KR20210101206A - 다운-더-홀 해머 드릴 비트 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압력 하의 유체에 의해 활성화되는 다운-더-홀 드릴링 조립체 (11) 에 관한 것이다. 축방향 후방 단부 (15a) 및 축방향 전방 단부를 가진 세장형 케이싱 (15), 상기 케이싱 (15) 내부에 이동가능하게 배치된 유체 동력식 피스톤 (13), 상기 피스톤 (13) 의 상부측에 있는 상부 작동 챔버 (27), 상기 피스톤 (13) 의 하부측에 있는 하부 작동 챔버 (28), 상기 피스톤을 위한 왕복 운동을 발생시키기 위해 작동 챔버들 내외로 가압 유체를 공급 및 배출하기 위한 복수의 유체 통로들 (52), 상기 케이싱 (15) 의 축방향 전방 단부 (15b) 에 연결가능하고 상기 피스톤 (13) 의 충격을 수용하기 위해 상기 피스톤 (13) 을 향해 대면하는 앤빌 (26) 을 구비하는 드릴 비트 (14), 세장형 생크 (17) 의 적어도 일부를 둘러싸고 상기 생크 (17) 를 따라 길이방향으로 연장되는 유체 통로들을 형성하도록 상기 드릴 비트 (14) 와 협력하는 환형 구동 서브 (18) 를 포함한다. 상기 구동 서브 (18) 는, 해머 배기부로부터 유체를 수집하고 수집된 유체의 체적을 상기 구동 서브 (18) 의 스플라인들 (43) 과 상기 드릴 비트 (14) 의 스플라인들 (42) 사이에 형성된 채널들 (48) 로부터 상기 드릴 비트 (14) 에 배치된 플러싱 구멍들 (24) 로 재분배하기 위한 챔버 (21) 를 형성하는, 상기 구동 서브에 원주방향으로 연장되는 오목한 아치형 홈을 포함한다.

Description

다운-더-홀 해머 드릴 비트 조립체

본 발명은 타격식 드릴 비트 조립체에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 다운-더-홀 해머 드릴 비트 조립체에서의 유동 분포에 관한 것이다.

다운-더-홀 (DTH) 타격식 드릴링은 타격과 회전을 결합하는 방법을 포함한다. 가압 유체는 드릴링 튜브를 통해 보어 홀의 하부에 위치된 드릴 비트에 공급된다. 이 유체는 해머 드릴링 작동을 구동하고 절삭 작동으로 인해 파쇄된 파편을 후방으로 플러싱하는 작용을 한다. 전형적으로, DTH 타격식 드릴링 조립체 또는 해머 드릴 비트 조립체는, 구동 서브에 해제가능하게 결합되는 드릴 비트와 상부 서브 사이에서 연장되는 케이싱을 포함한다. 이 케이싱 내부에는 왕복 유체 구동식 충격 디바이스 또는 피스톤이 배치된다. 피스톤의 양 단부에는 작동 챔버, 즉 피스톤의 작동 사이클에 따라 유체가 배출되는 상부 작동 챔버와 하부 작동 챔버가 있다. 종래의 DTH 드릴링 머신은, 또한 생크로 구성된 드릴 비트 조립체, 드릴 구멍에 대면하는 표면 상에 버튼을 더 포함하는 비트 헤드, 및 파쇄된 파편이 즉시 제거되도록 하는 플러싱 구멍들을 포함하여, 각각의 충격으로 버튼이 새로운 고체 암석 표면에 부딪힌다.

현재 사용되는 드릴 비트 조립체에는, 특히 비트의 중심에 있는 내부 보어가 생크의 전방 단부에서 폐쇄되고 후방 단부에서 피스톤을 향해 개방되는 비트를 갖는 조립체에서, 공기를 위해 드릴 비트 조립체에서 이용가능한 충분한 체적이 없다는 단점이 있다. 이러한 비트들에서, 일반적으로 스플라인들의 개수는 플러싱 구멍들의 개수보다 많으며, 스플라인들로부터 플러싱 구멍들로 이동할 때 공기의 유동 경로들에 변화가 있기 때문에, 이러한 변화를 수용하기 위해 이러한 공기에 대해서 일부 공간이 필요하다. 공기에 대한 이러한 체적이 제공되지 않으면, 드릴링의 효율에 영향을 준다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 일부 드릴 비트에서, 이러한 체적은 드릴 비트의 생크에 홈이 존재함으로써 제공된다는 것이 관찰되었다. 이러한 구성의 단점은 비트 생크 무결성이 손상되어 드릴 비트의 수명이 짧아졌다는 것이다. 드릴 비트의 빈번한 교체는 유지 관리에 많은 비용을 초래하며, 또한 드릴링 머신의 상당한 정지 시간을 초래한다.

이러한 문제를 해결하기 위한 다른 접근법은, 해머로부터 유동을 수집하기 위한 체적을 생성하기 위해 구동 서브 주위의 슬리브 또는 슈라우드-유사 구조를 포함하는 일부 역순환 (RC) 해머에서 관찰되었다. 이러한 조립체의 예는 특허 문헌 US 6702045 및 EP 1454031 에 기재되어 있다. 이러한 유형의 구성의 문제점은, 유동이 일반적으로 구동 서브의 외부 표면과 슈라우드의 내부 표면 사이에 있고, 유동이 드릴 비트의 플러싱 구멍들을 연결하지 않는다는 것이다. 또한, 이러한 종류의 방안은 해머에 조립되어야 하는 추가 구성요소가 수반되기 때문에 더욱 고가이며 구성이 복잡해지는 것으로 밝혀졌다. DTH 드릴링 머신은 드릴 구멍 내부에 위치하기 때문에, 머신의 구조는 컴팩트해야 한다.

따라서, 드릴 비트의 무결성을 손상시키지 않고 드릴 비트 조립체 내의 유동 분포를 개선하는 강건하고, 콤팩트하며, 구조적으로 복잡하지 않은 드릴 비트 조립체에 대한 필요성이 존재한다.

본 발명의 목적은 상기 언급된 문제점들을 극복하거나 또는 적어도 감소시키는 것이다.

본 발명의 목적은, 특히 드릴 비트를 통한 양호한 유동 분포를 갖는 강건하고 구조적으로 복잡하지 않은 암석 드릴 비트 조립체를 제공하는 것이다. 다른 목적은, 추가 구성요소를 사용하지 않고 드릴링 작업 동안 하류로 유동하는 가압 유체 또는 공기를 위한 체적을 제공함으로써 드릴 비트 조립체 내의 양호한 유동 분배를 달성하는 것이다. 또 다른 목적은, 해머에 대한 비트 교체가 더 적게 요구되도록 드릴링 작동 동안 드릴 비트의 무결성을 유지하는 것이다.

상기 목적은, 스플라인들을 플러싱 구멍들과 연결하면서 해머 배기부로부터 가압 유체의 상류 유동을 위한 공간 또는 체적을 허용하는 암석 드릴 비트 조립체를 제공함으로써 달성된다.

본 발명의 제 1 실시형태에 따르면, 압력하의 유체에 의해 활성화되는 다운-더-홀 해머 조립체가 제공되며, 상기 다운-홀 해머 조립체는, 전방 단부 또는 축방향 전방 단부 및 후방 단부 또는 축방향 후방 단부를 갖는 세장형 케이싱, 케이싱 내부에 이동가능하게 배치되는 유체 동력식 피스톤, 피스톤의 축방향 후방측 또는 상부측에 있는 상부 작동 챔버, 피스톤의 축방향 전방측 또는 하부측에 있는 하부 작동 챔버, 피스톤을 위한 왕복 운동을 발생시키기 위해 작동 챔버 내외로 가압 유체를 공급 및 배출하기 위한 복수의 유체 통로들, 케이싱의 전방 단부 또는 축방향 전방 단부에 연결가능하고 피스톤의 충격을 수용하기 위해 피스톤을 향해 대면하는 앤빌을 구비하는 드릴 비트, 및 생크의 적어도 일부를 둘러싸고 생크를 따라 길이방향으로 연장되는 유체 통로를 형성하도록 드릴 비트와 협력하는 환형 구동 서브를 포함하며, 구동 서브는, 배기 유동으로부터 유체를 수집하고 수집된 유체의 체적을 드릴 비트에 배치된 플러싱 구멍들로 재분배하기 위한 챔버를 형성하는, 구동 서브를 통해 원주방향으로 연장되는 오목한 아치형 홈을 포함한다. 아치형 홈은 배기부까지의 거리, 즉 분위기에 대한 플러싱 구멍들의 거리가 클수록 이송력 전달 지점 위에 위치되며, 이는 유동이 플러싱 구멍들 사이에 보다 균일하게 분포되고 플러싱 구멍들 내부에서 덜 난류로 되게 하여, 보다 예측가능한 플러싱을 초래하며, 이는 최적화하기에 더 용이하다. 홈이 이송력 전달 지점 아래에 위치되면, 피로 파괴를 초래하는 인장 응력을 받게 되는 취약한 지점이 생성될 것이다. 드릴링 동안, 이송력 전달 영역은 비트로부터의 충격 및 진동을 받는다. 피스톤이 비트 타격면에 부딪힘에 따라, 비트는 암석 내부에서 전방으로 이동하고, 암석을 파쇄한 후, 해머쪽으로 다시 튀어 올라, 이송력 전달 부위에 의해 정지된다. 따라서, 인장 응력이 형성되는 것을 피하기 위해, 홈은 이송력 전달 지점 위에 위치되는 것이 중요하다. 아치형 홈은 다음의 최소 체적 치수를 가진다:

최소 유동 체적 ≥ 2 x min (해머로부터 유동 영역; 플러싱 구멍 영역)

상기 체적은 해머로부터의 유동 면적 (스플라인들 사이의 영역) 또는 가장 작은 플러싱 구멍 영역의 2 배 이상이어야 함을 의미한다.

드릴링 작동 동안, 해머로부터 나오는 배기 유동은 구동 서브 내의 아치형 오목한 홈에 의해 형성된 챔버 내에 수집된다. 이러한 가압 유체의 체적은, 드릴 비트의 생크 상에 유동 통로를 생성할 필요 없이, 플러싱 구멍들 사이에서 해머로부터 유동의 균일한 재분배를 허용하는 드릴 비트 내에 배열된 플러싱 구멍들에 연결된다.

바람직하게는, 구동 서브 내의 챔버는 배기 유동으로부터 유체를 수집하기 위해 드릴 비트의 외부 표면과 구동 서브의 내부 표면 사이에 유체 통로를 생성한다. 바람직하게는, 구동 서브의 외경은 비트 헤드의 외경보다 작다. 드릴 비트 및 구동 서브는, 구동 서브가 드릴 비트의 생크 영역의 적어도 일부를 축방향으로 중첩시키도록 그리고 반경방향으로 둘러싸도록 위치가능하도록 배열되도록 구성된다. 구동 서브의 하부 에지의 각도는 비트 헤드-생크 천이 영역의 각도에 대응한다. 이는, 구동 서브에 대한 드릴 비트의 정확한 위치설정을 보장하고 또한 비트와 서브 사이의 증가된 접촉 면적을 제공하고, 이는 차례로 비트 상의 표면 압력 또는 응력을 감소시켜 비트의 수명을 증가시키기 때문에 유리하다.

바람직하게는, 구동 서브는 그 상부 에지 상에 구동 서브의 벽의 두께를 통해 연장되는 슬롯들을 생성하는 복수의 주변 돌출부들을 포함한다. 이들 슬롯들은 해머 배기구로부터 구동 서브로 가압 유체의 통과를 허용한다. 이러한 슬롯들을 갖는 장점은, 비트 유지 링이 유체를 통과시키도록 하는 전통적인 스캘럽을 필요로 하지 않고, 이에 따라서 비트 유지 링을 더 강하게 하고 더 많은 유지 영역을 갖도록 한다는 것이다. 이러한 슬롯들을 갖는 다른 장점은, 가압 유체가 비트의 스플라인들과 구동 서브의 스플라인들 사이의 공간에 더욱 균일하게 분포되어 스플라인들 사이에 양호한 윤활을 제공한다는 것이다.

본 발명의 이러한 실시형태의 장점들 중 하나는, 배기 유동으로부터 가압 유체의 체적을 수용하기 위한 챔버를 형성하기 위해 슬리브 또는 슈라우드와 같은 임의의 추가적인 구성요소가 필요하지 않다는 것이다. 이는 장치의 구성을 실질적으로 단순화시킨다. 이러한 특징 중 다른 장점은 생크에 유동 통로를 생성할 필요가 없다는 것이다. 이는 드릴 비트의 무결성 및 강도를 유지하고 수명을 증가시키는데 유용하다.

선택적으로, 구동 서브의 반경방향 내향 대면 부분은 복수의 반경방향 연장 유지 형성물들을 포함하고, 암석 드릴 비트의 생크의 반경방향 외향 대면 부분은 복수의 반경방향 연장 유지 형성물들을 포함하여, 구동 서브의 형성물들이 암석 드릴 비트의 생크의 형성물들과 협력하도록 그리고 해제가능하게 상호 결합하도록 구성된다. 바람직하게는, 비트의 생크와 구동 서브 둘 다 상의 유지 형성물들은 축방향 및 반경방향 연장 스플라인들의 형태이다. 이러한 배열은 구동 서브로부터 암석 드릴 비트로의 토크의 전달을 가능하게 한다. 이러한 배열의 장점은, 비트가 마모되면 쉽고 용이하게 제거되고 그리고 교체될 수 있고, 이는 비트에 대한 서비스 수명이 구동 서브의 서비스 수명과 다를 때 특히 유용하다는 것이다. 생크 및 서브 상에 이러한 상보적인 스플라인들을 가짐으로써, 구동 서브로부터 암석 드릴 비트로의 회전 구동의 용이하고 효율적인 전달을 허용하는 장점이 있다.

바람직하게는, 본 발명에서 개시된 해머는 공압식이고, 압력하의 유체는 공기이다.

본 발명의 제 2 실시형태에 따르면, 드릴링 조립체에는 해머의 절삭 단부 또는 축방향 전방 단부에 위치되는 암석 드릴 비트가 제공되며, 상기 암석 드릴 비트는, 헤드, 세장형 생크로서, 상기 생크의 전방 단부 또는 축방향 전방 단부에서 상기 헤드에 연결되는 상기 세장형 생크, 상기 헤드가 상기 생크에 연결되는 헤드-생크 천이 영역, 상기 피스톤의 충격을 수용하기 위해 상기 생크의 축방향 후방 단부에 있는 앤빌, 의도된 드릴링 방향으로 파쇄될 재료와 맞물리도록 구성된 상기 헤드의 전방면에 제공된 복수의 버튼들, 및 상기 헤드를 통해 연장되고 상기 헤드의 전방면에 적어도 하나의 개구를 갖는 유체용 복수의 플러싱 통로를 포함한다. 암석 드릴 비트는, 헤드-생크 천이 영역에서 헤드와 생크 사이에 형성된 각도가 100 도 초과인 것을 특징으로 함으로써, 비트 헤드-생크 천이 영역에 대한 증가된 응력의 전술한 문제를 해결한다. 비트 헤드-생크 천이 영역에서 100 도보다 큰 각도를 갖는 장점은, 이러한 종류의 구성이 드릴링 작업 동안 비트 헤드-생크 천이 영역에 의해 직면하는 응력을 크게 감소시킨다는 것이다. 응력을 감소시키면 암석 드릴 비트의 강도를 유지하여 암석 드릴 비트의 수명이 평균 수명보다 더 길어짐을 보장해준다. 이는, 암석 드릴 비트를 자주 교체할 필요가 없으므로 드릴링 조립체의 유지 관리 비용을 절감시킨다. 또한, 이제 비트가 더 적은 횟수로 교체됨에 따라 장비의 정지 시간도 감소된다.

비트 헤드와 생크 천이부 사이의 각도의 이러한 독특한 특징의 또 다른 장점은, 이송력을 전달하기 위해 비트 내에 원추형 표면을 형성한다는 것이다. 유리하게는, 이러한 원추형 표면은 작동 중에 드릴 비트를 정확하게 안내하고 이송력 전달을 위한 접촉 표면을 증가시켜, 비트 헤드-생크 천이 영역의 표면 압력 (응력) 을 감소시킨다.

바람직하게는, 암석 드릴 비트의 비트 헤드와 생크 사이의 각도는 100 도 내지 160 도 이어야 한다. 보다 바람직하게는, 비트 헤드와 생크 사이의 각도는 110 도 내지 130 도 이어야 한다.

본 발명의 제 3 실시형태에 따르면, 비트의 중심에 있는 내부 보어는 생크의 전방 단부 또는 축방향 전방에서 폐쇄되고, 피스톤을 향하는 생크의 후방 단부 또는 축방향 후방 단부에서 개방된다. 이 암석 드릴 비트 내의 내부 블라인드 보어는 해머의 하부 작동 챔버의 일부를 구성하도록 구성된다. 비트의 중심이 종래의 드릴 비트에서와 같이 플러싱에 사용되지 않기 때문에, 이 체적은 해머를 위한 하부 작동 챔버로서 사용될 수 있다. 이러한 종류의 구성의 장점은, 해머를 보다 컴팩트하게 만들 수 있게 한다.

선택적으로, 비트 헤드와 생크 사이의 각도가 100 도 보다 큰 특징은, 드릴 비트의 강도를 향상시키고, 특히 중심의 내부 보어가 생크의 전방 단부에서 폐쇄되고 그리고 후방 단부에서 피스톤을 향해 개방되는 비트들에 대해서 유리하다. 이러한 블라인드-보어 비트는 해머로부터 상류 유동을 위한 유체 통로를 생성하는 영역 내의 플러싱 구멍들의 존재로 인해 비트 헤드-생크 천이 영역 내에 엄청난 응력을 받게 된다. 이러한 블라인드-보어 비트에서 비트 헤드와 생크 사이에 100 도 보다 큰 각도를 가지면 비트의 강도를 실질적으로 향상시킨다.

본 발명의 제 4 실시형태에 따르면, 상기 암석 드릴 비트에서, 상기 비트 헤드-생크 천이 영역은 플러싱 구멍들을 위한 개구 근방에 리세스를 구비하며, 상기 리세스는 바람직하게는 내향 곡률 또는 아치형 오목한 홈의 형태이다. 이러한 구조적 특징은, 암석 드릴 비트에서 비트 헤드-생크 천이 영역에서 응력이 감소되는 장점을 제공하는 것이다. 특히, 이러한 구조적 특징은 내부 중앙 보어가 생크의 축방향 전방 단부에서 폐쇄되고 피스톤을 향하는 생크의 축방향 후방 단부에서 개방되는 암석 드릴 비트의 강도 및 수명을 향상시킨다. 선택적으로, 리세스는 정사각형, 원형, 타원형, 직사각형 또는 삼각형 포켓의 형상일 수 있다.

바람직하게는, 암석 드릴 비트의 비트 헤드 및 생크는 하나의 통합 유닛으로 구성된다. 그러나, 전술한 특징들은 또한 암석 드릴 비트가 함께 조립된 비트 헤드 및 생크를 포함하는 다수의 구성요소들로 구성되는 경우에 양호한 드릴링 결과를 제공하도록 된다.

선택적으로, 본 발명에 설명된 암석 드릴 비트는 역순환 타격식 해머와 함께 작동하도록 조정된다. 본 출원에서 사용되는 역순환 드릴 비트는 비트 헤드의 중심과 주변부 사이에 위치된 플러싱 구멍들을 가질 수 있다. 대안적으로, 플러싱 구멍들은 비트 헤드의 주변부에 반경방향으로 위치될 수 있다. 역순환 해머는 비트 헤드 주위에 슈라우드를 가질 수도 있고 갖지 않을 수도 있다. 실시형태들 중 하나에 따르면, 역순환 드릴 비트는 비트 헤드 주위에 슈라우드를 갖지 않고, 비트 헤드의 외부 표면은 구멍 벽과 맞물린다. 유리하게는, 전통적인 구조로부터 하나의 구성요소 (슈라우드) 의 제거는 해머를 보다 콤팩트하게 만든다.

본 발명의 일부 실시형태들은 첨부 도면들을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.

도 1 은 DTH 암석 드릴링 머신이 제공된 암석 드릴링 리그를 개략적으로 도시한다.
도 2 는 드릴 구멍의 하부에 있는 DTH 드릴링 머신을 개략적으로 도시한다.
도 3 은 생크의 일부를 덮는 구동 서브를 갖는 공지된 암석 드릴 비트 조립체의 사시도를 도시한다.
도 4 는 본 발명의 구체적인 구현예에 따른 해머의 수직 단면을 도시한다.
도 5a 는 도 4 의 드릴 비트의 측면도를 도시한다. 도 5b 는 도 5a 의 생크 부분을 덮는 구동 서브를 가진 드릴 비트의 수직 단면도를 도시한다. 도 5c, 도 5d 및 도 5e 는 각각 도 5a 의 상이한 단면들, D-D, E-E, F-F 로부터 취해진 단면도들을 도시한다.
도 6a 는 도 4 의 드릴 비트 조립체의 부분 절취 사시도이고, 도 6b 는 오목한 홈을 강조하는 구동 서브의 절취도이다.
도 7a 는 추가적인 특정 구현예에 따른 RC 비트 조립체의 예의 사시도이고, 도 7b, 도 7c 및 도 7d 는 각각 도 7a 의 상이한 단면들, D-D, E-E, F-F 로부터 취해진 단면도들을 도시한다.
도 7e 는 도 7a 의 RC 비트 조립체의 수직 단면이다.
도 8a 는 추가적인 특정 구현예에 따른 RC 비트 조립체의 예의 사시도이고, 도 8b, 도 8c 및 도 8d 는 각각 도 8a 의 상이한 단면들, D-D, E-E, F-F 로부터 취해진 단면도들을 도시한다.
도 8e 는 도 8a 의 RC 비트 조립체의 수직 단면이다.

이하, 본 발명의 범위 및 영역을 제한하지 않는 수반되는 실시형태를 참조하여 본 발명을 설명한다. 설명은 단순히 예시 및 도시를 통해 제공된다.

도 1 은 드릴링 붐 (3) 이 제공된 이동가능한 캐리어 (2) 를 포함하는 암석 드릴링 리그 (1) 를 도시한다. 드릴링 붐 (3) 에는 이송 빔 (5), 이송 디바이스 (6) 및 회전 유닛 (7) 을 포함하는 암석 드릴링 유닛 (4) 이 제공된다. 회전 유닛 (7) 은 기어 시스템 및 하나 이상의 회전 모터를 포함할 수 있다. 회전 유닛 (7) 은 캐리지 (8) 에 지지될 수도 있고, 캐리지로 회전 유닛은 이송 빔 (5) 에 대해 이동가능하게 지지된다. 회전 유닛 (7) 에는 드릴링 장비 (9) 가 제공될 수도 있고, 드릴링 장비는 서로 연결된 하나 이상의 드릴링 튜브들 (10) 및 드릴링 장비 (9) 의 최외측 단부에 있는 DTH 드릴링 머신 (11) 을 포함할 수 있다. DTH 드릴링 머신 또는 해머 (11) 는 드릴링 동안 드릴링된 보어 구멍 (12) 내에 위치된다.

도 2 는 해머 (11) 가 충격 디바이스 또는 피스톤 (13)(도 4 에 도시됨) 을 포함하는 것을 도시한다. 피스톤 (13) 은 회전 유닛 (7) 과 관련하여 드릴링 장비 (9) 의 반대편 단부에 있다. 드릴링 동안, 피스톤 (13) 에 드릴 비트 (14) 가 직접 연결되어, 피스톤 (13) 에 의해 생성된 타격 (P) 이 드릴 비트 (14) 에 전달된다. 드릴링 장비 (9) 는 도 1 에 도시된 회전 유닛 (7) 에 의해 그의 길이방향 축선을 중심으로 R 방향으로 회전하고, 그와 동시에 회전 유닛 (7) 및 그에 연결된 드릴링 장비 (9) 는 이송 장치 (6) 에 의해 드릴링 방향 (A) 으로 이송력 (F) 을 공급받는다. 그러면, 드릴 비트 (14) 는 회전 (R), 이송력 (F) 및 타격 (P) 의 영향으로 암석을 파쇄한다. 드릴링 튜브들 (10) 을 통해 압력 소스 (PS) 로부터 드릴링 머신 (11) 에 가압 유체가 공급된다. 가압 유체는 압축 공기일 수 있고, 압력 소스 (PS) 는 압축기일 수 있다. 가압 유체는 피스톤 (13) 의 작동 표면에 영향을 미치도록 그리고 피스톤 (13) 이 왕복 방식으로 이동하도록 그리고 드릴 비트 (14) 의 충격 표면 또는 앤빌 (26) 에 대해 타격하도록 지향된다. 해머 (11) 의 작동 사이클에 사용된 후, 가압 공기는 해머 (11) 로부터 배출되어 드릴 비트 (14) 를 위한 플러싱을 제공할 수 있다. 또한, 배출된 공기는 드릴 구멍과 드릴링 장비 (9) 사이의 환형 공간에서 드릴링된 암석 재료를 드릴 구멍 (12) 밖으로 밀어 낸다. 대안적으로, 드릴링 절삭은 충격 디바이스를 통과하는 중앙 내부 튜브 내부의 드릴링 면으로부터 제거된다. 이 방법은 역순환 드릴링이라 불린다. 도 2 는 해머 (11) 의 상부 단부 또는 상단부 또는 축방향 후방 단부를 화살표 (TE) 로 나타내고, 해머 (11) 의 하부 단부 또는 하단부 또는 축방향 전방 단부를 화살표 (BE) 로 나타낸다.

도 3 을 참조하면, 표준 드릴 비트 (14) 를 볼 수 있다. 드릴 비트 헤드 (20) 는 비트 헤드 (20) 의 환형 외부벽 (38) 내로 반경방향으로 리세스가공되는 복수의 주변 슬러지 홈들 (39) 을 포함한다. 풋 밸브 (34) 는 또한 도 3 에서 볼 수 있다. 풋 밸브는 해머의 공기 사이클, 및 하부 작동 챔버 (28) 의 통기 및 폐쇄를 제어하는데 사용된다.

도 4 를 참조하면, 해머 (11) 의 수직 단면이 도시되어 있으며, 해머 (11) 의 종축인 29 가 도시되어 있다. 해머 (11) 는 축방향 후방 단부 (15a) 및 축방향 전방 단부 (15b) 를 갖는 케이싱 (15) 을 포함한다. 케이싱 (15) 내에는, 작동 사이클 동안 왕복 방식으로 이동되도록 배열되는 종래의 자유 피스톤 (13) 이 장착된다. 상부 서브 (16) 는 케이싱 (15) 의 후방 단부 (15a) 내에 적어도 부분적으로 수용된다. 또한, 해머 (11) 를 드릴링 튜브 (10) 에 연결시키는 연결 피스 (31) 가 장착된다. 연결 피스 (31) 는 나사식 연결 표면 (30) 을 포함할 수 있다. 가압 유체를 피스톤에 공급하기 위한 입구 포트 (32) 가 연결 피스 (31) 와 연결되어 있다. 입구 포트 (32) 는 피스톤을 향한 유체의 공급을 허용하지만 반대 방향으로의 유체의 유동을 방지하는 밸브들을 포함할 수 있다. 피스톤의 축방향 후방 단부에는 상부 작동 챔버 (27) 가 있고, 피스톤의 축방향 전방 단부에는 하부 작동 챔버 (28) 가 있다. 분배기 실린더 (33) 는 케이싱 (15) 의 내부면 (45) 에 대해 케이싱 (15) 내에서 축방향으로 연장되고, 상부 작동 챔버 (27) 및 하부 작동 챔버 (28) 를 포함하는 축방향으로 연장되는 내부 챔버를 형성한다. 피스톤 (13) 은 챔버 구역들 (27, 28) 내에서 셔틀링하도록 축방향으로 왕복운동할 수 있다. 또한, 도 4 에서 볼 수 있는 바와 같이, 피스톤 (13) 을 위한 왕복 운동을 발생시키기 위해 작동 챔버들 (27, 28) 내외로 가압 유체를 공급 및 배출하기 위한 유체 통로들 (52) 이 있다. 드릴 비트 (14) 는 해머 (11) 의 축방향 전방 단부에 위치된다. 비트 (14) 는 피스톤 (13) 이 충돌하여 비트 (14) 가 전방으로 이동하게 하는 앤빌을 나타내는 후방면 (26) 을 포함한다. 비트는 또한 비트 헤드 (20) 및 전방 단부에서 폐쇄되는 중앙 내부 보어 (19) 를 갖는 생크 (17) 를 포함한다. 플러싱 구멍들 (24) 은 비트의 전방면 (22) 으로부터 축방향 후방으로 연장된다. 드릴링 표면을 절삭하기 위해 비트의 전방면 (22) 상에 인서트들 또는 버튼들 (23) 이 제공된다. 구동 서브 (18) 는 비트 (26) 의 후방면으로부터 비트 헤드-생크 천이 영역으로 축방향으로 연장되는 생크 (17) 의 적어도 일부를 둘러싼다. 비트 유지 링 (37) 은 또한 도 4 에서 볼 수 있다.

도 5a 를 참조하면, 구동 서브 (18) 에 의해 둘러싸인 드릴 비트 (14) 의 투영도가 도시된다. 단면들은 드릴 비트 (14) 상의 3 개의 상이한 지점들로부터 취해졌는데, 하나는 구동 서브 (18) 의 상부 단부 또는 축방향 후방 단부 근방에 있고 (D-D), 하나는 구동 서브 (18) 의 하부 단부 또는 축방향 전방 단부 근방에 있고 (F-F), 하나는 구동 서브 (18) 의 중간에 있다 (E-E). 단면 D-D 는 비트 상의 스플라인들 (42) 이 채널들 (48) 을 형성하는 구동 서브 (18) 상의 대응하는 스플라인들 (43) 과 맞물리는 것을 볼 수 있는 도 5c 에 도시되어 있다. 해머로부터의 배기 유체는 스플라인들 (42, 43) 사이에 형성된 채널들 (48) 을 통해 유동한다.

도 5d 를 참조하면, 단면 E-E 는 구동 서브 (18) 내의 아치형 오목한 홈으로 인해 형성되는 챔버 (21) 를 도시한다. 해머로부터의 상류 배출물은 스플라인들 (42, 43) 로부터 유동한 후 플러싱 구멍들 (24) 에 진입한다. 그러나, 구멍들과 스플라인의 개수가 상이하기 때문에, 유체의 체적은 스플라인들로부터 구멍로의 유체 경로의 개수에 있어서 변화를 주기 전에 챔버 (21) 내에 축적된다. 도 5e 에서의 단면 F-F 는 비트 헤드 (20) 및 플러싱 구멍들 (24) 을 도시하고, 이 플러싱 구멍으로부터의 배기 유체가 비트 (14) 에 진입한다.

도 5b 로부터 명백한 바와 같이, 구동 서브 (18) 는 생크의 좁은 상단부 (17a) 로부터 비트 헤드-생크 천이 영역 (40) 까지 축방향으로 연장된다. 구동 서브 (18) 내의 오목한 홈 형태의 아치형 리세스는 드릴링 작동 동안 해머 (11) 의 배기부로부터 나오는 가압 유체의 체적을 축적하는 챔버 (21) 를 형성한다. 드릴 비트 (14) 는 비트 헤드-생크 천이 영역 (40) 에서 둔각을 가지며, 도 5b 에 α 로 도시되어 있다. 바람직하게는, 각도는 100 도 내지 160 도이다. 보다 바람직하게는, 각도는 110 도 내지 130 도일 수 있다. 플러싱 구멍들 (24) 근방의 비트 헤드-생크 천이 영역 (40) 의 리세스 (25) 는 드릴링 작동 동안 비트 헤드-생크 천이 영역 (40) 에서 발생되는 응력을 감소시키기 위해 제공된다.

도 6a 를 참조하면, 드릴 비트 (14) 의 생크 (17) 를 둘러싸는 구동 서브 (18) 의 부분 절취도가 관찰될 수 있다. 도 6b 는 드릴 비트 (14) 가 없는 부분 절취 구동 서브 (18) 만을 도시한다. 구동 서브 (18) 에는, 해머 배기부로부터의 가압 유체의 상류 유동이 스플라인들 (42, 43) 사이에 윤활을 유지하면서 구동 서브 상의 스플라인들 (43) 과 비트 스플라인들 (42) 사이에 균일하게 분배될 수 있게 하는 반경방향으로 이격된 슬롯들 (46) 을 생성하는 복수의 주변 돌출부들 (41) 이 제공된다. 슬롯들 (46) 은 구동 서브 (18) 의 반경방향 두께 또는 벽을 통해 연장된다. 드릴 비트 (14) 는 드릴링 작동 동안 이 영역에서 발생되는 응력을 감소시키는 것을 돕기 위해 비트 헤드-생크 천이 영역 (40) 에 오목한 아치형 리세스들 (25) 을 구비한다.

(드릴 비트 (14) 상의) 상보적인 스플라인 (42) 및 (구동 서브 (18) 상의) 상보적인 스플라인 (43) 이 또한 도 6a 에 도시되어 있다. 도 6b 를 참조하면, 구동 서브 (18) 의 하부 에지 (44) 는, 구동 서브 (18) 의 하부 에지 (44) 가 비트 헤드 천이 영역 (40) 에 대해 맞물리도록, 드릴 비트 (14) 의 비트 헤드-생크 천이 각도에 대응하는 각도를 가진다. 구동 서브 (18) 의 하부 에지 (44) 의 이러한 각진 구성은, 구동 서브 (18) 에 관한 드릴 비트 (14) 의 정확한 위치설정을 용이하게 하는 원추형 표면 및 비트 헤드-생크 천이 영역 (40) 에서의 표면 압력 또는 응력을 감소시키는 증가된 접촉 영역을 제공한다.

본 개시내용의 상이한 양태들은 또한 역순환 해머들 및 이에 사용되는 비트들에 적용가능하다. 도 7a 를 참조하면, 역순환 드릴 비트의 투영도가 도시된다. 드릴 비트 (14) 의 3 개의 지점들에서의 단면들은 도 7b, 도 7c 및 도 7d 에 도시되어 있다. 도 7a ~ 도 7e 에 도시된 비트는 절삭물 또는 드릴링된 재료와 함께 가압 유체가 상류로 유동하는 중앙 내부 보어 (19) 를 구비한다. 또한, RC 비트 (14) 에는 플러싱 구멍들 (24), 오목한 홈 형성 챔버 (21) 를 갖는 구동 서브 (18), 생크 (17) 및 전방면 (22) 상에 버튼들 (23) 을 갖는 비트 헤드 (20) 가 제공된다. 도 7b 를 참조하면, 구동 서브 (18) 는 단면 D-D 에서 비트 (14) 의 생크 (17) 를 둘러싸는 것을 볼 수 있다. 플러싱 구멍들 (24) 및 스플라인들 (42) 은 도 7c 의 단면 E-E 에서 볼 수 있다. 챔버 (21) 는 스플라인들 (42 및 43) 사이에 형성된 채널들 (48) 로부터 가압 유체의 상류 배출물을 수집하고, 이를 플러싱 구멍들 (24) 로 재분배시킨다. 비트 헤드 (20) 로부터 취한 단면 F-F 는 도 7d 에 도시된 바와 같이 플러싱 구멍 (24) 및 중앙 내부 보어 (19) 로부터의 통로를 도시한다.

도 7e 를 참조하면, 역순환 해머에 사용되는 드릴 비트 (14) 의 수직 단면이 도시되어 있다. 비트 (14) 는 길이방향 축 (29), 비트 헤드 (20), 생크 (17), 버튼들 (23), 전방면 (22) 및 후방면 (26) 을 가진다. 비트 (14) 에는 또한 생크 (17) 의 일부를 둘러싸고 비트 헤드-생크 천이 영역 (40) 까지 연장되는 구동 서브 (18) 가 제공된다. 내부 중앙 보어 (19) 는 비트 (14) 의 길이를 통해 연장되고, 드릴링 작동 동안 가압 유체 및 드릴링된 재료를 상향 통과시키는데 사용된다. 비트 헤드 (20) 는 비트 헤드 (20) 의 중심과 주변부 사이에 위치되는 복수의 플러싱 구멍들 (24) 을 구비한다.

유사하게, 도 8a ~ 도 8e 는 플러싱 구멍들 (24) 이 비트 헤드 (20) 의 주변부에 위치되는 역순환 드릴 비트 (14) 를 도시한다.

Claims (15)

1. 압력 하의 유체에 의해 활성화되는 다운-더-홀 드릴링 조립체 (11) 로서,
   축방향 후방 단부 (15a) 및 축방향 전방 단부 (15b) 를 가진 세장형 케이싱 (15),
   상기 케이싱 (15) 내부에 이동가능하게 배치된 유체 동력식 피스톤 (13),
   상기 피스톤 (13) 의 상부측에 있는 상부 작동 챔버 (27),
   상기 피스톤 (13) 의 하부측에 있는 하부 작동 챔버 (28),
   상기 피스톤을 위한 왕복 운동을 발생시키기 위해 작동 챔버들 내외로 가압 유체를 공급 및 배출하기 위한 복수의 유체 통로들 (52),
   상기 케이싱 (15) 의 축방향 전방 단부 (15b) 에 연결가능하고 상기 피스톤 (13) 의 충격을 수용하기 위해 상기 피스톤 (13) 을 향해 대면하는 앤빌 (26) 을 구비하는 드릴 비트 (14),
   세장형 생크 (17) 의 적어도 일부를 둘러싸고 상기 생크 (17) 를 따라 길이방향으로 연장되는 유체 통로들을 형성하도록 상기 드릴 비트 (14) 와 협력하는 환형 구동 서브 (18)
   를 포함하고,
   상기 구동 서브 (18) 는, 해머 배기부로부터 유체를 수집하고 수집된 유체의 체적을 상기 구동 서브 (18) 의 스플라인들 (43) 과 상기 드릴 비트 (14) 의 스플라인들 (42) 사이에 형성된 채널들 (48) 로부터 상기 드릴 비트 (14) 에 배치된 플러싱 구멍들 (24) 로 재분배하기 위한 챔버 (21) 를 형성하는, 상기 구동 서브내에 원주방향으로 연장되는 오목한 아치형 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는, 다운-더-홀 드릴링 조립체 (11).
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 유체 통로는 배기 유동으로부터 유체를 수집하기 위해 상기 드릴 비트 (14) 의 외부면과 상기 구동 서브 (18) 의 내부면 사이에 생성되는, 다운-더-홀 드릴링 조립체 (11).
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 드릴 비트 (14) 와 상기 구동 서브 (18) 는, 상기 구동 서브 (18) 가 상기 드릴 비트 (14) 의 상기 생크 (17) 의 적어도 일부를 축방향으로 중첩시키고 그리고 반경방향으로 둘러싸도록 위치가능하도록 배치되도록 구성되는, 다운-더-홀 드릴링 조립체 (11).
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 구동 서브 (18) 는 상기 서브 (18) 로부터 상기 드릴 비트 (14) 에 토크를 전달하기 위해 상기 드릴 비트 (14) 의 상기 생크 (17) 상의 상보적인 스플라인들 (42) 과 맞물리기 위한 복수의 스플라인들 (43) 을 갖는, 다운-더-홀 드릴링 조립체 (11).
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 드릴 비트 (14) 는, 상기 세장형 생크 (17) 가 헤드 (20) 에 연결된 비트 헤드 (20) 및 헤드-생크 천이 영역 (40) 을 포함하고, 상기 헤드-생크 천이 영역 (40) 에서 상기 헤드 (20) 와 상기 생크 (17) 사이에 형성된 각도가 100 도 보다 크도록 상기 헤드 (20) 가 상기 생크 (17) 에 연결되는, 다운-더-홀 드릴링 조립체 (11).
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 드릴 비트 (14) 의 상기 헤드-생크 천이 영역 (40) 에서 상기 헤드 (20) 와 상기 생크 (17) 사이에 형성된 각도는 100 도 보다 크고 160 도 보다 작은, 다운-더-홀 드릴링 조립체 (11).
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 드릴 비트 (14) 의 상기 헤드-생크 천이 영역 (40) 에서 상기 헤드 (20) 와 상기 생크 (17) 사이에 형성된 각도는 110 도 보다 크고 130 도 보다 작은, 다운-더-홀 드릴링 조립체 (11).
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   암석 드릴 비트의 헤드-생크 천이 영역 (40) 의 외부 표면은 상기 플러싱 구멍들 (24) 의 개구들에 근접하여 위치되는 리세스 (25) 를 가지는, 다운-더-홀 드릴링 조립체 (11).
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 비트 (14) 의 상기 비트 헤드 (20) 및 상기 생크 (17) 는 하나의 통합 유닛으로 구성되는, 다운-더-홀 드릴링 조립체 (11).
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비트 (14) 의 중심에 있는 내부 보어 (19) 는 상기 생크 (17) 의 전방 단부 (17a) 에서 폐쇄되고 그리고 상기 피스톤 (13) 을 향하는 상기 생크의 후방 단부 (17b) 에서 개방되며, 중심의 상기 내부 보어 (19) 는 상기 조립체 (11) 의 하부 작동 챔버 (28) 의 일부를 구성하도록 구성되는, 다운-더-홀 드릴링 조립체 (11).
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 서브 (18) 는, 이의 상부 에지 (50) 에서, 상기 구동 서브 (18) 의 벽의 반경방향 두께를 통해 연장되는 반경방향으로 이격된 슬롯들 (46) 을 생성하는 복수의 주변 돌출부들 (41) 을 포함하는, 다운-더-홀 드릴링 조립체 (11).
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 서브 (18) 는 상기 비트 헤드 천이 영역 (40) 의 각도에 대응하는 각도를 가진 하부 에지 (44) 를 포함하고, 상기 하부 에지 (44) 는 상기 비트 헤드 천이 영역 (40) 에 걸쳐 위치가능한, 다운-더-홀 드릴링 조립체 (11).
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 드릴 비트 (14) 는, 상류로 유동하고 상기 드릴 비트 (14) 의 중심을 통과하는 드릴링 절삭물을 가진 역순환 드릴 비트이고, 상기 드릴 비트 (14) 는 상기 비트 (14) 의 헤드 (20) 에 부착된 상기 생크 (17) 를 포함하고, 상기 생크는 상기 해머 배기부로부터 체적을 축적하기 위한 챔버 (21) 를 생성하는 상기 구동 서브 (18) 에서 원주방향으로 연장되는 아치형 오목한 홈을 가진 환형 구동 서브 (18) 에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이는, 다운-더-홀 드릴링 조립체 (11).
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 역순환 드릴 비트 (14) 는 복수의 플러싱 구멍들 (24) 을 갖는 비트 헤드 (20) 를 포함하고, 상기 복수의 플러싱 구멍들 (24) 은 상기 비트 헤드 (20) 의 중심과 주변부 사이에 위치되고 상기 드릴 비트 (14) 의 전방면 (22) 으로부터 상기 비트 헤드-생크 천이 영역 (40) 까지 연장되며 상기 해머의 배기부로부터 유체를 위한 통로 (49) 를 생성하는, 다운-더-홀 드릴링 조립체 (11).
15. 제 13 항에 있어서,
    상기 역순환 드릴 비트 (14) 는 복수의 반경방향으로 이격된 플러싱 구멍들 (24) 을 갖는 비트 헤드 (20) 를 포함하고, 상기 복수의 반경방향으로 이격된 플러싱 구멍들 (24) 은 상기 비트 헤드 (20) 의 주변부에 위치되고 상기 비트 (14) 의 전방면 (22) 으로부터 상기 비트 헤드-생크 천이 영역 (40) 까지 연장되며 상기 해머의 배기부로부터 유체를 위한 통로 (49) 를 생성하는, 다운-더-홀 드릴링 조립체 (11).

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