. 중앙 섹션의 외부 직경은 단부 (22) 의 외부 직경보다 크고 단부 (21) 의 외부 직경보다 작다. 세장형 구성 요소 (20) 의 중앙 섹션 (27) 은 외부 직경 Doc 를 갖는다. 단부 (21) 는 외부 직경 Dot 를 갖는다.
관통 플러싱 채널은 세장형 구성 요소 (20) 의 중앙에 존재한다. 물 및/또는 공기와 같은 플러싱 매체들은 세장형 구성 요소 및 그 조인트들을 냉각하도록 그리고 드릴링된 구멍으로부터 커팅들을 제거하도록 이러한 채널에서 플러싱된다. 관통 플러싱 채널은 몇개의 부분들, 즉 직경 Dic 을 갖는 중앙 플러싱 채널 (28) 및 단부 (21) 및 단부 (22) 양쪽에서 직경 Dit 를 갖는 나사 플러싱 채널들 (29) 로 분할된다. 중앙 플러싱 채널 (28) 과 양쪽의 나사 플러싱 채널들 (29) 사이에서 Dit 가 Dic 보다 작도록 단차들 (30) 이 존재한다. 플러싱 매체의 매끄러운 유동을 갖도록 단차들 (30) 은 바람직하게 날카로운 에지들을 갖지 않고 매끄럽다.
단부 (22), 수형 나사 (24), 슬림 섹션 (26) 및 중앙 섹션 (27) 의 부분은 바람직하게 수형 구성 요소 (32) 로 단일편의 재료로부터 제조된다. 수형 구성 요소 (32) 의 길이 대 중앙 섹션 (27) 의 외부 직경 Doc 의 비는 3 내지 5 이다. 단부 (21), 암형 나사 (23), 슬림 섹션 (25) 및 중앙 섹션 (27) 의 부분은 바람직하게 암형 구성 요소 (33) 로 단일편의 재료로부터 제조된다. 암형 구성 요소 (33) 의 길이 대 중앙 섹션 (27) 의 외부 직경 Doc 의 비는 3 내지 5 이다. 중앙 섹션 (27) 의 중간 부분은 바람직하게 단일편의 재료로부터 제조된다. 수형 구성 요소 (32) 및 암형 구성 요소 (33) 는 중앙 섹션 (27) 의 중간 부분과 상이한 타입의 재료로 제조될 수 있다. 중앙 섹션 (27) 의 중간 부분은 바람직하게 수형 구성 요소 (32) 및 암형 구성 요소 (33) 에 마찰 용접된다.
도 4 는 본 발명의 실시형태를 예시한다. 세장형 구성 요소 (120) 는 단부 (22) 로부터 암형 나사 (23) 로 실질적으로 일정한 직경을 구비한 관통 플러싱 채널을 갖는다. 이는 관통 플러싱 채널이 연속적이고 단차를 갖지 않고 중앙 플러싱 채널 (128) 의 직경 Dic 가 나사 플러싱 채널들 (129) 의 직경 Dit 와 실질적으로 동등하다는 것을 나타낸다.
직경 Dic 를 갖는 중앙 플러싱 채널 (128) 은 횡단면적 Ac 를 갖는다. 구멍 (4) 으로부터 플러싱 어웨이될 커팅들을 위한 출구 면적 Ae 는 중앙 섹션 (27) 과 구멍 (4) 의 벽 (5) 사이에 형성된다. 중앙 플러싱 채널 (128) 의 면적 Ac 대 출구 면적 Ae 의 비는 바람직하게 0.04 내지 0.26 이다. Ac 와 Ae 사이의 이러한 관계는 구멍 (4) 으로부터 커팅들의 제거를 위해 세장형 구성 요소 (120) 와 구멍 (4) 의 벽 (5) 사이에 충분한 간격이 존재하도록 보장한다.
도 5 는 연결된 상태로 본 발명의 실시형태를 예시한다. 세장형 구성 요소 (20) 의 수형 나사 (24) 는 또 다른 세장형 구성 요소 (20') 의 암형 나사 (23) 내에 나사 결합되고 따라서 세장형 구성 요소 (20') 와 세장형 구성 요소 (20) 를 연결시킨다. 세장형 구성 요소 (20) 와 세장형 구성 요소 (20') 사이의 상호 연결 영역은 나사 조인트 (31) 를 형성한다. 드릴 스트링에서, 몇개의 세장형 구성 요소들은 이러한 방식으로 연결된다.
본 발명은 중앙 플러싱 채널 (28, 128) 의 직경과 중앙 섹션 (27) 의 외부 직경 사이에 비와 조합하여 중앙 섹션 (27) 의 탄성 단면 계수에 대한 나사 조인트 (31) 의 탄성 단면 계수를 특징으로 한다. 탄성 단면 계수는 세장형 구성 요소 (20) 의 종축에 수직한 횡단면의 내굽힘성과 상호 관련된 특성이다.
나사 조인트 (31) 의 탄성 단면 계수 St 는 다음의 식을 사용하여 연산된다:
Figure pct00001

중앙 섹션 (27) 의 탄성 단면 계수 Sc 는 다음의 식을 사용하여 연산된다:
Figure pct00002

탄성 단면 계수 사이의 비 St / Sc 는 세장형 구성 요소에 대해 1.5 보다 크고, 바람직하게 1.8 내지 5.5 이고, 보다 바람직하게 2.0 내지 3.5 이다. 이러한 비는 공지된 드릴 로드들에 대해 1.8 내지 3.2 이고 공지된 드릴 튜브들에 대해 1.0 내지 1.4 이다.
중앙 플러싱 채널 (28, 128) 의 직경과 중앙 섹션 (27) 의 외부 직경 사이의 비 Dic / Doc 는 세장형 구성 요소에 대해 0.45 내지 0.95 이고, 바람직하게 0.48 내지 0.75 이고, 보다 바람직하게 0.5 내지 0.65 이다. 이러한 비는 공지된 드릴 로드들에 대해 0.25 내지 0.42 이고 공지된 드릴 튜브들에 대해 0.55 내지 0.75 이다.
도 6 은 St / Sc 대 Dic / Doc 의 그래프를 예시한다. 공지된 드릴 로드들은 영역 A 에 위치되고, 공지된 드릴 튜브들은 영역 B 에 위치되고 본 발명에 따른 세장형 구성 요소들은 영역 C 에 위치된다. 영역 C 는 St / Sc 방향으로 무한대로 연장된다는 것에 주의하라.
St / Sc 및 Dic / Doc 의 이러한 특정한 조합을 사용하는 것은 드릴 스트링에 소정의 이점들을 제공한다. 중앙 섹션 (27) 의 외부 직경에 대해 중앙 플러싱 채널 (28, 128) 의 큰 직경은 세장형 구성 요소 (20) 에서 나사들을 냉각시키고 커팅들의 제거를 개선하는 양호한 플러싱 특성들을 제공한다. 나사들의 냉각은 나사들의 수명을 증가시키고 드릴 속도는 증가될 수 있다. 구멍 (4) 의 벽 (5) 과 중앙 섹션 (27) 의 외부 직경 사이의 간격은 드릴링된 구멍 (4) 으로부터의 커팅들의 충분한 플러싱을 가능하게 하도록 충분히 크다. 중앙 섹션 (27) 의 탄성 단면 계수에 대해 나사 조인트들의 높은 탄성 단면 계수는 나사 조인트들에서 너무 높은 굽힘 응력들을 발생시키지 않고 구부러질 수 있다는 것을 나타낸다. 이는 나사 조인트들의 수명을 개선시키고 세장형 구성 요소들 사이에서 나사들을 파괴하는 것을 용이하게 한다.
예시적인 실시형태들 및 테스트 결과들
표면 드릴 리그 (rig) 는 본 발명의 실시형태와 종래의 소위 T51 드릴 로드들을 비교하는 데 사용되었다. 종래의 T51 로드들 및 본 발명의 실시형태 양쪽은 표면 경화된 (case hardened) 스틸로 제조되었다. 동일한 타입의 나사들 및 동일한 타입의 열 처리가 T51 로드들 및 본 발명의 실시형태에 대해 사용되었다. 드릴 스트링의 길이를 따라 압력 강하는 플러싱 효율의 척도로서 측정되었다. 다음의 결과들이 얻어졌다.
Figure pct00003

압력 강하는 종래의 로드와 비교하여 본 발명이 훨씬 더 작다는 것이 명백하다.
드릴 스트링들의 수명은 지하 탄광에서 드릴링하면서 비교되었다. 종래의 소위 T45 로드들은 본 발명의 실시형태와 비교되었다. 종래의 T45 로드들 및 본 발명의 실시형태 양쪽은 표면 경화된 스틸로부터 제조되었다. 동일한 타입의 나사들 및 동일한 타입의 열 처리가 T45 로드들 및 본 발명의 실시형태에 대해 사용되었다. 다음의 결과들이 얻어졌다.
Figure pct00004

본 발명의 수명이 종래의 로드보다 적어도 100 % 더 길어진다는 것이 명백하다.
본 발명은 상기 설명된 실시형태들에 제한되지 않는다. 상이한 대안예들, 변경예들 및 등가물들이 사용될 수 있다. 그러므로 상기 언급된 실시형태들은 특허 청구항에 규정된 본 발명의 범위를 제한하도록 고려되어서는 안된다.

Claims (11)

  1. 충격 드릴링을 위한 세장형 드릴 구성 요소 (20; 120) 로서:
    외부 직경 (Dot) 을 갖는 암형 나사 가공된 단부 (21),
    수형 나사 가공된 단부 (22),
    외부 직경 (Doc) 을 갖는 상기 암형 나사 가공된 단부와 상기 수형 나사 가공된 단부 사이에서의 중앙 섹션 (27) 으로서, 상기 암형 나사 가공된 단부의 상기 외부 직경은 상기 중앙 섹션의 상기 외부 직경보다 큰, 상기 중앙 섹션 (27); 및
    직경 (Dic) 을 갖는 중앙 플러싱 채널 (28; 128) 및 직경 (Dit) 을 갖는 나사 플러싱 채널들 (29; 129) 을 포함하는 관통 플러싱 채널을 포함하고,
    상기 암형 나사 가공된 단부가 동일한 구성 요소의 상기 수형 나사 가공된 단부에 연결될 때에 측정된 나사 가공된 조인트 (31) 의 탄성 단면 계수 대 상기 중앙 섹션 (27) 의 탄성 단면 계수의 비 St / Sc 는 1.5 보다 크고,
    상기 중앙 플러싱 채널의 직경 대 상기 중앙 섹션의 외부 직경의 비 Dic / Doc 는 0.45 내지 0.95 인 것을 특징으로 하는, 충격 드릴링을 위한 세장형 드릴 구성 요소.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비 St / Sc 는 1.8 내지 5.5 인, 충격 드릴링을 위한 세장형 드릴 구성 요소.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 비 Dic / Doc 는 0.48 내지 0.75 인, 충격 드릴링을 위한 세장형 드릴 구성 요소.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비 St / Sc 는 2.0 내지 3.5 인, 충격 드릴링을 위한 세장형 드릴 구성 요소.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비 Dic / Doc 는 0.5 내지 0.65 인, 충격 드릴링을 위한 세장형 드릴 구성 요소.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관통 플러싱 채널 표면은 단차들 (30) 을 포함하고,
    Dit 는 Dic 보다 작은, 충격 드릴링을 위한 세장형 드릴 구성 요소.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관통 플러싱 채널 표면은 실질적으로 연속적이고 단차를 갖지 않고,
    Dit 는 Dic 와 실질적으로 동등한, 충격 드릴링을 위한 세장형 드릴 구성 요소.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중앙 플러싱 채널 (28; 128) 의 횡단면적 Ac 과, 상기 중앙 플러싱 채널과 구멍 (4) 의 벽 (5) 사이에 형성된 출구 횡단면적 Ae 의 비는 0.04 내지 0.26 인, 충격 드릴링을 위한 세장형 드릴 구성 요소.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    암형 나사 (23) 및 수형 나사 (24) 는 사다리꼴 또는 로프 기하학적 형상들을 갖는 원통형 나사들인, 충격 드릴링을 위한 세장형 드릴 구성 요소.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 세장형 드릴 구성 요소의 종축을 따르는 횡단면에서 상기 암형 또는 수형 나사의 가장 작은 반경은 1.5 mm 보다 큰, 충격 드릴링을 위한 세장형 드릴 구성 요소.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    수형 구성 요소 (32) 및 암형 구성 요소 (33) 는 마찰 용접에 의해 상기 중앙 섹션의 중간 부분에 부착되는, 충격 드릴링을 위한 세장형 드릴 구성 요소.
KR1020167008423A 2013-09-09 2014-08-27 드릴 스트링 구성 요소 KR102276275B1 (ko)

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EP13183523.3 2013-09-09
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