JP2018076734A - 穿孔ビット、及び掘削装置 - Google Patents

Abstract

【課題】硬質な対象物であっても掘削障害を抑制して円滑に穿孔することができる穿孔ビット及び掘削装置を提供する。
【解決手段】穿孔ビット１０は、全体略円筒状の胴部１３と、胴部１３の前端部に設けられて対象物を穿孔する第一刃部１５と、胴部１３の中空内部に設けられた切削刃（第二刃部）１８と、を備え、第一刃部１５は、回転中心を除いて設けられ、回転中心には、胴部１３の内外を連通する貫通孔１６が設けられ、第一刃部１５によって対象物を穿孔しつつ前進する際に、貫通孔１６を通して胴部１３の内部に小径コアＣを取り込み、取り込んだ小径コアＣを切削刃１８によって切削して破壊する。
【選択図】図２

Description

本発明は、穿孔ビット、及び掘削装置に関するものである。

従来、ドリリングビットやドリルビット、切削ビット、掘削ビット等とも称される穿孔ビットが知られている。このような穿孔ビットとしては、例えば、地盤の掘削に利用されるものであって、掘削装置の先端に固定されるとともに、掘削装置によって回転駆動されることで、地盤を穿孔しながら掘進するものが一般的である。また、穿孔ビットは、その形態によって、円筒状の胴部の先端に環状の刃部が設けられたコアビットや、略円柱状の胴部の底面に刃部が設けられたノンコアビット、特殊な刃先形状を有したドラグビット（ドラッグビット）などがあり、用途に応じて使い分けられている。

コアビットは、環状の刃部によって岩盤等から円柱状のコア（岩のサンプル）を切り出し、このコアを採取するコア採取装置に利用されることがある。一方、ノンコアビットやドラグビットは、刃部によって胴部の全断面に相当する直径の地盤を破砕し、地盤に掘削孔を形成するものであって、例えば、油田や天然ガス田、温泉などの抗井掘削に利用される（例えば、特許文献１参照）。

このような各種の穿孔ビットでは、硬質な岩石をも穿孔する必要があることから、刃部として、超硬合金チップや多結晶ダイアモンド（ＰＤＣ）カッターなどが利用される。胴部（ボディ）としては、鋼製ボディや、鋼製の芯にタングステンカーバイドを焼結して被せたマトリクスボディなどが代表的であり、これらのボディにチップやカッターが埋め込まれて刃部が形成されている。

特表２０１３−５１７４００号公報

しかしながら、従来のノンコアビットやドラグビット等のように、ビット前端の略全面に設けられた刃部を対象物に押し付け、ビットの回転により対象物を穿孔しようとする場合、ビット周辺部は対象物に対して所定の切削速度で移動するものの、ビット中心部に向かうにしたがって切削速度がゼロに近づくことから、ビット周辺部と比較して中心部で切削能力が低下してしまう。特に、穿孔する対象物がビットの切削により中心部も破壊されるような岩石等ではなく、岩盤や鉱物、鉄筋コンクリート等であって非常に硬質なもの、あるいは金属構造物等の延性が大きいものの場合、ビット中心部では対象物を切削して破壊することができず、破壊されずに残った対象物が掘進抵抗となり、掘削不能となったり掘削時間が長期化したりビットが破損したりなどの掘削障害を引き起こす要因となっている。

本発明は、硬質な対象物であっても掘削障害を抑制して円滑に穿孔することができる穿孔ビット及び掘削装置を提供することを目的とする。

本発明の穿孔ビットは、掘削装置の先端に固定されるとともに該掘削装置の回転駆動によって対象物を穿孔する穿孔ビットであって、全体略円筒状の胴部と、前記胴部の前端部に設けられて対象物を穿孔する第一刃部と、前記胴部の中空内部に設けられた第二刃部と、を備え、前記第一刃部は、前記胴部の前端部のうち回転中心を除いて設けられ、該回転中心には、前記胴部の内外を連通する貫通孔が設けられ、前記第一刃部によって対象物を穿孔しつつ前進する際に、前記貫通孔を通して前記胴部の内部に対象物の小径コアを取り込み、取り込んだ前記小径コアを前記第二刃部によって破壊することを特徴とする。

以上の本発明によれば、穿孔ビットの前端部において、中心部（回転中心の近傍）の貫通孔を除く周辺部に第一刃部が設けられているので、穿孔ビットの回転に伴う第一刃部と対象物との切削速度がゼロになることがなく、第一刃部によって対象物を切削することができる。また、切削速度がゼロになる穿孔ビット前端の中心部では、第一刃部によって切削されなかった対象物が小径コアとなって残るが、この小径コアを貫通孔から胴部の内部に取り込み、取り込んだ小径コアを第二刃部によって破壊することで、穿孔を継続することができる。従って、穿孔ビットの中心部における切削残りによる掘進抵抗の増大を招くことなく、穿孔ビットの全断面において対象物を円滑に穿孔することができる。

この際、前記第二刃部は、前記回転中心を通る中心軸に沿って前記貫通孔に対向して設けられるとともに、前記小径コアを切削する切削刃を有して構成されていることが好ましい。

この構成によれば、貫通孔に対向した切削刃を有して第二刃部が構成されていることで、貫通孔から取り込んだ小径コアを切削刃に接触させることができ、切削刃によって小径コアを切削して破壊することができる。

また、前記第二刃部は、前記回転中心を通る中心軸上に傾斜して設けられるとともに、前記小径コアを折る切断刃を有して構成されていてもよい。

この構成によれば、中心軸上に傾斜して設けられた切断刃を有して第二刃部が構成されていることで、貫通孔から取り込んだ小径コアが切断刃に接触した際に斜め方向の力を作用させ、これにより小径コアを折って破壊することができる。なお、切断刃としては、小径コアを折って破壊するものであればよく、小径コアの先端部を切削してから折るものでもよいし、切削せずに単に折るものでもよい。

また、前記第二刃部は、前記回転中心を通る中心軸上に傾斜して設けられる硬質傾斜面と、該硬質傾斜面に当接させて曲げた前記小径コアを切削する切削刃と、を有して構成されていてもよい。

この構成によれば、中心軸上に傾斜して設けられた硬質傾斜面と、硬質傾斜面に当接させて曲げた小径コアを切削する切削刃と、を有して第二刃部が構成されていることで、延性を有して折れにくい対象物であっても、硬質傾斜面で曲げてから切削刃で切削して破壊することができる。

以上において、前記胴部には、前記第二刃部によって破壊された前記小径コアの細片を収容する収容部が設けられていることが好ましい。

この構成によれば、胴部の内部で破壊した小径コアの細片を収容部に収容することで、細片が穿孔ビットと対象物との間に入り込んで障害となることが防止でき、穿孔ビットの破損を抑制することができる。

さらに、前記胴部には、掘削流体を流通させる流体通路と、この掘削流体を前記第一刃部の外側に排出する排出口と、が設けられ、前記第二刃部によって破壊された前記小径コアの細片を前記掘削流体とともに前記排出口から排出することが好ましい。

この構成によれば、胴部の内部で破壊した小径コアの細片を掘削流体とともに排出口から排出することで、掘削流体の流れによって細片を掘削孔の上方に排出することができる。

本発明の掘削装置は、前記いずれかの穿孔ビットと、前記穿孔ビットが固定される長尺状の接続体と、前記接続体を介して前記穿孔ビットを回転駆動する駆動部と、を備えたことを特徴とする。

このような掘削装置によれば、前述の穿孔ビットと同様に、掘進抵抗を抑制して穿孔ビットの全断面において対象物を円滑に穿孔することができる。

以上のような本発明の穿孔ビット及び掘削装置によれば、硬質な対象物であっても掘削障害を抑制して円滑に穿孔することができ、掘削時間の短縮化やビットの長寿命化を図ることができる。

本発明の第１実施形態に係る掘削装置の先端部を示す断面図及び底面図である。 前記掘削装置の穿孔ビットによって地盤を穿孔する様子を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る掘削装置の先端部を示す断面図及び底面図である。 前記掘削装置の穿孔ビットによって地盤を穿孔する様子を示す断面図である。 発明の第３実施形態に係る掘削装置の先端部を示す断面図である。 前記掘削装置の穿孔ビットによって地盤を穿孔する様子を示す断面図である。

本発明の第１実施形態に係る掘削装置及び穿孔ビットについて以下説明する。本実施形態の掘削装置１は、対象物である地盤を掘削して掘削孔を形成するためのものであって、地上や海上に設置されたやぐら等の支持装置と、支持装置に支持された吊り下げ装置と、吊り下げ装置にスイベルを介して吊り下げられるドリルストリング等の接続体と、支持装置に設けられて接続体を回転駆動するロータリーテーブル等の駆動部と、接続体の先端に固定される穿孔ビット１０と、支持装置からスイベル及び接続体を介して穿孔ビット１０まで掘削流体を循環させるポンプ等の流体循環装置と、を備えている。

図１に示すように、掘削装置１の先端部は、接続体の最下部を構成するドリルパイプ等の管部材２と、この管部材２の前端（下端）に固定される穿孔ビット１０と、で構成されている。このような構成の掘削装置１は、図２に示すように、吊り下げ装置で吊り下げた接続体及び穿孔ビット１０を掘削孔Ｈに挿入し、穿孔ビット１０を掘削孔の孔底Ｂに接触させ、吊り下げ装置の荷重を調整することで、接続体の重量に応じた押圧力を穿孔ビット１０から孔底Ｂに作用させる。さらに、駆動部によって接続体を回転させることで、接続体を介して穿孔ビット１０を回転駆動し、中心軸Ｘ回りに回転する穿孔ビット１０によって孔底Ｂを穿孔し、これにより接続体及び穿孔ビット１０が掘削孔Ｈ中を下方に掘進するように構成されている。

穿孔ビット１０は、前端側を構成する第一ビット体１１と、第一ビット体１１と接続体の管部材２との間に設けられる第二ビット体１２と、の二部材から構成されている。第二ビット体１２は、管部材２に螺合により固定され、第一ビット体１１は、第二ビット体１２に螺合により固定されている。これらの管部材２、第一ビット体１１及び第二ビット体１２は、略同一の外径寸法を有しており、互いに固定されることで一本の棒状体として掘削孔Ｈ中で回転しつつ前進（掘進）するようになっている。

第一ビット体１１は、全体略円筒状の胴部１３と、前端部を構成する底部１４と、底部１４に設けられて孔底Ｂを切削する第一刃部１５と、を有して構成されている。第一刃部１５は、円盤状の底部１４の表面に一体化された焼結マトリクスからなる硬質表皮体１５Ａと、この硬質表皮体１５Ａに埋め込まれる複数のＰＤＣカッター１５Ｂと、によって構成されている。第一刃部１５は、底部１４のうち中心軸Ｘ（回転中心）周辺を除いて設けられ、中心軸Ｘ部分には、底部１４を貫通する貫通孔１６が設けられている。貫通孔１６の直径は、穿孔ビット１０の外径の１／５程度以下であればよく、好ましくは１／１０程度以下である。

第二ビット体１２は、第一ビット体１１の胴部１３内側に延びる延出部１７と、この延出部１７の先端に一体に設けられる多結晶ダイアモンド体を含んだ切削刃１８（第二刃部）と、を有して形成されている。切削刃１８は、中心軸Ｘに沿って貫通孔１６に対向するとともに、中心軸Ｘに対して偏心して設けられている。第一ビット体１１の胴部１３と第二ビット体１２の延出部１７との間には空間Ｓが形成されている。第二ビット体１２には、管部材２の内部と空間Ｓとを連通するとともに、流体循環装置から送られた掘削流体を流通させる流体通路１９が形成されている。

第一ビット体１１の底部１４には、空間Ｓから孔底Ｂに向かって掘削流体を排出する排出口２０と、この排出口２０の出口側に連通して径方向外側に延びる導水路２１と、が形成されている。従って、流体循環装置から接続体の管部材２に送られた掘削流体は、流体通路１９を通って空間Ｓに導入された後に排出口２０から外部に排出され、第一刃部１５を冷却する。さらに、掘削流体は、第一刃部１５が切削した地盤の切削屑とともに導水路２１を通って径方向外側に流れ、穿孔ビット１０及び接続体の外周面と掘削孔Ｈの内周面との隙間を通って上昇し、流体循環装置に戻されるようになっている。

以上のような穿孔ビット１０が地盤を穿孔する際の動作について説明する。図２に示すように、穿孔ビット１０が回転することで第一刃部１５が孔底Ｂを切削すると、第一刃部１５が設けられていない貫通孔１６の位置（中心部）では、切削されない地盤が貫通孔１６の内部に入り込んで小径コアＣとなる。この小径コアＣは、穿孔ビット１０の穿孔に伴って長くなり、空間Ｓに取り込まれる。空間Ｓに取り込まれた小径コアＣは、やがて切削刃１８に接触し、切削刃１８によって切削されて破壊され、切削屑（細片）となって空間Ｓ内の掘削流体とともに排出口２０から外部に排出される。

以上の本実施形態によれば、穿孔ビット１０の中心軸Ｘ位置の貫通孔１６を除いて第一刃部１５が設けられているので、穿孔ビット１０の回転に伴う第一刃部１５と地盤との切削速度がゼロになることがなく、第一刃部１５によって孔底Ｂの大部分を切削することができる。また、穿孔ビット１０の中心軸Ｘ付近では、第一刃部１５によって切削されなかった地盤が小径コアＣとなって残り、この小径コアＣが貫通孔１６から内部の空間Ｓに取り込まれ、切削刃１８によって切削される。従って、穿孔ビット１０の中心部における切削残りによる掘進抵抗の増大を招くことなく、穿孔ビット１０の全断面において地盤を円滑に穿孔することができる。

また、貫通孔１６に対向した位置に切削刃１８が設けられていることで、貫通孔１６から取り込んだ小径コアＣを切削刃１８に確実に接触させることができ、切削刃１８によって小径コアＣを切削して破壊することができる。さらに、切削刃１８によって切削された小径コアＣの切削屑（細片）は、掘削流体とともに排出口２０から外部に排出されるので、掘削流体の流れによって細片を掘削孔Ｈの上方に排出することができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る穿孔ビットについて、図３、４を参照して説明する。本実施形態の穿孔ビット１０Ａは、第１実施形態の穿孔ビット１０と比較して第二ビット体１２の構造が相違するものの、他の構成は第１実施形態と略同様である。以下では、相違点について詳しく説明し、第１実施形態と共通の構成については同一符号を付して説明を省略または簡略する。

図３に示すように、穿孔ビット１０Ａの第二ビット体１２は、第１実施形態の切削刃１８に代えて延出部１７の先端に切断刃２２を有して構成されている。切断刃２２は、中心軸Ｘ上に傾斜して設けられた硬質材料から形成されている。さらに、第二ビット体１２には、空間Ｓの上方に連続する収容部２３が形成されている。

以上のような穿孔ビット１０Ａが地盤を穿孔する際の動作について説明する。図４に示すように、穿孔ビット１０Ａが回転することで第一刃部１５が孔底Ｂを切削し、貫通孔１６から空間Ｓに小径コアＣを取り込む。小径コアＣが切断刃２２に接触すると、切断刃２２によって小径コアＣが折られて破壊され、切断片（細片）Ｃ１となる。この切断片Ｃ１は、空間Ｓ内の掘削流体の圧力によって収容部２３に導かれ、収容部２３に複数の切断片Ｃ１が収容されるようになっている。

また、本実施形態の穿孔ビット１０Ａにおいて、貫通孔１６から取り込んだ小径コアＣを切断刃２２によって折る前に、切断刃２２によって小径コアＣの先端部を切削してもよい。このように切断刃２２で切削された小径コアＣの切削屑（細片）は、掘削流体とともに排出口２０から外部に排出され、切削後に折られた切断片（細片）Ｃ１は、空間Ｓ内の掘削流体の圧力によって収容部２３に導かれて収容されるようになっている。

以上の本実施形態によれば、前記第１実施形態と同様に、穿孔ビット１０Ａの中心部における切削残りによる掘進抵抗の増大を招くことなく、穿孔ビット１０Ａの全断面において地盤を円滑に穿孔することができる。

また、中心軸Ｘ上に傾斜して設けられた切断刃２２によって小径コアＣに斜め方向の力を作用させ、これにより小径コアＣを折って破壊することができる。従って、掘削対象物である地盤が硬質な岩盤であって、脆性的な岩を折って破壊する場合に、本実施形態の穿孔ビット１０Ａは好適である。さらに、切断刃２２によって切断された切断片Ｃ１が収容部２３に収容されるので、切断片Ｃ１が穿孔ビット１０Ａと地盤との間に入り込んで障害となることが防止でき、穿孔ビット１０Ａの破損を抑制することができる。

次に、本発明の第３実施形態に係る穿孔ビットについて、図５、６を参照して説明する。本実施形態の穿孔ビット１０Ｂは、第２実施形態の穿孔ビット１０Ａと比較して第一ビット体１１の構造が相違するものの、他の構成は第２実施形態と略同様である。以下では、相違点について詳しく説明し、第１、２実施形態と共通の構成については同一符号を付して説明を省略または簡略する。

図５に示すように、穿孔ビット１０Ｂの第一ビット体１１は、その胴部１３の内面に複数（３個）の切削刃２４を有して構成されている。切削刃２４は、ＰＤＣカッターと同様の超硬材料から構成されている。第二ビット体１２は、その延出部１７の先端に第２実施形態の切断刃２２と同様に硬質材料から形成された硬質傾斜面２５を有して構成されている。硬質傾斜面２５は、中心軸Ｘ上に傾斜して設けられ、この硬質傾斜面２５と略同一高さ位置に切削刃２４が設けられている。

以上のような穿孔ビット１０Ｂが地盤を穿孔する際の動作について説明する。図６に示すように、穿孔ビット１０Ｂが回転することで第一刃部１５が孔底Ｂを切削し、貫通孔１６から空間Ｓに小径コアＣを取り込む。小径コアＣが硬質傾斜面２５に接触すると、小径コアＣが径方向に曲がり、その先端が複数の切削刃２４のうちのいずれかに接触することで、切削刃２４によって小径コアＣが切削されて破壊される。切削された小径コアＣのうち、細かい切削屑（細片）は、掘削流体とともに排出口２０から外部に排出され、比較的大きな切断片（細片）Ｃ１は、収容部２３に収容されるようになっている。

以上の本実施形態によれば、前記第１、２実施形態と同様に、穿孔ビット１０Ｂの中心部における切削残りによる掘進抵抗の増大を招くことなく、穿孔ビット１０Ｂの全断面において地盤を円滑に穿孔することができる。

また、中心軸Ｘ上に傾斜して設けられた硬質傾斜面２５によって小径コアＣを側方に曲げ、この小径コアＣを切削刃２４で切削して破壊することができる。従って、掘削対象物である地盤に金属層が含まれていて、延性を有して折れにくい金属を破壊する場合に、本実施形態の穿孔ビット１０Ｂは好適である。また、切削刃２４が複数設けられていることで、硬質傾斜面２５によって曲げられた小径コアＣの先端が左右に振れたとしても、いずれかの切削刃２４によって小径コアＣを切削することができる。

なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

例えば、前記実施形態の掘削装置１では、掘削対象物が地盤の場合を例示したが、本発明の掘削装置及び穿孔ビットは、地盤に限らず、人工の構築物であるコンクリート構造物や金属構造物等を穿孔の対象物としてもよく、このような対象物の構造や材質は特に限定されるものではない。

また、前記実施形態の掘削装置１では、地上や海上に設置された支持装置から接続体が吊り下げられ、この接続体の重量によって穿孔ビットが対象物（地盤）に押圧される構成であったが、このような構成に限定されない。すなわち、掘削装置は、鉛直下方に向かって掘削孔を形成するものに限らず、斜め下方や水平方向、さらには斜め上方や上方に向かって掘削孔を形成するものであってもよい。この際、対象物に向かって穿孔ビットを押圧するための押圧手段を備えて掘削装置が構成されることが好ましい。

また、前記実施形態の掘削装置１は、支持装置から穿孔ビット１０まで掘削流体を循環させる流体循環装置が設けられていたが、掘削流体を循環させる流体循環装置は必須の構成ではなく、適宜に省略することが可能である。また、前記実施形態の穿孔ビット１０，１０Ａ，１０Ｂは、第一ビット体１１及び第二ビット体１２によって構成されていたが、これらが一体で構成されていてもよい。また、前記第２、３実施形態の穿孔ビット１０Ａ，１０Ｂでは、小径コアＣの細片を収容する収容部２３が設けられていたが、小径コアを切削または切断した際に十分細かい細片となって排出可能な対象物の場合には、収容部を省略してもよい。

１ 掘削装置
２ 管部材（接続体）
１０，１０Ａ，１０Ｂ 穿孔ビット
１３ 胴部
１５ 第一刃部
１６ 貫通孔
１８ 切削刃（第二刃部）
１９ 流体通路
２０ 排出口
２２ 切断刃（第二刃部）
２３ 収容部
２４ 切削刃（第二刃部）
２５ 硬質傾斜面
Ｘ 中心軸（回転中心）

Claims (7)

1. 掘削装置の先端に固定されるとともに該掘削装置の回転駆動によって対象物を穿孔する穿孔ビットであって、
   全体略円筒状の胴部と、
   前記胴部の前端部に設けられて対象物を穿孔する第一刃部と、
   前記胴部の中空内部に設けられた第二刃部と、を備え、
   前記第一刃部は、前記胴部の前端部のうち回転中心を除いて設けられ、該回転中心には、前記胴部の内外を連通する貫通孔が設けられ、
   前記第一刃部によって対象物を穿孔しつつ前進する際に、前記貫通孔を通して前記胴部の内部に対象物の小径コアを取り込み、取り込んだ前記小径コアを前記第二刃部によって破壊する
   ことを特徴とする穿孔ビット。
2. 前記第二刃部は、前記回転中心を通る中心軸に沿って前記貫通孔に対向して設けられるとともに、前記小径コアを切削する切削刃を有して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の穿孔ビット。
3. 前記第二刃部は、前記回転中心を通る中心軸上に傾斜して設けられるとともに、前記小径コアを折る切断刃を有して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の穿孔ビット。
4. 前記第二刃部は、前記回転中心を通る中心軸上に傾斜して設けられる硬質傾斜面と、該硬質傾斜面に当接させて曲げた前記小径コアを切削する切削刃と、を有して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の穿孔ビット。
5. 前記胴部には、前記第二刃部によって破壊された前記小径コアの細片を収容する収容部が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の穿孔ビット。
6. 前記胴部には、掘削流体を流通させる流体通路と、この掘削流体を前記第一刃部の外側に排出する排出口と、が設けられ、
   前記第二刃部によって破壊された前記小径コアの細片を前記掘削流体とともに前記排出口から排出することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の穿孔ビット。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の穿孔ビットと、
   前記穿孔ビットが固定される長尺状の接続体と、
   前記接続体を介して前記穿孔ビットを回転駆動する駆動部と、
   を備えたことを特徴とする掘削装置。

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