JPS59501869A - 回転ドリル・ビット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 回転ドリル・ビット 本発明は、回転ドリル・ビット、特に、岩屑あるいは地層に孔を穿ち、たとえば 、オイル、ガスまたは水を抽出したり、鉱石を採掘したり、コアを除去するのに 使用するビットに関する。

ドリル中ビットというのは、ドリル・ストリングに連結した手段を有するビット 本体と、前方ビット面と、後方ゲージ部とを包含する。ビットの前方面には、多 結晶ダイヤモンド成形体のような掘削要素が設けてあり、これらの掘削要素は「 ブレード」と呼ばれる壁部の前縁に列をなして配置されている。ビットの面は、 流体の流れを制御するいわゆるフェンスも支持しており、好ましくは、ビットを 孔内で中央位置決めするいわゆるキツカーを有する。ドリル・マッドのような流 体はドリル・ストリングや本体にある中央孔を流下し、流路や開口部を通ってブ レードまたはフェンスあるいは両方とキツカーとの間にある流体チャンネルに流 入し、掘削要素を通過してゲージ部のキツカー間にあるジャンク・スロットに流 れ上り、カッティングやチッピングを運び去ると共に穿孔しつつある層を冷却す る。この形式の公知のドリル・ビ′ットでは、流路は、通常、ビット面の中央部 にある開口に通じており、ビットの中央から延びる多くの流体チャンネルが設け であるのが普通である。全掘削要素の近辺からカッティングや熱を取去るには、 充分な流体チャンネルあるいは水路が必要である。

代表的な設計では、掘削要素はブレードの前縁°に配列してあり、各ブレードの 前に流体チャンネルが設けである。設計によって異なるが、３ないし３０個のブ レードと同じ数の流体チャンネルが設けられる。

成る主の岩屑では、そのカッティングによってチャンネルが詰まる傾向があり、 １つのチャンネルが詰まると、それに対応した掘削要素が冷却、清掃されず、流 体の全流れが残りにチャンネルに流れる。これは全開口部での圧力を成る程度上 昇させることになるが、この圧力上昇では詰まったチャンネルを開通させるには 不充分であり、その結果、そのチャンネルに対応したカッターが過熱あるいは閉 塞またはこれら両方の状態となり、実質的になんの役にも立たなくなる。この閉 塞状態は孔の底と掘削要素の間にバリヤを形成し、ドリル中ビットの侵入を妨げ たり、その侵入速度を遅らせたりする。この問題は、特に、ドリル・ビットを用 い、水ベースの穿孔流体の使用の下に成る主の粘土岩や泥板岩に穿孔するときに 大きい。

この問題に対する１つの解答は、流体チャンネルを相互に隔離し、絞った断面積 の１つまたはそれ以上の開口あるいはノズルを通してそれぞれ流体を送ることで ある。ノズルの断面積は、共通の孔と流体チャノ尋ルの間の差圧が充分に大きく なってチャンネル内に蓄積したカッティングを排除し、閉塞を防ぐように選ばれ る。これらの特徴を持つビットの例が、米国特許第２．３７１，４８９号、同２ ，３７１．４９０号、同３．１１２，８０３号ならびにフランス国特許第１゜２ ６５．９４３号に示しである。コンパクトな設計で充分な掘削要素を与えるには 、多くのブレードを必要とする。たとえ必要な掘削要素のすべてが３つあるいは ４つのブレードに納められ得るとしても、流体チャンネルが急激に分岐し、これ は流速が縁に向って低下することを意味する。これを補正するには、フェンスを 使用するが、死角が生じ、ビット使用時に冷却されないところか生じる。これら の理由のために、５つ以上のブレードを用いることが好ましい。簡単な設計によ れば、各ブレードの前に１つの流体チャンネルがあり、ノズルの数かブレードお 数よりも少なくなるはずがない。多くの開口またはノズルのところでの圧力低下 か適切であるためには、各開口あるいはノズルが小さくなければならず、これは 開口そのもののいくつかが詰まる危険を招く。

本発明の目的は、ブレードあるいはフェン、スの数を不要に減らすことなく開口 部の数を最小限に保つと同時に、清掃、冷却の目的に適った流体流の分布を行な えるドリル中ビット本体を提供することにある。

本発明の別の目的は、ビット面の中央部にカッターの支持構造を設け、これが大 きな開口部あるいはノズルで中断されることのないドリル・ビットを提供するこ とにある。

本発明は、開口部および壁部を適切に設ける。ことによって、流体の少なくとも 一部を、ゲージ部を経て流出する前にビットの中心軸線に向う単一の流路内を流 れるように方向付けることができるという認識に基礎を置く。

本発明によれば、地層に使用する回転ドリル・ビットであって、中央孔、前方面 および後方ゲージ部を有するビット本体と、ビット面を流体チャンネルに分割し ているピント壁と、壁の少なくともいくつかに設けた掘削要素と、中央孔を流体 チャンネルの開口に接続している流路とを包含し、流体チャンネルが、流体のほ とんどを開口から単一流路内で掘削要素を通し、ケージ部近傍まで流すように配 置しである回転ドリル・ピントにおいて、少なくとも２つの壁部が１つの開口に 対して配置してあり、そこから流出する流体がゲージ部に流れる前にビットの中 心軸線に向って移動するように方向付けられることを特徴とする回転ドリル・ビ ットを得ることができる。

好ましくは、開口の大部分はビットの周面付近に位置し、流体チャンネルはこれ らの開口からまずビットの中心軸線に向い、そこから外方に向ってジャンクφス ロットに通る。好ましくは、これらの開口は充分に少なく、小さくてｌＯないし ２００気圧の圧力低下を与える。こうして、１つの流体チャンネルが部分的に詰 まっても、その流体チャンネル内での流体の絞り作用が対応する開口前後の圧力 低下を減らし、それに応じた圧力増加をこの部分的な閉塞を除去するのに利用で きる。開口前後の高い圧力低下は出口速度を高めるばかりか、流体チャンネル間 の流れ分布の体積率を安定化させるにも役立つ。

実際には、ノズルから流出する流体の大部分は指定方向に流れるように方向付け られる。本発明のもっと好ましい特徴では、この方向は、ブレードを設けること によって、流れを方向付けるような配置にフェンスを設けるように決定される。

たとえば、ブレードとブレードの間あるいはブレードとフェンスの間もしくはこ れら両方の位置にギャップを設けてもよい。補助ノズルを設けて一般的に、ある いは特別の位置で流れを増大させるように設けてもよい。本発明の利点は、ノズ ルから流出する流体の大部分が単一流路に沿って移動するようになっている場合 には流体の成る程度の漏洩は許されるということにある。

ビット面の中央部にある掘削要素は、本発明により主到達開口がこの中央部に必 要ないので、非常に強く装着することができる。流体の成る部分はチャンネルの 形状、寸法により、中央部の掘削要素を通り、それを洗浄、冷却することになる 。中央部には補助開口を設けてもよいが、それを小さくして充分なスペースを残 し、掘削要素のための強い支えを形成する。

ビット面の掘削要素はその周辺部分と整合していてもよいので、各掘削要素付近 の流体の流れはその掘削要素の面にほぼ平行な方向に流れ、カッティングを洗い 流すことができる。これは、ヨーロッパ特許出願第８１．３０００６４．３号、 公報番号第９，０３２゜７９１Ａ号に記載されているビット以上の利点がある。

開口またはノズルは、通常、ビット本体の中央孔からの流路よりも直径が小さく なる。しかしながら、本発明は、流路そのものがかなり小さい断面積を持ってい て流れを制御するか、あるいは、チョークまたはレストリフタがこの流路内に存 在するビットを包含する。

掘削要素は公知の材料で作ってもよく、多結晶ダイヤモンド成形体を使用すると 好ましい。掘削要素は、通常、ブレードの前縁に装着される。ビット本体は、浸 透タングステン・カーバイド・マトリックス、鋼、タングステン・カーバイド被 覆の鋼を含む広範囲の材料の１つまたはそれ以上の材料で作ることができる。

２つまたはそれ以上のインバウンド流体チャンネルをつないで１つの共通のアウ トバウンドｅチャンネルに供給し、２つまたはそれ以上の開口の各々からの単一 の障害のない流路を構成する。

本発明の１つの重要な利点は、ブレードめ数に比例して開口の数を減らすことが できるということにある。これにより、より大きな開口を使用でき、開口そのも のでの閉塞の発生を減らすことができる。別の特徴としては、ノズルを交換でき るということである。

本発明のまた別の特徴は、流体の流れが、ピントをリーニング・モードで使用し ているときにでも、岩屑およびカッターを冷却するようにできるということにあ る。多結晶ダイヤモンド成形体を含む掘削要素を持つピントは、摩耗したときと か、ゲージ・ロック・ビットを使用して穿孔を行なう前に数十メートルの孔をリ ーニングする場合に必要となる。中心軸内付近で循環を行なわせるための開口を 有する、穿孔用（リーニング用ではない）のビットは、時に、リーニング作業中 に外側掘削要素が過熱することかある。これは、この状態でのケージでのマット 流速が小さいからである。本発明のビットにはこの欠陥はない。ピント外周付近 に設けた開口が周辺に穿孔流体の高速乱流を発生させ、外側カンタ−およびその 周囲の地層を効果的に冷却するからである。

本発明をより良く理解してもらうべく、以下、添付図面を参照しながら実施例に ついて説明する。

添付図面において、 第１図は本発明のビットの正面図である。

第２図は第１図のＩＩ　−ＩＩ線に沿った縦断面図である。

第３図から第１４図までは本発明の範囲に入る′すべての他のビットの正面図で ある。

第１５図は本発明の別のビットの縦断面図である。

８１６図は＄１５図ノＸＶ　Ｉ　−ＸＶ　Ｉ線に沿ツタ断面図である。

可能な限り、異なった実施例での同じ部分を示すのに同じ参照符号を使用してい る。

第１．２図の回転ビット本体は、前方ビット端面１と、ドリル・ストリング（図 示せず）に連結するようになっている後方端部２とを包含する。中間部には３゛ つのキツカー３を有するゲージ部が設けである。連結部２を貫いて孔４が設けて あり、この孔はビット内側で終っている。比較的直径の小さい多数の流路５が孔 ４からビット面の縁すなわち周面まで延びており、ここのところで出口ノズル６ となる。第２図に示すように、このようなノズル６が３つ設けてあり、これらの ノズルはビット端面の円周方向に隔たっている。多数のブレード７がビット端面 １上に設けてあり、第２図に示すように、このようなブレード７は、１つのノズ ルあたり２つずつ合計６つ設けである。ブレードのうち３つのもの７Ａは出口か らピント端面の中心輪線に向って半径方向に延びており、中心点に到達する直前 で終っている。残りの３つのブレード７Ｂａ各対のブレード７Ａ間に位置し、中 心点で合流している。各々が多結晶ダイヤモンド成形体を有する掘削要素Ｃが各 ブレードの片側に列状に装着してあって掘削刃を形成している。ピント端面１か らキツカー３を通って上方に３つのジャンク・スロット８が延びており、これら のスロットはブレード７Ａの隣接ノズル６と反対の側に設けである。ブレード７ Ａが中心点でブレード７Ｂと合流する寸前で終っているので、ここにはギャップ Ｇが形成される。使用にあたって、穿孔マッドは孔を下方に圧送され、流路に沿 って流れ、各ノズル６を通って流出する。ビットが回転するにつれて、各ブレー ドの掘削要素Ｃは層を切削あるいは研摩してチッピング（図示せず）を発生させ る。各ノズルからの穿孔マットは隣接キャップＧを通って隣接ブレード７Ａの掘 削要素を通過し、隣接ブレード７Ｂの掘削要素を通過し、そこからジャンク・ス ロット８を上昇するようにブレードの構成するチャンネル内を流れる。これは図 に矢印で示しである。チッピングは、こうして、効果的に除去され、層も冷却さ れる。壁部分７Ａ、７Ｂはノズル６に対して、穿孔マッドがゲージ部に流れる前 にビットの中心軸線に向って流れるように配置される。各ノズルからのマ・ソド は２組の掘削要素を清掃するように作用する。マッドは単一の分岐無し流路内を 流れ、流路に閉塞が生じた場合には、流体の逃げ道がなくなり、その結果、流体 の圧力が高まってこの閉塞状態を除去するようになる。

第３図のビットでは、４つの出口ノズル６が設けてあり、前部で８つのブレード ７がある。ブレード７Ｂは中心点で合流し、充分な支持′を受ける。もちろん、 孔４がそこから出る場合にはこの支持は不可能となる。これはビットの設計、製 作、強度の点で多くの利点を与える。ブレード７Ｃは、フェンスＦによってブレ ード７Ｂに結合されている。フェンスＦはチャンネルを分離し、強度を高める。

第４図のビットでは、３つのノズル出口６があるが、壁部は全部で１２ある。ブ レードはブレード７Ｄを除いてすべてキツカー８をついないでおり、ブレード７ Ｄにはチャンネル１０．１１を接続するギヤ・ンプを通ってノズル６からジャン ク・スロット８に至る単一の流路が形成される。このビットは１ノズルあたり４ つのブレードを有し、大直径°のビット、たとえば、４４ｃｍより大きい直径の ビットに有効である。

第５図のビットでは、ノズル出口６が４つであり、壁部は６つである。矢印で示 すように、マッドが２つの出口６から１つのジャンク・スロット８に流入するよ うに配置してあり、流速を高め、清掃、冷却効果を向上させ得る。

第６図の実施例において、補助ノズル６Ａが設けてあり、第２組の掘削要素に対 する清掃作用を強め、ギヤツブＧ内の補助穿孔マッドを解放する。

第７図の実施例において、マッドの流れは、ジャンク・スロット８を通って流出 する前に４組の掘削要素を流れるようになっている。ブレード７Ｄはキツカーに 到達せず、フェンスＦによって中心のところでつながっている。

第８図の実施例では、ノズル開口６はビット端面の中心部にあり、流体は中心軸 線から流れる方向に流れ、ゲージ部に流入する前に中心軸線に向って流れるよう に方向付けられる。

第９図の実施例では、ジャンク・スロット８は３つである。ノズル６Ｂの場合、 マッドは一組の掘削要素のみを清掃し、それから対面するジャンク・スロット８ に流れる。他の出口ノズル６の場合、マッドは２組の掘削要素を通る。フェンス Ｆはブレード７Ａの前で流速を高めるように設けである。

第１０図の実施例では、フェンスＦ１がブレード７Ａの前でマントの流速を高め る。フェンスＦはブレード７Ａをブレード７Ｂにつなぎ、ノズル６Ａからの流路 をノズル６Ｂからの流路から分離する。

第１１図の実施例においては、フェンスＦ１はジャンク・スロット８に隣接して 設けてあり、マヅドの流れを出口ノズル６から掘削要素を通して流すようになっ ている。出口ノズル６は、さもなければ、中心軸線にもっと近い位置に置く必要 があろう。

第１２図の実施例では、フェンスＦは出口付近からジャンク・スロットまで延び 、より障害のな、しν流路を構成している。第１３図の実施例では、ブレードは 湾曲しており、掘削要素が非ゼロサイド・レーキ角を持った向きとなり、しかも 、周辺部分との相互の整合状態のままとなっているということを可能としている 。

第１４図の実施例では、非互換性の中心ノズル６Ｃが小さくて、中火のカッター を清掃し、主ノズル６からの流れを合流させる。ここで注意すべきなのは、ノズ ル６Ｃからの流体が分かれる傾向があるということである。このビットはブレー ド７Ａ間に断面積の小さい漏洩路を包含する。

第１５．１６図に示す実施例では、ビットはその表面にレストリフタ１３を包含 し、このレストリフタの絞り横断面積はビット本体の一部で一部を構成され、穿 孔しつつある岩屑によって他の部分を構成されている。

国際調査報告

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．　中央孔を有するビット本体であって、前方面と後方ゲージ部とを有するビ ット本体と、前方面を流体チャンネルに分割しているビット壁と、これらのビッ ト壁の少なくともいくつかに設けた掘削要素と、前記中央孔を流体チャンネルの 開口に接続する流路とを包含し、前記チャンネルが、単一流路内で１つ開口か゛ らの流体の大部分を掘削要素を通してゲージ部付近まで流すように配置しである 、地層に使用する回転ビットにおいて、少なくとも２つの壁部が１つの開口に対 して配置してあって、そこからの流体がゲージ部に入る前にビットの中心軸線に 向って流れるように方向付けられることを特徴とする回転ビット。 ２、　請求の範囲第１項記載の回転ビットにおいて、開口の大部分がビットの周 面ん付近に設けてあり、流体チャンネルがこれらの開口から、まず、ビットの中 心軸線に向い、そこから次に月面外方にジャンク・スロットまで延びていること を特徴とする回転ビット。 ３、　請求の範囲８１項または第２項に記載の回転ビットにおいて、開口の数お よび寸法が、１０なシ）シ２００気圧の圧力低下を生じさせるように選定しであ ることを特徴とする回転ビット。 ４、　請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１つの項記載の回転ビットに おいて、前記壁部が前記掘削要素が装着しであるブレードあるいはこれらブレー ドから隔たったフェンスまたは両方によって形成されていることを特徴とする回 転ビット。 ５、　請求の範囲第１項から第４項までのいずれか１つの項に記載の回転ビット において、ビットの中心軸線付近において流体チャンネルに補助開口が設けであ ることを特徴とする回転ビット。 ６、　請求の範囲第１項から第５項までのいずれか１つの項に記載の回転ビット において、ビット面の掘削要素がそれらの周辺部分と整合し、各掘削要素付近の 流体の流れが掘削要素の面に対してほぼ平行な方向となっていることを特徴とす る回転ビット。 ７、　請求の範囲第１項から第６項までのいずれか１つの項に記載の回転ビット において、前記中央孔から１つの開口までの各流路がチョークまたはレストリフ タを備えていて流体の流れを制御するようになっていることを特徴とする回転ビ ット。 ８、　請求の範囲第１項から第７項までのいずれか１つの項に記載の回転ビット において、掘削要素が多結晶ダイヤモンド成形体であることを特徴とする回転ビ ット。 ９、　請求の範囲第１項から第８項までのいずれか１つの項記載の回転ビットに おいて、２つまたはそれ以上のインバウンド流体チャンネルが２つまたはそれ以 上の開口からそれぞれビットの中心軸線に向って延びており、ビットの中心軸、 線から離れてビットのゲージ部に向う１つの共通のアウトバウンド中チャンネル に供給を行なうようになっていることを特徴とする回転ビット。 １０、実質的に添付図面の第１図から第１６図のい、ずれかに関連して先に説明 した、地層で使臣オる回転ビット。