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JPH0258433B2 - - Google Patents
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JPH0258433B2 - - Google Patents

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JPH0258433B2
JPH0258433B2 JP56066144A JP6614481A JPH0258433B2 JP H0258433 B2 JPH0258433 B2 JP H0258433B2 JP 56066144 A JP56066144 A JP 56066144A JP 6614481 A JP6614481 A JP 6614481A JP H0258433 B2 JPH0258433 B2 JP H0258433B2
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cutter
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axis
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JP56066144A
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Kaaru Otsutoo Peshia Rudorufu
Emu Ihorito Rodorufuo
Ii Beikaa Birii
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BEIKAA HYUUZU Inc
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BEIKAA HYUUZU Inc
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Publication of JPH0258433B2 publication Critical patent/JPH0258433B2/ja
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00Drill bits
    • E21B10/46Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
    • E21B10/50Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts the bit being of roller type
    • E21B10/52Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts the bit being of roller type with chisel- or button-type inserts
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00Drill bits
    • E21B10/08Roller bits
    • E21B10/16Roller bits characterised by tooth form or arrangement

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Earth Drilling (AREA)
  • Excavating Of Shafts Or Tunnels (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は、土中穿光ドリルビツトに係り、更に
詳細にはその切削要素の配列に係る。 油井やガス井のための最も一般的な型式の土中
穿孔ドリルビツトは、軸線の周りに回転し且ビツ
トが回転するとその経路又は切り目に沿つて掘削
孔の底部の周りに転動するカツタである。カツタ
は該カツタに与えられる力により地層を切崩す数
列の歯を有している。歯は数列にて隔置されてお
り、また一回の回転によつて掘削孔底部のできる
だけ多量の土などを掻き崩すよう隔置されてい
る。従来技術による土中穿孔ドリルビツトは、
「トラツキング」として知られている問題を回避
するよう設計された種々の特徴を含んでいる。こ
のトラツキングの問題は、各歯が前の歯によつて
土に与えられた痕跡を繰返し通過するよう、回転
可能なカツタ上に各歯が隔置された場合に発生す
る。従つて土に畝や峰が形成されることがあり、
その結果カツタはその摩耗や促進される。従つて
各歯は早期に且不均等に摩耗される。ドリル孔内
に締りばめにて保持された硬質金属インサートの
歯を設けられたビツトに於ては、その支持金属は
早朝に摩耗し、インサートが抜け落ちてしまうこ
とがある。 かかるトラツキングの解決策が、1973年4月10
日付にてR.C.O.Pessierに付与された米国特許第
3726350号及び1979年5月29日付にて同一人によ
り出願された米国特許出願第043533号に記載され
ている。またかかるトラツキングの問題の他の一
つの解決策が1980年2月12日付にてF.F.Phelpsに
付与された米国特許第4187922号に於て提案され
ている。 上述の本発明に於ては、インサートは環状列に
て配列されており、各インサート間の間隔はトラ
ツキングの発生を阻止すべく変化されている。こ
れら従来技術に於けるインサートは幾くかの群に
て配列されており、一つの群に於ては各インサー
トは同様に隔壁されているが、他の群に於てはそ
れとは異つた間隔にて隔置されており、又は各列
に於けるインサートの間隔は最小値より最大値ま
で徐々に増大しまた最小値に減少するようになつ
ており、又は各対のインサートがその列内の他の
全ての対のインサート間の間隔とは異つた間隔に
て分離されるようインサートの間隔が各列毎に変
化されている。 上述の従来技術によるそれぞれの解決策に於て
は、各インサートは環状列にて配列されている。
それぞれの列はインサートに充分な支持金属を与
えるよう最小間隔により分離されている。各列間
に畝が発生するのを阻止すべく、同一の切り目又
は経路に配置された他の一つのカツタは、さもな
ければ畝が発生する領域の土を除去するよう配列
された互違いの列を有している。他の一つの方法
は、前述の米国特許出願第043533号に記載されて
いる如く、カツタそれ自身を切り目内の他のカツ
タよりオフセツトして配置することである。この
場合ビツトは中心がずれた状態にて回転すること
があり、このことはビツトの回転軸線が穿孔中掘
削孔の中心軸線より変位せしめられることを意味
する。かかる現象の一つの結果は種々のカツタの
互違いの列間に於ても畝が発生するということで
ある。 従来技術によるカツタに於ては、両者の間に空
間が存在することなくオーバラツプする環状列を
有する領域が存在する。前述の米国特許第
3726350号に於ては、カツタは互にオフセツトさ
れた半分ずつのインサート列を有している。米国
特許第2774571号に於ては、かくしてインサート
が配列されたそれぞれのカツタの内端部又はノー
ズ領域を使用することが開示されている。また米
国特許第2230569号に於ては、螺旋状列の歯の如
く、フライス加工された歯を有するカツタのため
の多数の配列数が記載されている。また螺旋状の
列を有するたて坑カツタは従来より使用されてい
る。 歯又はインサートは従来技術に於ては全て幾つ
かの列にて配列されている。列は周縁方向に延在
すものであつてもよく、またカツタの軸線に垂直
に延在するものであつてもよく、列内の各インサ
ートはカツタの周りに部分的にのみ延在するもの
であつてもよい。列はカツタの軸線を平行であつ
てもよく、また上述の如く螺旋状であつてもよ
い。しかしこれら全てのインサートの配列は完全
にトラツキングの問題を排除することができず、
また一つのカツタにて一つの切り目内の底部を完
全にカバーすることはできない。 本発明の目的は、或る選択された切り目に於て
一つのカツタのみが使用されるようカツタの表面
に分散されたインサートを有し且より効率良く岩
石を破砕することができ切削要素がバランスのと
れた摩耗を受けるよう構成されたカツタを有する
土中穿孔ドリルビツトを提供することである。 本発明の他の一つの目的は、中心がずれた運転
条件下に於てもトラツキングの発生を回避し、ま
た環状畝が発生するのを排除することのできる土
中穿孔ドリルビツトを提供することである。 これらの目的は、好ましい実施例に於て、列で
はなく間隔が大きく変化する分散パターンにてイ
ンサートを隔置することにより達成される。イン
サートを支持する金具に充分な強度を付与するた
めには、インサート間の最小距離はインサートの
間隔に一つの拘束が与えられるよう各インサート
の周りに郭定される。また掘削孔の底部に於ける
互に隣接する痕跡同士が一部重なり合ることを確
保するために、最大距離が各インサートの周りに
確定される。この最大距離は岩石の性質及びイン
サートの大きさの関数である。かくして境界領域
が各インサートの周りに確定され、その境界領域
内にインサートが分散される。 好ましい方法にてインサートの位置を選定する
に際しては、先ず一つのインサートがカツタシエ
ルの選択された領域内の任意の点に随意に配置さ
れる。次いで第二のインサートの位置が、好まし
い方法に於ては乱数発生器を使用いて、第一のイ
ンサートの周りの境界領域内に選定される。更に
第三のインサートが同様の要領にて第二のインサ
ートの周りの境界領域内に配置される。しかし第
三のインサートはインサート間の最小所要距離よ
りも第一のインサートに近い位置に配置されなく
てもよい。かくして同様の要領にて後続のインサ
ートの位置が選定される。 以下に添付の図を参照しつつ、本発明を好まし
い実施例について詳細に説明する。 添付の第1図に於て、上昇ドリルビツト又はリ
ーマ11がたて坑13を穿孔している状態にて示
されている。この上昇ドリルビツト11は前以つ
て穿孔されたパイロツト孔15内を上方へ引上げ
られるようになつている。上昇ドリルビツト11
は円筒状ステム19に垂直に固定されたカツタ支
持部材或いはカツタ支持プレート17を含んでい
る。ステム19はドリルパイプ(図示せず)に固
定されており、カツタ支持プレート17の軸線と
同心の長手方向軸線又は回転軸線を有している。 カツタ支持プレート17にはカツタマウント2
3により複数個のカツタ組立体21が装着されて
いる。各カツタマウントは互に隔置され且カツタ
支持プレート17より離れる方向へ面した二つの
アーム25を有している。アーム25はカツタ組
立体21を受ける鞍状部を郭定している。 カツタ組立体21は一つのインナカツタ27
と、幾つかの中間カツタ29と、幾つかのアウタ
カツタ又はゲージカツタ31とを含んでいる。イ
ンナカツタ27及びゲージカツタ31は同一であ
るのが好ましい。また好ましい実施例に於けるイ
ンナカツタ27及びゲージカツタ31の切削構造
部の幅は、中間カツタ29の切削構造部の幅より
も小さい。 各カツタ組立体21は、前述の米国特許出願第
043533号に開示されている如く、軸受に装着され
たカツタシエルを含んでいる。中間カツタ29の
ためのカツタシエル33が第4図に断面にて示さ
れている。各カツタシエル33はほぼ円錐形をな
しており、土と転動接触する円錐台状の外面を構
成するよう回転軸線35に垂直に切除されてい
る。カツタシエル33の内側部37はステム19
に近接しており(第1図参照)、その外側部39
よりも外径が小さくされている。 各カツタシエル33はノーズ領域41と中間領
域45とゲージ領域43とを有している。ノーズ
領域41は内側部37の縁部に形成された環状円
錐台面である。このノーズ領域41の表面は回転
軸線35に対し54゜の角度にて形成されている。
ゲージ領域43は外縁部39の縁部に形成された
円錐台状面である。このゲージ領域43の表面は
回転軸線35に対し60゜の角度にて形成されてい
る。中間領域45は、円筒形であり且回転軸線3
5と平行な環状面45aをゲージ領域43に隣接
して含んでいる。円錐台状面45bが環状面45
aと接続されており、好ましい実施例に於ては回
転軸線35に対し7.5゜の角度にて形成されてい
る。円錐台状面45bとノーズ領域41との間に
は他の一つの円錐台状面45cが形成されてお
り、この円錐台状面は回転軸線35に対し12.5゜
の角度にて形成されている。本明細書に於てノー
ズ領域及びゲージ領域はそれぞれ中間カツタによ
り分離され且中間カツタよりも回転軸線に対し実
質的に大きな角度にて形成された内側部及び外側
部に直接接続された表面をいうものとして定義さ
れている。 中間領域45はその表面に垂直に穿孔された孔
であつて、好ましくは焼結タングステンカーバイ
ドにて構成された硬質金属インサート49(第1
図参照)を収納する複数個の孔47(そのうちの
一つのみが図示されている)を含んでいる。中間
カツタ29にとつて好ましい実施例に於ては、ノ
ーズ領域41又はゲージ領域43にはインサート
は配置されていない。一つのカツタが一回転され
る場合に於ける切削孔の底部の外観を示す第2図
に、インサート孔47の孔底パターンが解面図に
示されている。第2図の左側は、円錐台状面45
cのノーズ領域41との交点に於ける中間領域4
5の内側を示している。また第2図の右側は、環
状面45aのゲージ領域43との交点に於ける中
間領域45の外側を示している。 中間領域45に於けるインサートは、環状列を
なさないよう境界領域の限界内に於て分散され又
は不規則に配置されている。中間領域45に於け
る各インサート孔47はインサートを囲繞する境
界領域を有している。第一の選択されたインサー
ト孔47′の境界領域が第5図に於て破線にて解
図的に示されており、インサートの中心線間の最
小所要距離に対応する第一のループ53と、イン
サートの中心線間の最大所要距離に対応する第二
のループ55とよりなつている。好ましい方法及
び装置に於ては、これら第一のループ53及び第
二のループ55は同心円であり、中間領域45に
配置された各インサート孔47については互に同
一である。 前記最小所要距離はインサートを保持するに必
要とされるカツタシエル金属により経験的に決定
される。また前記最大所要距離は典型的な地層が
一つのインサートによつて掻き崩される程度によ
つて決定される。またこれらの最小所要距離及び
最大所要距離は、カツタの円周、インサートの形
状及び大きさ、インサートのカツタシエルよりの
突出量に依存する。円錐台状面45cの内側に於
けるカツタ直径が34.279cmであり、環状面45a
に於けるカツタ直径が39.471cmであり、インサー
ト孔47の直径が1.5875cmであり、インサート孔
47の深さが1.270cmである好ましい実施例の於て
は、インサートの中心線間の最小要距離は2.0664
cmである。従つて第一のループ53の半径は
2.064cmである。またインサートの中心線間の最
大所要距離は3.483cmであり、従つて第二のルー
プ55の半径は3.483cmである。 インサートの位置を選定する好ましい方法に於
ては、第一のインサート孔47′の位置は中間領
域45に於ける任意の点に随意に選定される。次
いで第5図の例に於て、第二のインサート孔4
7″の中心線の位置が、典型的なコンピユータ位
置決め乱数発生器による如く、第一のインサート
孔47′の第一のループ53と第二のループ55
との間の領域内に無作為に選定される。「無作為」
という言葉は特定の境界領域内に特定のパターン
を有しない不規則なインサート位置選定を意味す
るものである。 次いで第5図に於て点線にて示されている如
く、境界領域の第一のループ53′及び第二のル
ープ55′が第二のインサート47″の中心線の周
りに形成される。そして第三のインサート孔47
の中心線が第二のインサート孔47″の境界領
域内に無作為に配置される。しかしこの第三のイ
ンサート孔47はインサート間の最小所要距離
よりも第一のインサート孔47′に近接した位置
に配置されなくてもよい。第5図に於ては、第一
のインサート孔47′に近接し過ぎた第二のイン
サート孔47″の境界領域の部分がハツチングに
て示されている。かかるインサート孔の位置決め
手続は、それぞれの後続のインサート位置が前の
インサートの境界領域内に無作為に選定される
が、インサート間の最小所要距離よりも前に選定
された任意のインサートにより近接することがな
いよう行われる。そしてこの手続は中間領域45
の全てについてインサートの位置が決定されるま
で繰返される。中間領域45の空間的制限のため
に、インサートからの距離が最大所要距離よりも
大きいが、既存のインサートに近接し過ぎること
なく追加のインサートを配置するには不充分な幾
つかの空間が存在することがあるが、このことは
許容される。しかし前記最小所要距離は常に順守
されなければならない。 上述の如くインサート位置選定手続はマニユア
ル式に行われてもよくまたコンピユータにより行
われてもよい。コンピユータによる方法に於て
は、境界領域限界内にインサート位置を選定する
のに乱数発生器が使用される。純粋に数学的な意
味に於ては、真の無作為選定に於ては繰返しが発
生することがないので、プログラムは無作為的な
ものではない。プログラムとの関連で使用される
乱数発生器は数の繰り返しを生じる前に約50000
の数を発生する。このことは擬似無作為選定と呼
ばれることがある。フオートラン言語に於けるコ
ンピユータプログラムが本明細書の最後に掲げら
れている。このプログラムに於ては、中間領域4
5は環状面45a、円錐台状面45b及び45c
に複数の角度を有するものではなく一つの角度を
有する円錐面と仮定された。 インサート位置の選定に於ては、インサート孔
47の幾つかは中間領域45の縁部に近接した位
置となる。このことは、インサート孔47の筒状
面が中間領域45の縁部よりの約0.0396cmよりも
近接していない限り許容される。それ以前のイン
サートの境界領域が中間領域45の縁部を横切る
場合には、中間領域の内側に於ける境界領域の部
分のみにインサートが配置されてよい。 以上の手続によれば、中間領域45に於てはイ
ンサートが列状に配置されることが意識的に回避
されたカツタが得られる。インサート間の間隔
は、インサートの中心線とカツタ面とが交差する
点が一つの平面内に存在する三つの隣接するイン
サートの群が存在することがないよう分散されて
いる。好ましい実施例に於て一つ或いはそれ以上
の群発生することがあり得るが、かかる群の発生
は稀であると考えられる。第3図は切削構造部を
ほぼ一様にカバーしていることを示すグラフであ
る。このグラフはノーズ領域41より開始して各
インサートの位置がゲージ領域43へ向けて半径
方向外方へ連続する場合のインサートの相対密度
をプロツトすることにより描かれたものである。
このインサートの相対密度は、或る選択された平
面を通過するインサートの直線距離の合計を、そ
の選択された平面に於けるカツタシエルの円周長
さにて除算した値を示している。この場合選択さ
れる平面はカツタシエル33の回転軸線35に垂
直でなれければならない。例えばノーズ領域41
より0.5inch(1.27cm)の位置に於て円錐台状面4
5cを通過し且回転軸線35に垂直な平面は多数
のインサート49を通過する。この平面は幾つか
のインサートを通過しまたそれを二つに分割し、
また他のインサートの一部のみを通過する。この
平面がカツタシエル33と同一の位置の点に於て
各インサートを通過する場合には、その通過長さ
が前記直線距離に加算される。かくして直線距離
が加算されると、これらの距離が関連する位置に
於けるカツタシエルの円周長さにより除算され
て、ノーズ領域41から1.274cmの点に於ては約
0.28の値となる。もしインサートがかかる点に於
て環状列にて隔置され、それらの間にカツタ金属
がないならば、インサートの相対密度は1.0又は
100%となる。 中間領域45の両側縁部に於ける最初の
0.25inch(0.635cm)以外の部分については、相対
密度は約0.15と0.28との間にて変化し、好ましく
は0.10以下に低下することはないので、インサー
トの分布はかなり一様なものになることに留意さ
れたい。このことは、回転軸線35に垂直に延在
する全ての可能な平面が少なくとも一つのインサ
ートの一部を分割することを示している。もし環
状列が存在すれば、これらの点に於ける平面は何
れのインサートをも通過することがないので、第
3図のグラフ各環状列間に於て0の値となる筈で
ある。 添付の表1は、上述の如き寸法を有するカツタ
の中間領域45に於けるインサート孔47内の各
インサート49の正確な位置を示している。「A」
にて示された欄は外側部39からインサートが配
置された点までの回転軸線35に沿う距離を示し
ている。また角度αは、任意の第一の点から測定
した場合のカツタシエル33の回転軸線35の周
りの角度である。任意の角度α間の距離は、回転
軸線35に垂直な平面に於けるカツタの中間領域
45に沿う周縁方向距離に比例している。本発明
に於て必ずしも必須ではないが、各インサート孔
47は、外側部39からの距離が他の全てのイン
サート孔とは小数点第三位まで異つた位置に配置
されている。また各インサート孔47は小数点第
三位まで他の全てのインサート孔とは異つた平面
内に配置されている。 インサートの位置はコンピユータにより選定さ
れたが、その場合表1に示された数字の順番にて
選定された訳ではない。即ち、コンピユータによ
り選定された第二のインサートの位置は必ずしも
表1に示されたインサートナンバーの順に対応し
ている訳ではない。表1のインサートNo.3は表1
のインサートNo.2の境界領域内には存在していな
い。むしろ表1は角度αの増大する順にて各イン
サートを適宜にリストしたものである。インサー
トNo.292から294までは第3図が表1と対応するよ
う第3図に示されている。全てのインサート孔4
7は、環状面45aと円錐台状面45bとの交点
及び円錐台状面45bと円錐台状面45cとの交
点を通るインサート孔を除き、それらが位置する
表面に垂直に穿孔されている。後者の各孔を通過
するインサート孔については、それらはインサー
ト孔の直径の半分以上を含む表面に垂直に穿孔さ
れている。 第6図はインナカツタ27又はゲージカツタ3
1(第1図参照)の断面図を示している。これら
のカツタは互に同一であるが、中間カツタ29と
はかなりは異つている。このところ一つの理由
は、ゲージカツタ31はたて坑13の側壁を切崩
し得るよう、その外縁部に非常に高い密度のイン
サートを必要とするということである。またイン
ナカツタ27はパイロツト孔15の縁部を切崩し
得るよう、そのノーズ領域に一列のインサートを
必要とする。互換性を持たせるためには、インナ
カツタ27及びゲージカツタ31は互に同一に形
成されなければならず、幾つかの列のインサート
はノーズ領域及びゲージカツタ領域近傍の両方に
配置される。 インナカツタ27又はゲージカツタ31は、ほ
ぼ円錐形であり且その回転軸線54に垂直に切除
されたカツタシエル53aを含んでいる。カツタ
シエル53aのための軸受は前述の中間カツタ2
9に使用されているものと同一の構造をなしてい
る。カツタシエル53aはその外側部57よりも
ステム19(第1図参照)により近傍した内側部
55aを有している。各カツタシエル53aは、
前述の中間カツタ29と同様、ノーズ領域と中間
領域とゲージ領域とを有している。ノーズ領域5
9は内側部55aの縁部に於て回転軸線54に対
し35゜の角度にて形成された円環状の円錐台状面
である。ゲージ領域61は外側部57の縁部に於
て回転軸線54に対し60゜の角度にて形成された
円環状の円錐台状面である。中間領域63は回転
軸線54に対し5゜の角度にて形成された環状面6
3aをそのゲージ領域61に隣接して含んでい
る。環状面63aは円錐台状面63bが接続され
ており、この円錐台状面63bは第一のループ5
4に対し7.5゜の角度にて形成されている。ノーズ
領域59と円錐台状面63bとの間には他の一の
円錐台状面63cが、回転軸線54に対し20゜の
角度にて形成されている。 ノーズ領域59はインサート49(第1図参
照)を挿入すべく穿孔されリーマ加工されたイン
サート孔の列65を含んでいる。列65は外側部
57より等距離だけ隔置された37個のインサート
孔を含んでいる。本明細書に於てピツチとは、カ
ツタシエル53の表面に於けるインサートの中心
線間を距離をいうものとして定義されている。ピ
ツチは前述の米国特許出願第043533号に記載され
ていうところに従つてトラツキングを回避すべ
く、列65内にて変化されている。第7図に於
て、列65は反時計廻り方向にピツチが増大する
群(にて示されている)とピツチが減少する群
(Dにて示されている)とに分割されている。ピ
ツチはそれが増大する群に於ては徐々に増大し、
それが減少する群に於ては徐々に減少している。
星印を付されたインサートは、列65内の最後の
群の最後のインサートと最初の群の最初のインサ
ートとの間に空間に配置されている。 ピツチの増大量はピツチの増大と共に減少して
おり、各群内のインサートの数は幾つかの基準に
従つて選定されている。先ずインサートを所定の
位置に保持するに必要な所要のカツタシエル金属
によつて最小ピツチが決定される。ピツチの増大
量は典型的な地層が一つのインサートによつて掻
き崩される程度により決定される。この値はイン
サート49の直径よりも大きく、カツタシエル5
3の円周長さ、インサートの大きさ及び形状、及
びインサートのカツタシエルよりの突出部に依存
する。 一つの群内のインサートの数はインサート毎の
所要の変化に依存する。一つのインサートからそ
の隣接するインサートまでのピツチの差が明確に
なるようにするために、一般に各群には3〜7個
のインサートが分配される。インサートの正確な
位置を計算するためには、一つの群内のインサー
ト間の空間の数より1少ない数にて全ピツチ増大
量をまかなう一定数が算出される。ピツチが増大
する群に於ては、インサートの中心線間の任意の
空間にその群内の前の空間に前記定数を加算した
値と等しい。逆にピツチが減少する群に於ては、
インサート中心線間の任意の空間は前の空間より
前記定数を減算した値と等しい。一つの列内の各
群について使用される最大空間及び最小空間はそ
れぞれ同一であるのが好ましい。 第7図に於て、列65は五つのピツチが増大す
る群と四つのピツチが減少する群よりなる9個の
インサート群を有している。二つのピツチが増大
する群と二つのピツチが減少する群とが交互に配
置されている。各インサート群は5個のインサー
トを含んでおり、各群のインサート間にはピツチ
の異る4つの空間が郭定されている。また一つの
ピツチが増大する群の後に一つのピツチが減少す
る群が配置される部分に於ては、それらの群は互
に重なり合つており、ピツチが増大する群の最後
の空間はピツチが減少する群の最初に空間でもあ
る。 第7図は表2に示されている如く、列65内の
インサートの相対的角方向位置を示している。カ
ツタシエル53(第6図参照)はカツタシエル3
3(第3図参照)と同一の大きさのインサート4
9(第4図参照)を使用している。しかしカツタ
シエル53は寸法が異つており、その内側部55
aから外側部57までの長さは13.970cmであり、
ゲージカツタ61の内縁部に於ける直径は36.626
cmであり、ノーズ領域59の外縁部に於ける直径は
36.225cmである。第7図に於ける角度α(単位゜)
は図示の垂直軸線67に於ける0にて始まつてい
る。軸線67上に配置されたインサート孔65′
は表2に於てはインサートNo.2として示されてお
り特定のカツタ寸法についての列65内の全ての
インサートは、表2に於てA欄(単位cm)に示さ
れている如く外側部57から13.256cmである。列
65内の次のインサート孔65″は、第一のイン
サート孔65′の中心線、即ち軸線67より1.560
反時計廻り方向へ回動した位置に配置された表2
のインサートNo.7のインサートのためのものであ
る。また第三のインサート孔65は、軸線67
より17.940゜の位置、即ちインサート孔65′の中
心線より9.430位置に配置された表2のインサー
トNo.13インサートのためのものである。 ピツチの漸次増減及びインサートの位置はかか
る要領にて表2を用いて決定されてよい。表2に
示された他の数は後に説明するカツタシエル53
上に配置される他のインサートのための位置を示
している。 第6図に於て、互違いの列69のインサートが
円錐台状面63bにその環状面63aとの縁部近
傍に配置されている。第8図は第7図と同様のイ
ンサートの配置状態を示す解図であり、列69と
列71との相対的位置関係を示している。列69
のインサート中心線の全ては外側部57より
4.760cmの位置に配置されており、他方側71の
インサート中心線の全ては外側部57より4.015
cm位置に配置されている。従つて列69及び列7
1のインサート孔の中心線は回転軸線54に沿つ
て0.744cm互に隔置されている。これらのインサ
ート孔の直径は1.587cmであるので、インサート
の直径の約半分が互に重なり合つている。或る程
度重なり合うのを確保するためには、列67及び
列71のインサート中心線間の軸線方向距離はイ
ンサートの直径を越えてはならない。 列69の18個のインサートは6個づつのインサ
ートの三つの群に分割されている。列69の各群
は反時計廻り方向に見た場合ピツチが低下する群
である。これらのインサートの位置は列65につ
いて上述した如く選定されており、表2に示され
ている。列69の各群は列71の各群と交互に配
置されており、また列71の各群によつて周縁方
向に分離されている。列69の第一のインサート
孔69′は表2に於てインサートNo.38して示され
ており、軸線67と同一の軸線である軸線73よ
り54.290゜の位置に配置されている。第二のイン
サート孔69″は軸線73より63.430゜の位置に配
置されたインサートNo.46として示されている。 列71の21個のインサート孔は四つの群に分割
されており、そのうちの三つは5個のインサート
を有しており、他の一つの群は6個のインサート
を有している。列71の群は各インサート間に一
様なピツチを有している。列71の第一のインサ
ート孔71′は軸線73より4.940゜の位置に配置
されたインサートNo.5として表2に示されてい
る。列71の第二のインサート孔71″は、軸線
73より14.810゜の位置に配置されたインサート
No.12として表2に示されている。 第6図に於て、第四の列75のインサートは環
状面63aに配置されている。この列75の全て
のインサート孔の中心線は外側部57より5.319
cm隔置されている。列75には40個のインサート
孔が配列されており、それらのインサート孔は7
個のインサートよりなる三つのピツチが増大する
群に分割されており、各インサート間には六つの
空間が郭定されている。これらの群のピツチは列
65について上述したのと同様の要領にて計算さ
れている。各インサートこれら三つの群間に於て
は均等に隔置されている。インサートの正確な位
置は表2に示されており、列75の全てのインサ
ート孔は距離2.578cmの下で欄Aに示されている。 直径1.587cmのインサートについては、列75
は互違いの列71と1.437cmしか軸線方向に隔置
されていないので、列71のインサートとオーバ
ラツプしている。かかるオーバラツプを許すた
め、互違の列71の各インサートは列75の二つ
のインサートの間に隔置されている。かかるオー
バラツプは列75と互違いの列71との干渉を阻
止する。 第6図に於て、インサートの列77はゲージ領
域61に配置されている。これらのインサート
(図示せず)は、それらが平坦な上面を有してい
る点でインサート49(第1図参照)と異つてい
る。これらのインサートはそれらの上面がゲージ
領域61の表面と同一高さの状態にて装着され
る。列77には39個の均等に隔置されたインサー
トが配置されるのが好ましく、これらのインサー
トは表2には示されていない。 第6図に於て円錐台状面63b及び63cには
複数個のインサート孔79(そのうちの一つのみ
が図示されている)が分散配置されている。イン
サート孔79の位置はノーズ領域59と列59及
び71の境界領域との間の領域内に選定されてい
る。またインサート孔79は中間カツタ29につ
いて上述したのと同一の境界領域の最大限界及び
最小限界以内に選定されている。このインサート
孔79の位置を選定するのに上述したのと同一の
コンピユータプログラムが使用され、中間カツタ
の寸法とは異つて数字が使用される。カツタシエ
ル53に於ける全ての無作為に選定されたインサ
ートの位置が表2に示されている。カツタシエル
33についてのコンピユータプログラムとカツタ
シエル53についてのコンピユータプログラムと
の間の数字の相違はライン00620、00630、00640、
00650のみである。それらの相違は以下の通りで
ある。 ライン カツタシエル33 カツタシエル5 00620 7.074 7.473 00620 8.020 8.024 00620 395 274 00630 169 96 00630 0 21 00640 0 21 00640 9.893 11.0 00650 5.506 2.894 00650 6.561 4.498 00650 0 18 またライン00660Cから00720Cまではそれらの
表示に「C」は含まれていない。 列69と列71とにより与えられる境界領域は不規
則であるので、列69及び71と分散配置された
インサート孔79との間には周縁方向の空間は存
在しない。即ち中間カツタ63に於ける回転軸線
54に垂直な任意の平面は必ず少なくとも一つの
インサートの一部を通過する。互違いの列69及
び71は周縁方向の空間がこれらの列と列75と
の間に存在するのを阻止するので、中間カツタ6
3には、回転軸線54に垂直な平面が少なくとも
一つのインサートの一部を通過することなく延在
し得るような空間は存在しない。周縁方向の空間
は列65より半径方向内方のノーズ領域59に存
在する。カツタシエル53を横切るインサートの
相対密度はかなり一様なものであり、カツタシエ
ル33について上述した如く0.10以下に低下しな
いのが好ましい。 作動に於ては、ステム19(第1図参照)が時
計廻り方向へ回転され且上方へ上昇される。この
ことによりカツタ組立体21が回転され、掘削孔
面51の周りに環状通路が形成される。インサー
ト49は地層を掻き崩し、たて坑13を形成す
る。 本発明による土中穿孔ドリルビツトは種々の利
点を有している。掘削孔の中間部分、即ちゲージ
カツタとインナカツタとの間に於ては、掘削孔面
の環状部をカバーするのに一つのカツタしか必要
とされない。何故ならば、上述の如きインサート
の配置によれば、従来技術に於ては各列間に発生
することがあつたインサート孔列の干渉が起り得
ないからである。カツタをオーバラツプして配置
したり互違いに配置したりしなくても、より高い
圧力が各インサートに及ぼされることが許容され
る。何故ならば、ビツトに及ぼされる力を伝達す
るカツタはより少なくなるからである。かくして
カツタの数が少なくて済むことにより、たて坑の
穿孔に於て必要とされる保守が低減される。たて
坑の面は均等にカバーされ、これにより破砕効率
が高くなり、また中心がずれた運転条件により掘
削不充分となることが回避される。中間領域に於
てはカツタをオーバラツプして配置する必要がな
いので、各カツタ間のトラツキングが回避され
る。 数列のインサートにてインサートを分散配置す
ることと、ゲージカツタ及びインナカツタのピツ
チを変化することとの組合せにより、掘削孔面が
均等にカバーされる。インサートを数列にて配置
することにより、パイロツト孔及び掘削孔の側壁
領域に於けるカーバイト密度が高くされる。更に
これらの列に於けるインサートのピツチを変化す
ることにより、トラツキングが回避される。 以上に於ては本発明を幾つかの実施例について
詳細に説明したが、本発明はこれらの実施例に限
定されるものではなく、本発明の範囲内にて種々
の修正並びに省略が可能であることは当業者にと
つて明らかであろう。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to an underground drilling drill bit, and more particularly to an arrangement of cutting elements thereof. The most common type of underground drill bit for oil and gas wells is a cutter that rotates about an axis and rolls around the bottom of the wellbore along its path or cut as the bit rotates. . The stub has several rows of teeth that cut through the strata due to the force applied to the stub. The teeth are spaced apart in several rows, and are spaced so that as much soil as possible at the bottom of the borehole is scraped away by one rotation. The conventional underground drill bit is
It includes various features designed to avoid the problem known as "tracking." This tracking problem occurs when the teeth are spaced apart on a rotatable cutter such that each tooth repeatedly passes through the imprint made in the soil by the previous tooth. Therefore, ridges and peaks may be formed in the soil.
As a result, the cutter has its wear and tear accelerated. Each tooth is therefore worn prematurely and unevenly. In bits equipped with hard metal insert teeth that are held in a tight fit within the drilled hole, the supporting metal may wear early in the morning, causing the insert to fall out. A solution to this tracking was introduced on April 10, 1973.
U.S. Patent No. RCOPessier granted on the date
No. 3,726,350 and U.S. patent application Ser. Another solution to the tracking problem is proposed in US Pat. No. 4,187,922, issued to FFPhelps on February 12, 1980. In the invention described above, the inserts are arranged in annular rows and the spacing between each insert is varied to prevent tracking from occurring. In these prior art inserts are arranged in groups, in one group each insert is similarly partitioned, while in other groups the inserts are spaced differently. or the spacing of the inserts in each row is such that the spacing gradually increases from the minimum to the maximum and decreases to the minimum, or the inserts of each pair are spaced apart from each other in the row. The spacing of the inserts is varied in each row so that they are separated by a different spacing than the spacing between all other pairs of inserts. In each of the prior art solutions mentioned above, the inserts are arranged in an annular row.
Each row is separated by a minimum spacing to provide sufficient support metal for the insert. To prevent furrows from forming between each row, one other vine placed in the same cut or path is placed in a staggered pattern to remove soil in areas where furrows would otherwise form. It has columns. Another method is to position the cutter itself offset from the other cutters within the cut, as described in the aforementioned US patent application Ser. No. 043,533. In this case, the bit may rotate off center, which means that the axis of rotation of the bit is displaced from the central axis of the borehole during drilling. One result of such a phenomenon is that ridges also develop between alternating rows of the various cutters. In prior art cutters there are regions with overlapping rows of rings without any space between them. The aforementioned U.S. Patent No.
No. 3,726,350, the cutter has rows of insert halves that are offset from each other. U.S. Pat. No. 2,774,571 discloses the use of the inner end or nose region of each cutter in which inserts are thus arranged. Also, in U.S. Pat. No. 2,230,569, a number of arrangements for cutters with milled teeth, such as a spiral row of teeth, are described. Vertical shaft cutters having spiral rows are also conventionally used. The teeth or inserts are all arranged in several rows in the prior art. The rows may extend circumferentially or perpendicular to the axis of the cutter, with each insert within the row extending only partially around the cutter. It may be. The rows may be parallel to the axis of the cutter or may be spiral as described above. However, all these insert arrangements cannot completely eliminate tracking problems,
Furthermore, it is not possible to completely cover the bottom of one cut with one cutter. The object of the present invention is to have inserts distributed on the surface of the cutter so that only one cutter is used in a selected cut, and the cutting elements are balanced so that the rock can be fractured more efficiently. An object of the present invention is to provide an underground drilling drill bit having a cutter configured to undergo loose wear. Another object of the present invention is to provide an underground drilling drill bit that can avoid tracking even under off-center operating conditions and eliminate the occurrence of annular ridges. be. These objectives are accomplished in the preferred embodiment by spacing the inserts in a distributed pattern that varies widely in spacing rather than rows. In order to provide sufficient strength to the metal fittings supporting the inserts, a minimum distance between the inserts is defined around each insert such that a constraint is imposed on the spacing of the inserts. A maximum distance is also established around each insert to ensure that adjacent traces at the bottom of the borehole overlap. This maximum distance is a function of the nature of the rock and the size of the insert. A boundary area is thus defined around each insert and the inserts are distributed within that boundary area. In locating the inserts in the preferred method, one insert is first placed at any point within a selected area of the cutter shell. The position of the second insert is then selected within a bounded area around the first insert, in a preferred method using a random number generator. A further third insert is disposed in a similar manner within the border area around the second insert. However, the third insert need not be located closer to the first insert than the minimum required distance between the inserts. The positions of subsequent inserts are then selected in a similar manner. The invention will now be described in detail with reference to preferred embodiments and with reference to the accompanying drawings. In the accompanying FIG. 1, a lift drill bit or reamer 11 is shown drilling a shaft 13. This lifting drill bit 11 is adapted to be pulled upwardly into a previously drilled pilot hole 15. Rising drill bit 11
includes a cutter support member or cutter support plate 17 fixed perpendicularly to a cylindrical stem 19. The stem 19 is fixed to a drill pipe (not shown) and has a longitudinal or rotational axis concentric with the axis of the cutter support plate 17. The cutter support plate 17 has a cutter mount 2.
3, a plurality of cutter assemblies 21 are attached. Each cutter mount has two arms 25 spaced apart from each other and facing away from the cutter support plate 17. Arm 25 defines a saddle for receiving cutter assembly 21. The cutter assembly 21 is one inner cutter 27
, some intermediate cutters 29 , and some outer cutters or gauge cutters 31 . It is preferable that the inner cutter 27 and the gauge cutter 31 are the same. Further, in a preferred embodiment, the width of the cutting structure of the inner cutter 27 and the gauge cutter 31 is smaller than the width of the cutting structure of the intermediate cutter 29. Each cutter assembly 21 is a
043533, which includes a cutter shell mounted on a bearing. A cutter shell 33 for the intermediate cutter 29 is shown in cross section in FIG. Each cut shell 33 is generally conical in shape and is cut perpendicular to the axis of rotation 35 to define a frustoconical outer surface in rolling contact with the soil. The inner part 37 of the cutter shell 33 is the stem 19
(see Figure 1), and its outer part 39
The outer diameter is smaller than that of the Each cutter shell 33 has a nose region 41, a middle region 45, and a gauge region 43. The nose region 41 is an annular truncated conical surface formed at the edge of the inner portion 37 . The surface of this nose region 41 is formed at an angle of 54° to the axis of rotation 35.
Gauge area 43 is a truncated conical surface formed at the edge of outer edge 39 . The surface of this gauge area 43 is formed at an angle of 60° with respect to the axis of rotation 35. The intermediate region 45 is cylindrical and has a rotational axis 3
5 adjacent to the gauge region 43. The truncated conical surface 45b is the annular surface 45
a, and in the preferred embodiment is formed at an angle of 7.5° with respect to the axis of rotation 35. Another truncated conical surface 45c is formed between the truncated conical surface 45b and the nose region 41, and this truncated conical surface is formed at an angle of 12.5 degrees with respect to the rotation axis 35. . As used herein, nose region and gauge region refer to surfaces directly connected to the inner and outer portions, respectively, separated by an intermediate cutter and formed at a substantially greater angle to the axis of rotation than the intermediate cutter. defined as something. The intermediate region 45 is a hole drilled perpendicularly to its surface and includes a hard metal insert 49 (first
It includes a plurality of apertures 47 (only one of which is shown) that house the holes (see figure). In a preferred embodiment for intermediate cutter 29, no insert is located in nose region 41 or gauge region 43. The bottom pattern of the insert hole 47 is shown in an exploded view in FIG. 2, which shows the appearance of the bottom of the cut hole when one cutter is rotated once. The left side of FIG. 2 shows a truncated conical surface 45.
Intermediate region 4 at the intersection with nose region 41 of c
It shows the inside of 5. The right side of FIG. 2 shows the outside of the intermediate region 45 at the intersection of the annular surface 45a and the gauge region 43. The inserts in the intermediate region 45 are distributed or irregularly arranged within the limits of the border region so as not to form an annular array. Each insert hole 47 in intermediate region 45 has a border region surrounding the insert. The bounding area of the first selected insert hole 47' is schematically shown in dashed lines in FIG. , and a second loop 55 corresponding to the maximum required distance between the insert centerlines. In the preferred method and apparatus, the first loop 53 and the second loop 55 are concentric and identical for each insert hole 47 located in the intermediate region 45. The minimum required distance is determined empirically by the cutout metal required to hold the insert. The maximum required distance is also determined by the extent to which a typical formation is disturbed by a single insert. Moreover, these minimum required distances and maximum required distances depend on the circumference of the cutter, the shape and size of the insert, and the amount of protrusion of the insert from the cutter shell. The cutter diameter on the inside of the truncated conical surface 45c is 34.279 cm, and the annular surface 45a
The diameter of the cutter is 39.471 cm, the diameter of the insert hole 47 is 1.5875 cm,
In the preferred embodiment where the depth of 47 is 1.270 cm, the minimum required distance between insert centerlines is 2.0664 cm.
cm. Therefore, the radius of the first loop 53 is
It is 2.064cm. Also, the maximum required distance between the insert centerlines is 3.483 cm, so the radius of the second loop 55 is 3.483 cm. In a preferred method of selecting the position of the insert, the position of the first insert hole 47' is arbitrarily selected at any point in the intermediate region 45. Then, in the example of FIG.
7" centerline position of the first loop 53 and second loop 55 of the first insert hole 47', as by a typical computer positioning random number generator.
randomly selected within the area between. "Random"
The term refers to irregular insert positioning without a specific pattern within a specific boundary area. A first loop 53' and a second loop 55' of the border area are then formed around the centerline of the second insert 47'', as shown in dotted lines in FIG. 5. Third insert hole 47
are randomly located within the boundary area of the second insert hole 47''. However, this third insert hole 47 is located closer to the first insert hole 47' than the minimum required distance between the inserts. In FIG. 5, the border area of the second insert hole 47'' which is too close to the first insert hole 47' is shown by hatching. Such an insert hole positioning procedure is such that each subsequent insert location is randomly selected within the boundary area of the previous insert, but closer to any previously selected insert than the minimum required distance between the inserts. This will be done to ensure that nothing happens. And this procedure is intermediate area 45
The process is repeated until the insert positions are determined for all of the positions of the inserts. Due to the spatial limitations of the intermediate region 45, there are some spaces where the distance from the insert is greater than the maximum required distance, but insufficient to place additional inserts without being too close to existing inserts. However, this is acceptable. However, the minimum required distance must always be observed. As mentioned above, the insert location selection procedure may be performed manually or by a computer. In the computerized method, a random number generator is used to select the insert location within the boundary area limits. In a purely mathematical sense, the program is not random, since no repetitions occur in true random selection. The random number generator used in connection with the program generates approximately 50000 before producing a repeating number.
generate a number of This is sometimes called pseudo-random selection. A computer program in the Fortran language is listed at the end of this specification. In this program, the intermediate area 4
5 is an annular surface 45a, truncated conical surfaces 45b and 45c
was assumed to be a conical surface with one angle rather than one with multiple angles. In selecting the insert locations, some of the insert holes 47 will be located close to the edge of the intermediate region 45. This is permissible as long as the cylindrical surface of insert hole 47 is no closer than about 0.0396 cm from the edge of intermediate region 45. If the border region of a previous insert crosses the edge of the intermediate region 45, the insert may be placed only in that portion of the border region inside the intermediate region. According to the above procedure, a cutter can be obtained in which inserts are intentionally avoided from being arranged in rows in the intermediate region 45. The spacing between the inserts is distributed such that there are no groups of three adjacent inserts in which the intersection of the centerline of the insert and the cut surface lies in one plane. Although one or more clusters may occur in the preferred embodiment, the occurrence of such clusters is believed to be rare. FIG. 3 is a graph showing substantially uniform coverage of the cutting structure. This graph was constructed by plotting the relative density of the inserts starting at the nose region 41 and continuing radially outward to the gauge region 43 with the location of each insert.
The relative density of the inserts represents the sum of the linear distances of the inserts passing through a selected plane divided by the circumference of the cutter shell in the selected plane. The plane selected in this case must be perpendicular to the axis of rotation 35 of the cutting shell 33. For example, the nose region 41
At a position 0.5 inch (1.27 cm) from the truncated conical surface 4
A plane passing through 5c and perpendicular to the axis of rotation 35 passes through a number of inserts 49. This plane passes through several inserts and also divides it into two,
It also passes through only part of other inserts. When this plane passes through each insert at the same point as the cutter shell 33, its length of passage is added to the linear distance. Thus, once the straight line distances are added, these distances are divided by the circumference of the cutlet shell at the relevant location to give approximately 1.274 cm from the nose area 41.
The value is 0.28. If the inserts are spaced in annular rows at such points and there is no cutter metal between them, the relative density of the inserts is 1.0 or
It becomes 100%. The first at both side edges of the intermediate region 45
For sections other than 0.25 inch (0.635 cm), the relative density varies between approximately 0.15 and 0.28, preferably not dropping below 0.10, so the insert distribution is fairly uniform. Please note that. This shows that all possible planes extending perpendicular to the axis of rotation 35 divide at least one part of the insert. If annular columns existed, the graph of FIG. 3 would have a value of 0 between each annular column because the plane at these points would not pass through any insert. The attached Table 1 shows the exact position of each insert 49 in the insert hole 47 in the middle region 45 of the cutter with dimensions as described above. "A"
The column marked with indicates the distance along the axis of rotation 35 from the outer part 39 to the point where the insert is placed. Further, the angle α is an angle around the rotation axis 35 of the cutter shell 33 when measured from an arbitrary first point. The distance between any angles α is proportional to the circumferential distance along the intermediate region 45 of the cutter in a plane perpendicular to the axis of rotation 35. Although not essential to the present invention, each insert hole 47 is disposed at a position that differs in distance from the outer portion 39 from all other insert holes to the third decimal place. Further, each insert hole 47 is arranged in a different plane from all other insert holes up to the third decimal place. The positions of the inserts were selected by computer, but not in the numerical order shown in Table 1. That is, the positions of the second inserts selected by the computer do not necessarily correspond to the order of the insert numbers shown in Table 1. Insert No. 3 of Table 1 is Table 1
It does not exist within the boundary area of insert No. 2. Rather, Table 1 lists each insert in order of increasing angle α. Inserts No. 292 to 294 are shown in FIG. 3 so that FIG. 3 corresponds to Table 1. All insert holes 4
7 are bored perpendicularly to the surface on which they are located, except for insert holes passing through the intersection of the annular surface 45a and the truncated conical surface 45b and the intersection of the truncated conical surface 45b and the truncated conical surface 45c. For the insert holes passing through each of the latter holes, they are drilled perpendicular to a surface that includes more than half the diameter of the insert hole. Figure 6 shows inner cutter 27 or gauge cutter 3.
1 (see FIG. 1). These cutters are identical to each other, but differ considerably from the intermediate cutter 29. One reason now is that the gauge cutter 31 requires a very high density insert at its outer edge so that it can cut through the sidewalls of the shaft 13. The inner cutter 27 also requires a row of inserts in its nose region to be able to cut away the edge of the pilot hole 15. In order to be compatible, the inner cutter 27 and the gauge cutter 31 must be formed identically to each other, with several rows of inserts located both in the nose region and near the gauge cutter region. The inner cutter 27 or the gauge cutter 31 has a substantially conical shape and includes a cutter shell 53a cut perpendicularly to its axis of rotation 54. The bearing for the cutter shell 53a is the aforementioned intermediate cutter 2.
It has the same structure as that used in 9. The cutter shell 53a has an inner portion 55a that is closer to the stem 19 (see FIG. 1) than its outer portion 57. Each katsuta shell 53a is
Like the intermediate cutter 29 described above, it has a nose region, an intermediate region, and a gauge region. Nose area 5
Reference numeral 9 denotes a circular truncated conical surface formed at an angle of 35° with respect to the rotation axis 54 at the edge of the inner portion 55a. Gauge area 61 is a circular truncated conical surface formed at an angle of 60° with respect to axis of rotation 54 at the edge of outer portion 57 . The intermediate region 63 has an annular surface 6 formed at an angle of 5° to the axis of rotation 54.
3a adjacent to its gauge region 61. The annular surface 63a is connected to a truncated conical surface 63b, and this truncated conical surface 63b is connected to the first loop 5.
It is formed at an angle of 7.5 degrees to 4. Another truncated conical surface 63c is formed between the nose region 59 and the truncated conical surface 63b at an angle of 20 degrees with respect to the axis of rotation 54. Nose region 59 includes a row of insert holes 65 that are drilled and reamed for receiving inserts 49 (see FIG. 1). Row 65 includes 37 insert holes spaced equidistantly from outer portion 57. In this specification, pitch is defined as the distance between the center lines of the inserts on the surface of the cutter shell 53. The pitch is varied in column 65 to avoid tracking as described in the aforementioned US patent application Ser. No. 043,533. In FIG. 7, row 65 is divided in a counterclockwise direction into a group of increasing pitch (indicated by ) and a group of decreasing pitch (indicated by D). Pitch gradually increases in groups where it increases;
In the group where it decreases, it gradually decreases.
The starred inserts are spaced between the last insert of the last group and the first insert of the first group in row 65. The amount of pitch increase decreases with increasing pitch, and the number of inserts within each group is selected according to several criteria. The minimum pitch is first determined by the required cutter shell metal needed to hold the insert in place. The amount of pitch increase is determined by the degree to which a typical formation is disturbed by a single insert. This value is larger than the diameter of the insert 49, and the diameter of the cutter shell 5
3, the size and shape of the insert, and the protrusion of the insert from the cutter shell. The number of inserts in a group depends on the desired variation from insert to insert. Generally, three to seven inserts are distributed in each group to ensure that the pitch difference from one insert to its adjacent inserts is clear. To calculate the exact position of the inserts, a constant number is calculated that covers the total pitch increase by one less than the number of spaces between inserts in a group. In groups of increasing pitch, any space between insert centerlines is equal to the previous space in the group plus the above constant. Conversely, in the group where pitch decreases,
Any space between insert centerlines is equal to the previous space minus the constant. Preferably, the maximum and minimum spaces used for each group within a column are the same. In FIG. 7, row 65 has nine insert groups, five increasing pitch groups and four decreasing pitch groups. Groups in which two pitches increase and groups in which two pitches decrease are arranged alternately. Each insert group includes five inserts, and four spaces with different pitches are defined between the inserts of each group. In addition, in the area where a group where one pitch decreases is placed after a group where one pitch increases, those groups overlap each other, and the last space of the group where pitch increases is a space where the pitch increases. It is also the space at the beginning of the decreasing group. FIG. 7 shows the relative angular positions of the inserts within row 65, as shown in Table 2. Katsutashiel 53 (see Figure 6) is Katsutashiel 3
Insert 4 of the same size as 3 (see Figure 3)
9 (see Figure 4). However, the cutout shell 53 has different dimensions, and its inner part 55
The length from a to the outer part 57 is 13.970 cm,
The diameter at the inner edge of the gauge cutter 61 is 36.626
cm, and the diameter at the outer edge of the nose region 59 is
It is 36.225cm. Angle α in Figure 7 (unit: °)
begins at 0 on the vertical axis 67 shown. Insert hole 65' arranged on axis 67
is shown as Insert No. 2 in Table 2 and all inserts in column 65 for a particular cutter size have an outer section as shown in column A (in cm) in Table 2. It is 57 to 13.256 cm. The next insert hole 65'' in the row 65 is 1.560 mm from the centerline, or axis 67, of the first insert hole 65'.
Table 2 placed in a position rotated counterclockwise
This is for insert No. 7. Further, the third insert hole 65 is aligned with the axis 67
This is for insert No. 13 of Table 2, which is located at a position of 17.940 degrees from the center line of the insert hole 65', that is, at a position of 9.430 degrees from the center line of the insert hole 65'. Graduation of pitch and position of insert may be determined in this manner using Table 2. Other numbers shown in Table 2 will be explained later.53
It shows the position for other inserts to be placed on top. In FIG. 6, alternating rows 69 of inserts are placed in frustoconical surface 63b near its edge with annular surface 63a. FIG. 8 is an illustration showing the arrangement of inserts similar to FIG. 7, and shows the relative positional relationship between rows 69 and 71. row 69
All of the insert center lines are from the outer part 57.
The center line of the insert on the other side 71 is 4.015 cm from the outer side 57.
It is located at the cm position. Therefore row 69 and row 7
The center lines of the first insert holes are spaced apart along the axis of rotation 54 by 0.744 cm. The diameter of these insert holes is 1.587 cm, so about half of the insert diameters overlap each other. To ensure some degree of overlap, the axial distance between the insert centerlines of rows 67 and 71 should not exceed the diameter of the inserts. The 18 inserts in row 69 are divided into three groups of six inserts each. Each group in column 69 is a group whose pitch decreases when viewed counterclockwise. The locations of these inserts were selected as described above for row 65 and are shown in Table 2. Each group of rows 69 alternates with each group of rows 71 and is circumferentially separated by each group of rows 71. The first insert hole 69' of row 69 is designated as insert number 38 in Table 2 and is located 54.290 degrees from axis 73, which is the same axis as axis 67. The second insert hole 69'' is shown as insert No. 46 located at 63.430° from the axis 73. The 21 insert holes of row 71 are divided into four groups, of which three One group has five inserts and one group has six inserts.The group in row 71 has a uniform pitch between each insert.The group in row 71 has a uniform pitch between each insert. The first insert hole 71' is shown in Table 2 as insert No. 5 located at 4.940 degrees from axis 73. insert placed in position
It is shown in Table 2 as No. 12. In FIG. 6, the inserts of the fourth row 75 are located on the annular surface 63a. The center line of all insert holes in this row 75 is 5.319 mm from the outer part 57.
cm apart. 40 insert holes are arranged in row 75, and these insert holes are 7
The three pitches of individual inserts are divided into increasing groups, with six spaces defined between each insert. The pitches of these groups are calculated in a manner similar to that described above for column 65. Each insert is evenly spaced between these three groups. The exact location of the inserts is shown in Table 2, with all insert holes in row 75 shown in column A under a distance of 2.578 cm. Row 75 for a 1.587 cm diameter insert
The inserts overlap the inserts in row 71 because they are axially spaced only 1.437 cm from alternating rows 71. To allow for such overlap, each insert in alternate rows 71 is spaced between two inserts in row 75. Such overlap prevents interference between row 75 and alternating row 71. In FIG. 6, rows 77 of inserts are located in gauge area 61. In FIG. These inserts (not shown) differ from insert 49 (see FIG. 1) in that they have a flat top surface. These inserts are mounted with their top surfaces flush with the surface of the gauge area 61. Preferably, 39 evenly spaced inserts are arranged in row 77, and these inserts are not shown in Table 2. In FIG. 6, a plurality of insert holes 79 (only one of which is shown) are distributed in the truncated conical surfaces 63b and 63c. The position of the insert hole 79 is selected in the area between the nose area 59 and the boundary area of the rows 59 and 71. The insert hole 79 is also selected within the maximum and minimum limits of the same boundary area as described above for the intermediate cutter 29. The same computer program as described above is used to select the location of this insert hole 79, and numbers are used instead of the dimensions of the intermediate cutter. The positions of all randomly selected inserts in the cutout shell 53 are shown in Table 2. The numerical differences between the computer program for Katsutashiel 33 and the computer program for Katsutashiel 53 are lines 00620, 00630, 00640,
00650 only. Their differences are as follows. Line Katsutashiel 33 Katsutashiel 5 00620 7.074 7.473 00620 8.020 8.024 00620 395 274 00630 169 96 00630 0 21 00640 0 21 00640 9.893 11.0 00650 5 .506 2.894 00650 6.561 4.498 00650 0 18 Also, from line 00660C to 00720C, "C" is displayed in those displays. Not included. Since the boundary area provided by rows 69 and 71 is irregular, there is no circumferential space between rows 69 and 71 and the distributed insert holes 79. That is, any plane perpendicular to the axis of rotation 54 in the intermediate cutter 63 always passes through a portion of at least one insert. The alternating rows 69 and 71 prevent circumferential spaces from existing between these rows and row 75, so that the intermediate cutters 6
3, there is no space in which a plane perpendicular to the axis of rotation 54 can extend without passing through at least a part of the insert. A circumferential space exists in the nose region 59 radially inward from the row 65. The relative density of the insert across the cutter shell 53 is fairly uniform and preferably does not fall below 0.10 as discussed above for the cutter shell 33. In operation, stem 19 (see FIG. 1) is rotated clockwise and raised upwardly. This rotates the cutter assembly 21 and forms an annular passage around the borehole surface 51. The insert 49 disturbs the strata and forms the vertical shaft 13. The underground drill bit according to the invention has various advantages. In the middle part of the borehole, ie between the gauge cutter and the inner cutter, only one cutter is needed to cover the annular portion of the borehole surface. This is because, with the insert arrangement as described above, interference between the insert hole rows, which could occur between rows in the prior art, cannot occur. Higher pressure is allowed to be exerted on each insert without overlapping or staggered placement of the cutters. This is because there are fewer cuts to transmit the force exerted on the bit. The reduced number of stubs thus reduces the maintenance required in drilling the shaft. The face of the shaft is evenly covered, which increases the crushing efficiency and avoids under-excavation due to off-center operating conditions. Since it is not necessary to arrange the cutters in an overlapping manner in the intermediate region, tracking between the cutters is avoided. The combination of distributing the inserts in several rows and varying the pitch of the gauge cutter and inner cutter provides uniform coverage of the borehole surface. By arranging the inserts in several rows, the carbide density in the side wall region of the pilot hole and borehole is increased. Furthermore, by varying the pitch of the inserts in these rows, tracking is avoided. Although the present invention has been described above in detail with reference to several embodiments, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and omissions can be made within the scope of the present invention. This will be obvious to those skilled in the art.

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【表】【table】 【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明に従つて構成されたカツタ組立
体を有する上昇ドリルビツトを一部断面にて示す
解図的正面図であり、特に各カツタ組立体はそれ
らの相対的半径方向位置を示すべく断面の平面に
仮想線にて示されている。第2図は第1図に示さ
れた中間カツタのうちの一つの中間カツタのイン
サート位置を示す解図である。第3図は第1図に
示された中間カツタのうちの一つの中間カツタの
インサート密度を示すグラフである。第4図は第
1図に示された中間カツタのうちの中間カツタの
一つのカツタシエルを示す解図的断面図である。
第5図は本発明に従つてインサートを位置決めす
る方法を示す解図である。第6図は第1図に示さ
れたインナカツタ又はゲージカツタの一つのカツ
タシエルを示す第4図と同様の解図的断面図であ
る。第7図は第1図に示されたゲージカツタ又は
インナカツタの一つに於ける一つのインサート列
の配合状態を示す解図である。第8図は第1図に
示されたゲージカツタ又はインナカツタの一つに
於ける二つのインサート列の配列状態を示す第8
図と同様の解図である。 11……上昇ドリルビツト、13……たて坑、
15……パイロツト孔、17……カツタ支持プレ
ート、19……ステム、21……カツタ組立体、
23……カツタマウント、25……アーム、27
……インナカツタ、29……中間カツタ、31…
…ゲージカツタ、33……カツタシエル、35…
…回転軸線、37……内側部、39……外側部、
41……ノーズ領域、43……ゲージ領域、45
……中間領域、45a……環状面、45b,45
c……円錐台状面、47……インサート孔、49
……インサート、51……掘削孔面、53……第
一のループ、53a……カツタシエル、54……
回転軸線、55……第二のループ、55a……内
側部、57……外側部、59……ノーズ領域、6
1……ゲージ領域、63……中間領域、63a…
…環状面、63b,63c……円錐台状面、65
……列、67……軸線、69,71……列、73
……軸線、75,77……列、79……インサー
ト孔。
FIG. 1 is a schematic front view, partially in section, of a lift drill bit having cutter assemblies constructed in accordance with the present invention, in particular each cutter assembly is shown to show their relative radial position; It is shown in phantom in the plane of the cross section. FIG. 2 is an illustration showing the insert position of one of the intermediate cutters shown in FIG. 1. FIG. 3 is a graph showing the insert density of one of the intermediate cutters shown in FIG. 1. FIG. FIG. 4 is an illustrative sectional view showing a cutter shell of one of the intermediate cutters shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is an illustration showing a method of positioning an insert in accordance with the present invention. FIG. 6 is an illustrative sectional view similar to FIG. 4, showing one cutter shell of the inner cutter or gauge cutter shown in FIG. 1. FIG. 7 is an explanatory view showing the compounding state of one insert row in one of the gauge cutters or inner cutters shown in FIG. 1. FIG. Figure 8 shows the arrangement of two rows of inserts in one of the gauge cutters or inner cutters shown in Figure 1.
This is an illustration similar to the figure. 11... Ascent drill bit, 13... Vertical shaft,
15...Pilot hole, 17...Cut support plate, 19...Stem, 21...Cut assembly,
23...Katsuta mount, 25...Arm, 27
...Inner Katsuta, 29...Middle Katsuta, 31...
...Gauge Katsuta, 33...Katsuta Ciel, 35...
...rotation axis, 37...inner part, 39...outer part,
41...Nose area, 43...Gauge area, 45
... Middle region, 45a ... Annular surface, 45b, 45
c... truncated conical surface, 47... insert hole, 49
...Insert, 51...Drilling hole surface, 53...First loop, 53a...Katsutashiel, 54...
Rotation axis, 55... second loop, 55a... inner part, 57... outer part, 59... nose region, 6
1...Gauge area, 63...Intermediate area, 63a...
...Annular surface, 63b, 63c...Truncated conical surface, 65
...Column, 67...Axis line, 69, 71...Column, 73
... Axis line, 75, 77 ... row, 79 ... insert hole.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 土中穿孔ドリルビツトに回転可能に装着され
掘削されるべき地層の表面に沿つて転動されるよ
うに構成された円錐台形状のカツタシエル33,
53と、前記カツタシエルの外周面に沿つた環状
帯部分45に設けられた複数の孔47,79の
各々に固定されたインサート49とを有するカツ
タにして、前記インサートの各々は前記環状帯部
分内で如何なる方向及び形状の列をも形成しない
ように幅方向及び円周方向に互いに異る間隔にて
隔置され、前記インサートの各々は、そのインサ
ートが隣接する最も近くのインサートとの間の距
離が最小所要距離と最大所要距離との間にあるよ
うに配置され、前記最小所要距離と最大所要距離
はカツタの条件と地層の条件とによつて定めら
れ、これによつて前記インサートが前記カツタシ
エルの外周面上に強固に保持され、各インサート
によつて地層が有効に掘削されるように構成され
ていることを特徴とするカツタ。
1. A cutter shell 33 in the shape of a truncated cone, which is rotatably attached to an underground drilling drill bit and configured to be rolled along the surface of the stratum to be excavated.
53, and an insert 49 fixed to each of a plurality of holes 47, 79 provided in an annular band portion 45 along the outer circumferential surface of the cutter shell, each of the inserts being fixed to the annular band portion 45 along the outer peripheral surface of the cutter shell. The inserts are spaced apart widthwise and circumferentially at different intervals from each other so as not to form rows in any direction and shape, each of said inserts having a distance between it and the nearest adjacent insert. is between a minimum required distance and a maximum required distance, the minimum required distance and the maximum required distance being determined by the conditions of the cutter and the conditions of the formation, whereby the insert A cutter characterized by being firmly held on the outer circumferential surface of the cutter and configured so that each insert effectively excavates a stratum.
JP6614481A 1980-06-23 1981-04-30 Cutter for underground drill bit Granted JPS5715796A (en)

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ZA812521B (en) 1982-04-28
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AU543784B2 (en) 1985-05-02
NO811356L (en) 1981-12-28
GB2078826B (en) 1983-12-07
SE8102397L (en) 1981-12-24
NO156952C (en) 1987-12-23
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DE3117268C2 (en) 1991-06-06
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