JP3378580B2 - ドリル装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、ドリルビットに対してつち打ち作動（ハン
マリング）をする往復動ピストンハンマーを有するドリ
ル装置に関する。

背景技術 この発明は、機械的に繰り返しドリルビットに直接作
用すると共に、水圧流体をそのドリル作動によって生じ
る切片を少なくとも部分的に回収するために使用する、
ホール直下型水圧ピストンハンマー組立体（hydraulic
down−the−hole piston hammer assembly）に対して特
に適用できるものである。

本発明により解決すべき問題点は、往復動ピストンハ
ンマーが圧力下の流体によって駆動され、ハンマーとド
リルビットとの間の打撃面は流体内であるという状況に
関連している。

従来、この流体は水である。

問題点は、ドリルビットの一端をハンマーが打つよう
にすると、ハンマーの打撃面の移動により、作動の早さ
という観点から、幾分かのキャビテーションが生じ、そ
れは空洞の崩壊を伴い打撃面の局部近傍に大きな応力を
生じてしまうことにある。

このような作用は、打撃面を構成する材料の一部を、
重大かつ比較的速く消耗してしまうという可能性をはら
んでいる。

本発明の目的は、この問題を軽減する力を持つ装置を
提供することにある。

発明の開示 本発明によれば、ハンマーとドリルとの間にそれぞれ
打撃面を有し、往復動ピストンハンマーを駆動するため
の流体を使用するタイプのものにおいて、上記打撃面の
少なくとも１つに少なくとも１つの溝を設けたことを特
徴とするドリル装置が提供される。

必ずしも必要ではないが、好ましくは、前記溝を含む
面に対向する面には、該溝の位置に一致するように配置
された隆起部を有する。

必ずしも必要でないが、好ましくは、それらの間に２
つのリング状面が形成されるように、ドリルビットの一
端の表面に前記溝が形成され、ピストンハンマーの対応
して位置する外面には、２つの打撃面が合わさったと
き、溝内に配置されるリング状隆起部が該溝に対応して
形成される。

必ずしも必要ではないが、好ましくは、他方の面に対
して一方を打撃する面は、上記溝と隆起部を除き、打撃
面を通じて平坦であり、各平坦面の方向性は、２部品間
の相対的運動の方向に対して直角を成している。

ここに記述された特徴による効果は、以下の事実に由
来している。即ち、双方の面が共に打撃された際には、
前記溝の中に幾分かの流体が圧縮された形で捕捉され、
その後流体は該面が合わさる間を通って逃げて行き、こ
の動きは、ピストンハンマーがビットの面に対し、ほと
んどの衝撃が双方の面の間に介在物として作用する流体
を介して作用するほどに近づく時には、ピストンハンマ
ーの力をかなり緩和させるという事実である。

突出するピストンハンマーの部分は、最後の瞬間に一
層早い速度で、この作用を補助する閉じ間隙を介して流
体に更なる付勢力を与える作用を有する。

なお、必ずしも必要ではないが、流体は好ましくは水
である。

理想的には、実際の面は直接的には接触しない。この
ため、面が引き離される際には既に流体膜が存在し、こ
の結果、後退する面後方の流体の戻りにより負圧が小さ
くなり、キャビテーションを最小限にするという効果が
ある。

本発明をより良く理解してもらうために、実施態様を
参照しながら本発明を説明するが、これはあくまでも一
例であり、本発明の特徴を限定する説明でないことをこ
こに強調しておく。

図面の簡単な説明 図面を参照して本発明の実施態様を説明するが、これ
ら図面の内、 図１は、往復動ピストンハンマーとドリルビットを有
する組立体の断面図、 図２は、図１の部分的拡大図、 図３は、ドリルビット内部の打撃面の平面図、 図４は、打撃ピストンの打撃面の平面図である。

発明を実施するための最良の形態 図面を詳細に記載してあるように、ダウンホール組立
体１は、ドリルビット２と打撃ピストン３を備える。

ドリルビット２と打撃ピストン３にはそれぞれ、流体
（この場合、水性流体）のためのリターン路となる、番
号４、５で示した中央流路が設けられている。

組立体内部の他の特徴としては、番号６に代表される
ような適宜バルブ機構が設けられており、他にはリング
流路７を通る圧力流体により、ピストン３が往復動し、
これにより番号８で示す最下面に対して繰り返しつち打
ち作動を促し、該最下面８が順次ピストン３の内面９を
打撃するようになっている。本記述の他の特徴として
は、ヘリカルスプリング10を有する圧力開放システムを
備えており、ヘリカルスプリング10は、流路13を介して
流体高圧側に接続された下面12を持つピストン11をコン
トロールしていることにある。

上記システムおよび組立体は、全体としては、穴の下
部（down−the−hole）を処理するように構成されてお
り、番号14で示す上端に接続した図示しない適当なステ
ム組立体によって支持される。

この機構においては、圧力流体の幾分かはピストン３
を往復動するのに使用され、残りの流体は流路15へと向
けられ、ドリルビットヘッドの外側を通過し、該ヘッド
内リターン路18を通って戻るようになっている。

しかしながら、本記述が特に解決すべきとする問題点
は、ピストン３と番号９で示すドリルビット２の内面と
の間の打撃面に関連している。

上記打撃面のそれぞれの表面は、実質上リング状であ
り、実質的に一致した内外径を有しており、互いに対し
衝突するか、あるいは衝突の際にも最も接近する（この
場合、２つの面間に水性流体がある程度滞留することが
予想される）ように配置された面は、片やピストン往復
動方向を決めるピストンの円筒中心軸線に対し直角にな
るように、上述したいずれの場合にも平坦であり、かつ
面方位において一直線上に配置される。

問題は当然ながら、このピストン３がドリルビット２
に対し衝突した際に、上記の２つの面が、形の上ではぴ
ったりと一直線上に並ぶように、相当な繰り返し力を以
て互いに衝突するために、いかなる流体も効果的に除外
されることが予想される。

次いでピストンが次の衝突サイクルに向けて戻される
時にはいつも、それぞれの表面をかなり迅速に離反させ
なければならないため、キャビテーションが生じるほど
の瞬間的な真空がこの部分に生じ、そのキャビテーショ
ンはその後流体を介して伝達された局部的な近傍部分の
中で効果的な一時的な高い力を生じながらこわれてしま
うことが予想される。

従って、これを最小限に抑えるために、ピストン２の
内外周のほぼ中間には、ドリルビットの軸線に同軸な軌
道を沿って、一定の断面形状・サイズのリング状溝16が
形成される。この溝16は、他は平坦な面の中の凹部を構
成している。

さらに、他方の側、すなわちピストン３の打撃面に
は、下方に突出するリング状の隆起部17が設けられ、そ
の位置は溝16の中間に整合するとともに、該隆起部17は
ドリルビットの軸線に同軸な軌道に沿って、一定の断面
形状・サイズを有している。この隆起部17は、他は平坦
な面から突出している。

図１及び２はこれら協働体の位置、サイズ、形状を示
している。

しかしながら、本発明の装置はこの特定な図に限定さ
れるものではない。

しかし、この図には、溝の中に自然と水性流体が入る
ように前記溝を上方に開口させ、通常上方を向く１つの
面の中に幾分かの水を捕捉することにより、ピストン３
が表面９を押し下げる際には、溝16内に捕捉された水性
流体は僅かに圧縮されることになる。この効果は、隆起
部17を設けると僅かに促進され、この場合、ここから逃
れる流体のスクイーズ圧力を増加させる効果がある。こ
れに要する時間が非常に短い限りにおいては、流体速度
の観点から、双方の面の間には幾分かの液体が残留する
ことになるであろう。

このように打撃面間に流体が残留すると、双方の面の
間に薄い水の膜が残留するため、ピストン３が引き込ま
れる際のキャビテーションは顕著でなくなり、またこの
作用により打撃面の間において（ピストン、ビットの材
料）が消耗する可能性が減少する。

他の機構としては、複数の溝を備えたり、水の漏出を
幾分阻止するような外部スカートを持つものが、上記作
用を補助するものとして考えられるが、これらは決して
現在用いられている好ましい技術ではない。

同軸状の溝や隆起部を使用は、他のものと比較した場
合、１つの要素の相対的回転方向性を考慮したものであ
る。

産業上の利用可能性 上述した本発明を使用すれば、ためしに行った試験例
では無視してよいほどのキャビテーション腐食しか観察
されず、この程度まで実用上のキャビテーション腐食を
著しく減少することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特公 昭48−15988（ＪＰ，Ｂ１) 欧州特許出願公開367718（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E21B 4/14 B25D 17/06

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ドリルビットに対してつち打ち作動する往
   復動ピストンハンマーを、往復動ピストンハンマー駆動
   のために流体を使用するタイプのドリル装置が有し、そ
   れぞれの打撃面が前記ハンマーと前記ドリルビットとの
   間にあり、前記ドリルビットはドリルビット中心軸線に
   同軸状なリング状経路に沿う溝を有しており、前記ハン
   マーは前記ハンマーの打撃面から延びる隆起部を有して
   おり、前記隆起部は前記ドリルビット中心軸線に同軸状
   なリング状経路に沿っており、そしてそれぞれの打撃面
   が相対的な打撃位置にある時にドリルビットの前記溝内
   に前記隆起部が入るような幅と位置を前記隆起部が備え
   ている、前記ドリル装置。
2. 【請求項２】前記打撃面は、前記溝と前記隆起部を除
   き、打撃面を通じて平坦であり、そして各平坦な打撃面
   は、前記ハンマーと前記ドリルビットとの間の相対的運
   動の方向に対して直角である、請求項１に記載のドリル
   装置。
3. 【請求項３】前記流体が水である、請求項１または２に
   記載のドリル装置。