JP7441238B2 - ドリルストリングロッド - Google Patents

Description

本発明は、打撃削岩用ドリルビットと共に使用するためのドリルストリングロッドに関する。具体的には、本発明は、そのようなドリルストリングロッドの信頼性および寿命を改善することに関する。

打撃掘削は、相互接続された雄ねじ端部および雌ねじ端部によって終端部で結合された複数の細長いドリルストリングロッドを介して長いボアホールを形成するために使用される。この確立された技術では、ドリルストリングの一端に取り付けられた削岩機ビットから打撃の衝撃をボアホールの底部の岩石に伝達することによって岩石を破壊する。通常、岩石を破壊するために必要なエネルギーは、ドリルストリングの端部に（シャンクアダプタを介して）接触する油圧駆動ピストンによって生成され、ドリルストリングを通って最終的に岩石に伝播する応力（または衝撃）波を生成する。従来の雄ねじおよび雌ねじ結合は、米国特許第４，３３２，５０２号明細書、米国特許第４，３９８，７５６号明細書、米国特許第４，６８７，３６８号明細書および独国特許第２８００８８７号明細書に記載されている。

隣接するドリルロッドの雄ねじ端部および雌ねじ端部は結合されてドリルストリングを形成し、継手は通常、掘削中に大きな力を受ける。この力は、継手を疲労させ、継手のねじ部分内の摩耗および破損をもたらす。通常、ねじ付き雄スピゴットの損傷により、結合部の動作寿命が左右される。米国特許第６，７６７，１５６号明細書は、確実な結合を達成し、ねじ山の損傷を防止する試みにおいて、雄部分および雌部分の軸方向先端に設けられた円錐形の案内面を有する２つの打撃ドリルロッド間のねじ継手を開示している。

本出願人による欧州特許第２８４５９９２号明細書は、上述の欠点を軽減することを目的としている。

今日における削岩では、より大きな穴の削孔が要求されてきている。したがって、直径１３０ｍｍ以上のドリルビットのような、大きなドリルビットを扱うことができるドリルストリングを提供することが求められている。従来のドリルストリングロッドは、比較的大きなドリルビットには弱すぎて、スピゴットまたはスリーブ部分で亀裂が生じる傾向があり、スピゴット／スリーブ部分のねじ山が摩耗するまで使用することはできないため、従来のドリルストリングロッドを単にアップスケーリングするだけでは選択肢にならないことが示されている。

したがって、ドリル切削の効率的なフラッシングが依然として可能でありながら、信頼性および寿命が改善された大型のドリルストリングロッドが必要とされている。

本発明の目的は、ドリルストリングロッドの信頼性および寿命が改善された、通常よりも大きい打撃ドリルビットの使用を可能にするドリルストリングロッドを提供することである。本発明の第１の態様によれば、この目的は、添付の独立請求項１に定義される本発明のドリルストリングロッドによって達成され、代替の実施形態は従属請求項に定義される。ドリルストリングロッドは、そのようなドリルストリングロッドが接続されたアセンブリの一部を形成する。ドリルストリングロッドは、雄端部と雌端部との間で軸方向に延在する細長い中央ロッド部分を備える。中央ロッド部分は、内側の第１の直径（ｄ_ｒｏｄ）および外側の第２の直径（Ｄ_ｒｏｄ）によって画定される中空円筒形である。雄端部はスピゴットを備え、スピゴットは、スピゴットと中央ロッド部分とを軸方向に分離する肩部から軸方向に突出する基部を備える。雌端部は、スピゴットに嵌合するように構成されたスリーブ部分を備える。また、基部には外ねじが設けられ、スリーブ部分には内ねじが設けられ、内ねじは外ねじに対応して、スリーブ部分の内ねじが、アセンブリの別のドリルストリングロッドのスピゴットの基部の外ねじに取付可能になっている。ドリルストリングロッドの長手方向軸に対する径方向平面において、スピゴットの基部は、外側の第３の直径（Ｄ_{ｓｐｉｇｏｔ}）および内側の第４の直径（ｄ_{ｓｐｉｇｏｔ}）によって画定され、スリーブ部分は、外側の第５の直径（Ｄ_{ｓｌｅｅｖｅ}）および内側の第６の直径（ｄ_{ｓｌｅｅｖｅ}）によって画定される。本発明は、６０ｍｍより大きい外側の第２の直径（Ｄ_ｒｏｄ）を有するドリルストリングロッドに限定される。したがって、比較的大きく、重い打撃ドリルビットでの使用に適している。Ｃ_{ｓｌｅｅｖｅ}およびＣ_{ｓｐｉｇｏｔ}は、ドリルストリングロッドの直径に対して以下の式によって定義される関係にある。

Ｃ_{ｓｌｅｅｖｅ}は２．３１より大きくあるべき、またはＣ_{ｓｐｉｇｏｔ}は０．６８より大きくあるべきである。

ドリルストリングロッドおよびその使用は当技術分野において公知であるが、６０ｍｍより大きい外径Ｄ_ｒｏｄを有するドリルストリングロッドは一般的ではない。これらの比較的大きなドリルストリングロッドは非常に堅牢であり、より大きな削岩機ビットに適している。６０ｍｍより小さいロッド直径を有する通常のドリルストリングロッドでは、材料破損がなく、スピゴットおよびスリーブ部分のねじ山が摩耗したときにのみ廃棄および交換される傾向があるが、より大きい直径のドリルロッドは、スリーブ部分またはスピゴットの亀裂によって破損する傾向がある。製品の厚さを増加させるだけで亀裂の形成を抑制することは、ドリルロッドの他の部分を弱めるか、またはフラッシング流体およびドリルカッティングの移動のために利用可能な空間を減少させてしまうため、一般に成功しない。当業者は、直径を自由に選択することができないことを理解している。例えば、スピゴットの外径は、当然ながらスリーブ部分の内径によって制限される。また、スリーブ部分の外径は、典型的には、穿孔されるボアの大きさ、およびスリーブ部分とボアの内壁との間のスリーブ部分を越えてドリルカッティングを洗い流すための十分な空間の要件によって制限される。同様に、スピゴットの内径は、フラッシング流体がドリルストリングロッドを通って圧送され得る速度を制限するため、小さすぎてはならない。これらの大径ドリルストリングロッドの設計では、諸々の点を両立させることは明らかに困難であり、本発明は、当業者に、持続的なフラッシング性能を有するドリルストリングロッドにおける材料破損のリスクを低減することを可能にするパラメータの組み合わせの選択を案内する。この問題を解決することは、意外にも困難であることが示されている。

本発明の発明者らは、ドリルストリングロッドの故障が、中央ロッド部分の剛性の増加と、岩石の比較的硬い層または亀裂によって引き起こされるドリルストリングの強制屈曲との組み合わせに起因することを認識した。ドリルストリングロッドの曲げは、ロッドが回転している間に発生し、それにより、曲げに起因する追加の応力と、曲げ状態でのボア内のロッドの回転によって引き起こされる曲げ軸の一定の変化に起因する疲労との両方を生じる。

提案される解決策は、スピゴットおよびスリーブ部分の計算された最大曲げ応力がそれぞれ中央ロッド部分の計算された最大曲げ応力に関連付けられるように、スピゴットおよびスリーブ部分を寸法決めすることである。しかしながら、発明者らは、スリーブ部分およびスピゴットのそれぞれの計算された最大応力は、中央ロッド部分の計算された最大曲げ応力に等しくすべきではなく、むしろ、例えば、ドリルストリングロッドの製造時の不均一な硬化および／または機械加工により生じ得る局所的な材料変動に起因して生じる一般的な強度の差のために、それぞれ係数Ｃ_{ｓｌｅｅｖｅ}またはＣ_{ｓｐｉｇｏｔ}が乗算された中央ロッド部分の計算された最大曲げ応力に関連付けられるべきことを認識した。

いくつかの実施形態では、Ｃ_{ｓｌｅｅｖｅ}＞２．３１およびＣ_{ｓｐｉｇｏｔ}＞０．６８である。この第１、第２、第３、第４、第５、および第６の直径のバランスは、ドリルストリングロッドの高い信頼性および寿命を提供する。

いくつかの実施形態では、スピゴットの基部は円錐形である。

いくつかの実施形態では、スピゴットの基部は円筒形である。

いくつかの実施形態では、第１の直径（ｄ_ｒｏｄ）は５０ｍｍであり、第２の直径（Ｄ_ｒｏｄ）は８０．５ｍｍであり、第３の直径（Ｄ_{ｓｐｉｇｏｔ}）は８２ｍｍであり、第４の直径（ｄ_{ｓｐｉｇｏｔ}）は５０ｍｍであり、第５の直径は（Ｄ_{ｓｌｅｅｖｅ}）は１２０ｍｍであり、第６の直径（ｄ_{ｓｌｅｅｖｅ}）は９１．２ｍｍである。

いくつかの実施形態では、ドリルストリングロッドは、外側の第７の直径（Ｄ_ｈｏｌｅ）を有するドリルビットと共に使用するのに適しており、第５の直径は、＜０．９０*第７の直径（Ｄ_ｈｏｌｅ）である。

さらなる態様は、上述の第１の態様による複数のドリルストリングロッドを備えるシステムに関する。

いくつかの実施形態では、システムのドリルストリングロッドは、外側の第７の直径（Ｄ_ｈｏｌｅ）を有するドリルビットと共に使用するのに適した上述のタイプのものであり、第５の直径は、＜０．９０*第７の直径（Ｄ_ｈｏｌｅ）であり、システムはドリルビットをさらに備える。

孔とスリーブ部分の外径との間の直径の差は、スリーブ部分を超えるドリルカッティングの効率的なフラッシングを可能にし、一方で、関連する力に対処することができる堅牢なドリルストリングロッドを提供する。

いくつかの実施形態では、第７の直径は＞１３０ｍｍである。６０ｍｍを超える第２の直径を有するドリルストリングロッドは、そのような大径ドリルビットに適しており、Ｃ_{ｓｌｅｅｖｅ}およびＣ_{ｓｐｉｇｏｔ}によって規定されるドリルストリングロッドの関与する直径の特定の制約は、堅牢なドリルシステムを提供する。

接続された２つの同一のドリルストリングロッドの斜視図である。 図１に示すドリルストリングロッドの雄端部の拡大斜視図Ａを示す。 他方のドリルストリングロッドの雄端部に接続された、図１に示すドリルストリングロッドの雌端部の拡大斜視図Ｂを示す。 同じく図１に示す接続された２つのドリルストリングロッドのスリーブ部分およびスピゴットの断面側面図を示し、上記断面はドリルストリングロッドの長手方向中心軸を通る平面で取られている。

本発明の第１の実施形態を図１～図４に示す。図に示すように、複数の同一のドリルストリングロッド１、１ｂを接続して、システム／アセンブリ１０を形成することができる。ドリルストリングロッド１は、雄端部３と雌端部４との間で軸方向に延在する細長い中央ロッド部分２を備える。図４に示すように、中央ロッド部分２は、内側の第１の直径ｄ_ｒｏｄと外側の第２の直径のＤ_ｒｏｄとによって画定される中空円筒形である。雄端部３はスピゴット５を備え、スピゴット５は、スピゴット５と中央ロッド部分２とを軸方向に分離する肩部７から軸方向に突出する基部６を備える。雌端部４は、スピゴット５に嵌合するように構成されたスリーブ／スリーブ部分８を備える。基部６には外ねじが設けられ、スリーブ部分８には内ねじが設けられており、内ねじは外ねじに対応して、スリーブ部分８の内ねじが、アセンブリの別のドリルストリングロッドのスピゴット５の基部６の外ねじに取付可能になっている。ドリルストリングロッドの長手方向軸に対する径方向平面Ｐにおいて、スピゴット５の基部６は、外側の第３の直径（Ｄ_{ｓｐｉｇｏｔ}）および内側の第４の直径（ｄ_{ｓｐｉｇｏｔ}）によって画定され、スリーブ部分８は、外側の第５の直径（Ｄ_{ｓｌｅｅｖｅ}）および内側の第６の直径（ｄ_{ｓｌｅｅｖｅ}）によって画定される。図４では、Ｄ_{ｓｐｉｇｏｔ}およびｄ_{ｓｌｅｅｖｅ}は両方とも同じ矢印に関連して言及されているが、実際には直径はわずかに異なり、ｄ_{ｓｌｅｅｖｅ}はＤ_{ｓｐｉｇｏｔ}よりも大きいことに留意されたい。図面の縮尺は、直径の差を別々の矢印を使用して図４に示すことができないようなものである。直径は、スピゴットおよびスリーブ部分の長さに沿ってそれぞれ変化してもよいが、必要に応じてスピゴットおよびスリーブ部分の両方を通る径方向平面Ｐが、直径間の関係を明確に定義するために使用される。本発明は、下記の外径を有するドリルストリングロッドに限定される。

６０ｍｍより大きい、そのため１３０ｍｍより大きい直径を有する比較的大きなドリルビットなどの、比較的重い打撃ドリルビットでの使用に適している。したがって、第２の直径（Ｄ_ｒｏｄ）は＞６０ｍｍである。Ｃ_{ｓｌｅｅｖｅ}およびＣ_{ｓｐｉｇｏｔ}は、以下の式を使用して、ドリルストリングロッドの直径から導出可能である／ドリルストリングロッドの直径に関連する。

これらの式は、現在の関連する断面形状の良好な近似を提供する中空円筒ビーム／本体の断面係数の計算に由来する。具体的には、中空円筒断面の断面係数方程式は、以下の通りである。

我々の仮定は以下の通りである。

同様に、Ｓ_{ｓｌｅｅｖｅ}＝Ｃ_{ｓｌｅｅｖｅ}＊Ｓ_ｒｏｄ→

この実施形態では、第１の直径ｄ_ｒｏｄは５０ｍｍであり、第２の直径Ｄ_ｒｏｄは８０．５ｍｍであり、第３の直径Ｄ_{ｓｐｉｇｏｔ}は８２ｍｍであり、第４の直径ｄ_{ｓｐｉｇｏｔ}は５０ｍｍであり、第５の直径Ｄ_{ｓｌｅｅｖｅ}は１２０ｍｍであり、第６の直径ｄ_{ｓｌｅｅｖｅ}は９１．２ｍｍである。

ドリルストリングロッド１、１ｂのこの実施形態は、１４０、１５２、１６５、１７２または１７８ｍｍの指定された直径（ドリルインサートを含まない直径）を有するドリルビット（図示せず）と共に使用するために適している。ドリルビットが半径方向に突出するため、穿孔された孔の実際の直径はわずかに大きい。他の実施形態では、中央ロッド部分２の外径を画定する第２の直径Ｄ_ｒｏｄが少なくとも６０ｍｍであるという上記の制約を満たし、他の直径が、Ｃ_{ｓｌｅｅｖｅ}が２．３１より大きい、またはＣ_{ｓｐｉｇｏｔ}が０．６８より大きいという制約を満たす限り、第１から第６の直径は異なって選択されてもよい。好ましくは、Ｃ_{ｓｌｅｅｖｅ}は２．３１より大きい、およびＣ_{ｓｐｉｇｏｔ}は０．６８より大きい。

ドリルストリングロッドは、鋼などの適切な材料で作られ、必要に応じて硬化される。

ドリルストリングロッド１、１ｂは、使用されるドリルビットのサイズに基づいて寸法決めされる。しかしながら、ドリルカッティングがスリーブ部分８を越えて洗い流されるのに十分な空間をスリーブ部分８の周りに提供するように注意しなければならない。このために、ドリルストリングロッド１、１ｂは、いくつかの実施形態では、外側の第７の直径Ｄ_ｈｏｌｅを有するドリルビットと共に使用するのに適しており、その際スリーブ部分８の外側の第５の直径Ｄ_{ｓｌｅｅｖｅ}は、０．９０*第７の直径Ｄ_ｈｏｌｅ未満である。

複数の同一のドリルストリングロッド１、１ｂを、ドリルストリングロッド１、１ｂのシステム／アセンブリ１０の一部として共に設けることができる。システム１０は、代替的にドリルビットを備えてもよい。システム１０のドリルストリングロッド１、１ｂは、外側の第７の直径Ｄ_ｈｏｌｅを有することができ、その際第５の直径は＜０．９０*第７の直径Ｄ_ｈｏｌｅであり、システムはドリルビットをさらに備える。

孔とスリーブ部分８の外側の第５の直径Ｄ_{ｓｌｅｅｖｅ}との間の直径の差は、関連する力に対処することができる堅牢なドリルストリングロッド１、１ｂを提供しながら、スリーブ部分８を越えるドリルカッティングの効率的なフラッシングを可能にする。

いくつかの実施形態では、第７の直径Ｄ_ｈｏｌｅは１３０ｍｍ以上であってもよい。上述のように、本発明のドリルストリングロッドはすべて、６０ｍｍを超える第２の直径を有し、そのような大直径ドリルビットに適している。Ｃ_{ｓｌｅｅｖｅ}およびＣ_{ｓｐｉｇｏｔ}による直径の指定された制約によって、堅牢なシステム／アセンブリ１０が提供される。

Claims (7)

1. 接続されたドリルストリングロッド（１、１ｂ）のアセンブリ（１０）の一部を形成するためのドリルストリングロッド（１）であって、前記ドリルストリングロッド（１）が、
   雄端部（３）と雌端部（４）との間で軸方向に延びる細長い中央ロッド部分（２）を備え、
   前記中央ロッド部分（２）が、内側の第１の直径（ｄ_ｒｏｄ）および外側の第２の直径（Ｄ_ｒｏｄ）によって定義される中空円筒形であり、
   前記雄端部（３）がスピゴット（５）を備え、
   前記スピゴット（５）が、前記スピゴット（５）と前記中央ロッド部分（２）とを軸方向に分離する肩部（７）から軸方向に突出する基部（６）を含み、
   前記雌端部（４）が、前記スピゴット（５）に適合するように構成されたスリーブ部分（８）を備え、
   前記基部（６）に外ねじが設けられており、前記スリーブ部分（８）には内ねじが備えられており、
   前記内ねじが前記外ねじに対応して、前記スリーブ部分（８）の前記内ねじが、前記アセンブリ（１０）の別のドリルストリングロッド（１ｂ）の前記スピゴット（５）の前記基部（６）の前記外ねじに取付可能であり、前記スリーブ部分（８）の前記内ねじと前記基部（６）の前記外ねじの間の接続部は円筒形であり、
   前記ドリルストリングロッド（１）の長手方向軸（９）に対する径方向平面（Ｐ）で、前記スピゴット（５）の前記基部（６）が、外側の第３の直径（Ｄ_{ｓｐｉｇｏｔ}）および内側の第４の直径（ｄ_{ｓｐｉｇｏｔ}）によって定義され、前記スリーブ部分（８）が、外側の第５の直径（Ｄ_{ｓｌｅｅｖｅ}）および内側の第６の直径（ｄ_{ｓｌｅｅｖｅ}）によって定義され、前記第２の直径（Ｄ_ｒｏｄ）＞６０ｍｍであり、前記スリーブ部分の外側の直径の関係（Ｃ _{ｓｌｅｅｖｅ} ）とスピゴットの外側の直径の関係（Ｃ _{ｓｐｉｇｏｔ} ）は次のように定義され、
   

   

   
   

   

   また、Ｃ_{ｓｌｅｅｖｅ}＞２．３１、またはＣ_{ｓｐｉｇｏｔ}＞０．６８であり、前記径方向平面（Ｐ）は、前記接続部の全長に沿って前記スピゴットと前記スリーブ部分の両方を貫通して延び、前記スリーブ部分の外側の直径の関係（Ｃ _{ｓｌｅｅｖｅ} ）とスピゴットの外側の直径の関係（Ｃ _{ｓｐｉｇｏｔ} ）を規定する、ドリルストリングロッド（１）。
2. Ｃ_{ｓｌｅｅｖｅ}＞２．３１およびＣ_{ｓｐｉｇｏｔ}＞０．６８である、請求項１に記載のドリルストリングロッド（１）。
3. 前記第１の直径（ｄ_ｒｏｄ）が５０ｍｍであり、前記第２の直径（Ｄ_ｒｏｄ）が８０．５ｍｍであり、前記第３の直径（Ｄ_{ｓｐｉｇｏｔ}）が８２ｍｍであり、前記第４の直径（ｄ_{ｓｐｉｇｏｔ}）が５０ｍｍであり、前記第５の直径（Ｄ_{ｓｌｅｅｖｅ}）が１２０ｍｍであり、前記第６の直径（ｄ_{ｓｌｅｅｖｅ}）が９１．２ｍｍである、請求項１に記載のドリルストリングロッド（１）。
4. 前記ドリルストリングロッド（１）が、外側の第７の直径（Ｄ_ｈｏｌｅ）を有するドリルビットと共に使用するのに適しており、前記第５の直径（Ｄ_{ｓｌｅｅｖｅ}）が、＜０．９０*前記第７の直径（Ｄ_ｈｏｌｅ）である、請求項１から３のいずれか一項に記載のドリルストリングロッド（１）。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の複数のドリルストリングロッド（１、１ｂ）を備えるシステム（１０）。
6. 前記システム（１０）が前記ドリルビットを備える、請求項４に従属する場合の請求項５に記載のシステム（１０）。
7. 前記第７の直径（Ｄ_ｈｏｌｅ）が、１３０ｍｍ以上、例えば１４０、１５２、１６５、１７２または１７８ｍｍである、請求項６に記載のシステム（１０）。

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