(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビット本体と、
前記ビット本体から延びる少なくとも一本の軸受シャフトと、
前記軸受シャフトに装着される回転用コーンと、
前記軸受シャフトの外軸受面の非支承ゾーンに形成された第１溝と、
前記軸受シャフトの同外軸受面の前記非支承ゾーンに形成された第２溝と
を備え、前記第１溝は、前記第２溝から周方向にオフセットしており、前記軸受シャフトの前記外軸受面は、第１エッジと第２エッジの間に軸方向に画定されており、前記第１溝は、軸方向にオフセットされて、前記外軸受面の前記第１エッジに近接して位置決めされているドリルツール。
【請求項２】
請求項１のドリルツールにおいて、前記軸受シャフトは、内部潤滑チャネルを含み、さらに前記第１溝内に第１開口を含み、前記第１開口は、前記第１溝と前記内部潤滑チャネルとの間に液流通性を持たせるように設けられているドリルツール。
【請求項３】
請求項２のドリルツールにおいて、前記第１開口は、以下の式を満たす直径Ｄを有するドリルツール。
【数１】
0005876080.tif 000006
但し、Ｋは、１よりも大きい定数、Ｃ＝軸受の直径のクリアランス、及びＬ＝溝の円弧長さである。
【請求項４】
請求項２のドリルツールにおいて、前記第１開口は、以下の式を満たす直径Ｄ２を有するドリルツール。
【数２】
0005876080.tif 000007
但し、Ｋは、１よりも小さい定数、Ｄ１＝シャフトの直径、及びＣ＝軸受の直径クリアランスである。
【請求項５】
請求項２記載のドリルツールにおいて、第１開口の断面積は、前記第１溝に近接して前記軸受シャフトの前記外軸受面に沿う環状の流通面積の１５０％以下であるドリルツール。
【請求項６】
請求項２のドリルツールにおいて、前記第２溝に第２開口をさらに備え、前記第２開口は、前記第２溝と前記内部潤滑チャネルとの間に液流通性を持たせるように設けられているドリルツール。
【請求項７】
請求項１のドリルツールにおいて、前記第２溝からの前記第１溝の周方向オフセットは、前記第１溝と前記第２溝との間の前記軸受シャフトの前記外軸受面に沿って周方向に延びる減衰ゾーンを画定しているドリルツール。
【請求項８】
請求項７のドリルツールにおいて、前記第１溝と前記第２溝の間の前記減衰ゾーンは、前記第１溝又は前記第２溝の何れか一方と前記軸受シャフトの前記外軸受面のさらなる終端との間に提供された軸方向の減衰と概ね等しい周方向の減衰を提供するドリルツール。
【請求項９】
請求項１のドリルツールにおいて、前記軸受シャフトの前記外軸受面は、外筒面であるドリルツール。
【請求項１０】
請求項９のドリルツールにおいて、前記外筒面は、メインジャーナル軸受面であるドリルツール。
【請求項１１】
請求項１のドリルツールにおいて、前記軸受シャフトは、摩擦ジャーナル軸受を支持するものであるドリルツール。
【請求項１２】
請求項１のドリルツールにおいて、軸方向にオフセットされた前記第１溝は、前記第１エッジと前記第１溝との間に軸方向に延びる前記軸受シャフトの前記外軸受面に沿って第１減衰ゾーンを画定するとともに、前記第１溝と前記第２エッジとの間に軸方向に延びる前記軸受シャフトの前記外軸受面に沿って第２減衰ゾーンを画定するドリルツール。
【請求項１３】
請求項１２のドリルツールにおいて、前記第１減衰ゾーンの第１軸方向幅の前記第２減衰ゾーンの第２軸方向幅に対する割合は、約３対１から約６対１の間であるドリルツール。
【請求項１４】
請求項１のドリルツールにおいて、前記第２溝は、軸方向にオフセットされており、前記外軸受面の前記第２エッジに近接して位置決めされているドリルツール。
【請求項１５】
請求項１のドリルツールにおいて、前記各第１、第２溝は、軸方向幅を有し、前記各第１、第２溝の前記軸方向幅は、前記第１、第２エッジの間の前記軸受シャフトの前記外軸受面の軸方向幅の７０％以下であるドリルツール。
【請求項１６】
請求項１のドリルツールにおいて、前記各第１、第２溝は、軸方向幅及び周方向長さを有し、前記各第１、第２溝の前記周方向長さの前記軸方向幅に対する割合は、約２対１から約４対１であるドリルツール。
【請求項１７】
ビット本体と、
前記ビット本体から延びる少なくとも一本の軸受シャフトと、
前記軸受シャフトに装着される回転用コーンと、
前記軸受シャフトの外軸受面の非支承ゾーンに形成された第１溝と、
前記軸受シャフトの同外軸受面の前記非支承ゾーンに形成された第２溝と
を備え、前記第１溝は、前記第２溝から周方向にオフセットしており、
前記軸受シャフトの前記外軸受面は、コーンポンプ圧力パルスの発生源とコーン及び軸受シャフト用密封システムとの間に軸方向に位置決めされた円筒面であるとともに、前記第１、第２溝は、それぞれが第１減衰ゾーンと第２減衰ゾーンを画定するように前記外軸受面の前記非支承ゾーンに位置決めされており、前記第１、第２減衰ゾーンは、前記密封システムに向かう前記コーンポンプ圧力の伝播を軸方向に規制するドリルツール。
【請求項１８】
請求項１７項に記載のドリルツールにおいて、前記第１減衰ゾーンは、前記溝の第１エッジと前記外軸受面の第１エッジとの間に延びる第１軸方向幅を有し、前記第２減衰ゾーンは、関溝の第２エッジと前記外軸受面の第２エッジとの間に延びる第２軸方向幅を有するドリルツール。
【請求項１９】
請求項１８のドリルツールにおいて、前記第１軸方向幅は、前記第２軸方向幅と異なっているドリルツール。
【請求項２０】
請求項１９のドリルツールにおいて、前記第１軸方向溝の前記第２軸方向溝に対する割合は、約３対１から約６対１の間であるドリルツール。
【請求項２１】
請求項１７のドリルツールにおいて、前記第２溝から前記第１溝への周方向のオフセッ
トは、前記第１溝と前記第２溝の間の前記軸受シャフトの前記外軸受面に沿って周方向に延びる第３減衰ゾーンを画定し、前記第１、第２、及び第３減衰ゾーンは、前記密封システムに向かう前記コーンポンプ圧力の伝播を軸方向に規制するドリルツール。
【請求項２２】
請求項２１のドリルツールにおいて、前記第３減衰ゾーンは、コーンポンプ圧力パルスの周方向減衰を提供するものであり、該周方向減衰は、前記第１溝と前記第２溝の何れか一方と前記軸受シャフトの前記外軸受面のさらなる終端との間に提供されたコーンポンプ圧力パルスの軸方向減衰とほぼ等しいドリルツール。
【請求項２３】
請求項１７のドリルツールにおいて、前記第１、第２溝は、互いに軸方向にオフセットしているドリルツール。
【請求項２４】
請求項１７のドリルツールにおいて、前記軸受シャフトは、内部潤滑チャネルをさらに含み、前記第１溝内に第１開口をさらに含み、前記第１開口は、前記第１溝と前記内部潤滑チャネルとの間に液流通性と、前記コーンポンプ圧力パルスの伝播を提供するものであるドリルツール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ロックビットドリルツールに関し、より詳細には、そのようなローラコーンドリルツールに用いられたローラコーンドリルツール並びに潤滑剤および圧力補償システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ローラコーンロックビットは、アースフォーメーションを粉砕し、抗井を掘削するために、オイル、ガス、及びマイニング分野で用いられる切削ツールに通常、用いられる。典型的なローラコーンロックビットの部分の断面を示す図である図１を参照する。図１は、ビットの一つのヘッドとコーンアセンブリを具備した部分を詳細に図示している。このようなビットの一般的な構成と作用は、当業者によく知られている。
【０００３】
ビットのヘッド１０は、下方内方に延びる軸受シャフト１２を備えている。切削コーン１４は、軸受シャフト１２に回転可能に取り付けられている。コーン１４を軸受シャフト１２上で回転可能に支持するために、ローラコーンロックビットに用いられるヘッド及びコーンアセンブリ用軸受システムは、典型的には、荷重支持要素（ローラ軸受システム）としてのローラか、又は、荷重支持要素（摩擦軸受システム）としてのジャーナルを採用している。図１は、第１円筒摩擦軸受１６（メインジャーナル軸受とも称する）によって画定される軸受システムを含む摩擦ジャーナル軸受機器を詳細に図示している。コーン１４は、軸受シャフト１２上に軸方向に保持されているとともに、環状の軌道２０内に設けられた一組のボール軸受１８によって、回転するように支持されている。ヘッド及びコーンアセンブリ用軸受システムは、さらに、第２円筒摩擦軸受２２、第１ラジアル摩擦（スラスト）軸受２４、及び第２ラジアル摩擦（スラスト）軸受２６を含む。
【０００４】
ビットのヘッド及びコーンアセンブリ用軸受システムは、潤滑され、密封される。コーン１４と軸受シャフト１２の間に画定される軸受システム内の空隙は、潤滑剤（典型的には、グリース）で満たされている。この潤滑剤は、一連の潤滑剤チャネル２８を通して空隙に供給される。圧力補償器３０は、通常、エラストマー膜を備えており、上記一連の潤滑剤チャネル２８に対し、液流通性を保持して接続される。潤滑剤は、コーン１４の基部と軸受シャフト１２の基部との間に設けられた密封システム３２によって、軸受システム内に封入されている。ローラコーンドリルビット内の潤滑と密封システムの構成と作用は、当業者によく知られている。
【０００５】
ビットの本体部３４は、そこからヘッドとコーンアセンブリが垂下しているものであり、ドリル条に対するビットの接続を容易にする、ツールジョイント接続を形成する上ねじ切り部（図示せず。ただし、当業者によってよく理解されている）を含む。
【０００６】
図２は、図１に示したビットの断面図を示し、軸受システムの部分のより細部に焦点を当てている。特に、図２では、第１円筒摩擦軸受（メインジャーナル軸受）１６のエリアについて詳細に焦点を当てている。第１円筒軸受１６は、軸受シャフト１２の外周面４０と、コーン１４に圧入されたブッシュ４４の内周面４２とによって、画定されている。このブッシュ４４は、リング形状の構造体であり、当該技術分野において、他の材質の使用も知られているが、典型的にはベリリウム銅製である。ローラ軸受システムにおいて、軸受シャフト１２の外周面４０は、例えばコーン１４内の環状ローラ軌道内に維持されたローラ軸受と相互に作用することになる。
【０００７】
図２はさらに、軸受シャフト１２とコーン１４の間の接点に画定された環状の軌道２０内に上記ボール軸受１８が乗っているところを示している。ボール軸受１８は、ボール開口４６を通して軌道２０に送給され、この開口４６は、ボールプラグ４８によって遮蔽されている。ボールプラグ４８は、ボール開口４６内において、潤滑剤チャネル２８の部位を画定するように形成されている。図示のようなボール軸受システムは、ローラ軸受に利用される軸受システム機器にも典型的に存在するであろう。
【０００８】
上述したように、潤滑剤は、密封システム３２によって軸受システム内に封入されている。密封システム３２は、基本的な構成において、潤滑剤を封入し、かつ外部の堀屑を排除するために、切削コーン１４と軸受シャフト１２の間の密封グランド５２内に位置決めされたＯリングタイプの密封部材５０を具備している。円筒面密封ボス５４は、軸受シャフト１２の基部に設けられている。図示の構成において、密封ボス５４のこの面は、第１摩擦軸受１６外筒面４０から（例えば、ブッシュ４４の厚さだけ）径方向において外方へオフセットしている。もしも必要であれば、密封ボス５４がメインジャーナル軸受１６の面４０に関し、面一に呈し得ることが理解されるであろう。環状の密封グランド５２は、コーン１４の基部に形成されている。切削コーン１４が回転自在に軸受シャフト１２に位置決めされているとき、グランド５２と密封ボス５４とは、互いに位置合わせされている。Ｏリング密封部材５０は、グランド５２の面と密封ボス５４との間で圧縮され、潤滑剤を軸受システム内に封入するように機能する。この密封部材５０は、抗井の穴内の物質（掘削泥や堀屑）が軸受システムに侵入することをも防止する。
【０００９】
時代とともに、ロックビット産業は、密封部材５０用の標準的なニトリル材料から、特性（熱抵抗、化学抵抗）の安定性を高めるため、高飽和ニトリルエラストマに動いてきた。ロックビット軸受に対する密封システム３２の使用は、過去、５０年の間に、劇的に軸受の寿命を延ばしてきた。潤滑剤を軸受システムの空隙に封入し、軸受システムの汚濁物を排除する密封システム３２の機能が延びれば延びるほど、軸受及びドリルビットの寿命は、長くなる。密封システム３２は、かくして、ロックビットの重要な構成品である。
【００１０】
図１を再び参照して、軸受システムの第２円筒摩擦軸受２２は、軸受シャフト１２の外筒面６０とコーン１４の内筒面６２との間に画定されている。外筒面６０は、径方向において内方へ外筒面４０（図２）からオフセットしている。軸受システムの第１ラジアル摩擦軸受２４は、軸受シャフト１２の第１ラジアル面６４とコーン１４の第２ラジアル面６６とによって、第１円筒摩擦軸受１６と第２円筒摩擦軸受２２との間に画定されている。軸受システムの第２ラジアル摩擦軸受２６は、コーンの回転軸上にある第２円筒摩擦軸受２２に近接しているとともに、軸受シャフト１２の第３ラジアル面６８とコーン１４の第４ラジアル面７０とによって画定されている。
【００１１】
潤滑剤は、第１円筒摩擦軸受１６の面４０と４２との間、第２円筒摩擦軸受２２の面６０と６２との間、第１ラジアル摩擦軸受２４の面６４と面６６との間、及び第２ラジアル摩擦軸受２６の面６８と面７０との間に画定される空隙内に供給される。密封グランド５２に位置決めされたＯリングタイプの密封部材５０を有する密封システム３２は、潤滑剤を潤滑システム、とりわけ、軸受システムにおいて対向する径方向及び周方向の面の間に封入するように機能する。
【００１２】
ビットが作動している間、回転しているコーン１４は、ヘッドに沿って、少なくとも軸方向に振動する。この動作は、当該技術分野において、通常「コーンポンプ」と呼称される。コーンポンピングは、掘削過程の間、岩石によってコーンに作用する外力に起因する生来的な動作である。ヘッドに対するコーンポンピング動作の振動周期は、ビットの回転速度に関連する。コーンポンピング動作の振動の大きさは、軸受システムに設けられた製造クリアランスに関連する（より詳細には、第１円筒摩擦軸受１６の面４０と面４２との間、第２円筒摩擦軸受２２の面６０と面６２との間、第１ラジアル摩擦軸受２４の面６４と面６６との間、及び第２ラジアル摩擦軸受２６の面６８と面７０との間に画定される製造クリアランス）。上記大きさは、コーン用保持システム（例えば、ボールレース）に連関する幾何と耐性とによってさらに影響される。コーンポンピング動作が生じるとき、軸受システムの上述した円筒面とラジアル面との間に画定される空隙が変化する。この体積変化は、空隙に供された潤滑剤を圧迫する。空隙の変化と潤滑剤の圧迫は、潤滑剤圧力パルスを生成する原因となる。きわめて短時間にこの圧力パルスに応答して、グリスは、一連の潤滑剤チャネル２８を経由して、軸受システムと圧力補償器３０との間の第１経路に沿って流れる。圧力補償器３０は、そのエラストマー膜で体積変化を補償することによって、圧力パルスを低減し、又は緩衝するように設計されている。しかしながら、本技術分野において以下のことが知られている。すなわち、軸受システム及び密封システム３２の対向する円筒面とラジアル面との間に、圧力パルスに応答し得るグリス流通用の他の経路が存在することにより、圧力補償器３０の有無と作動とに拘わらず、この圧力パルスは、密封システム３２によって感応され得るのである。
【００１３】
圧力パルスに応答した、この第２経路に沿うグリスの流れは、シール機能を損ね、シール寿命を短くし得ることが知られている。例えば、コーンポンピング動作による正負の圧力パルスは、密封グランド内における密封部材５０の動きの原因となる。密封部材５０のかじりや摩耗は、この動きから生じることがある。加えて、コーンポンピング動作による正の圧力パルスは、密封システム３２から潤滑剤グリスが漏れ出る原因となる場合がある。コーンポンピング動作による負の圧力パルスは、抗井の穴内の物質（掘削泥や堀屑）を密封システム３２から軸受システムに引き込む原因となる場合がある。
【００１４】
ここで図３を参照する。同図は、概ね第１摩擦軸受１６のところにある、図２の破線８０に沿った軸受シャフト１２の断面図を示す。当業者に知られているように、軸受システム用第１摩擦軸受１６は、コーン１４の荷重を支える支承ゾーン（約１２０°〜１８０°の円弧角度を有する）と、非支承ゾーン（約１８０°〜２４０°の円弧角度を有する）とを含む。支承ゾーンにある軸受シャフト１２の外面４０は、典型的にはハードフェイスである（明示的には示していないが、当業者には知られている）。潤滑システム用潤滑剤チャネル２８の一つは、非支承ゾーンのエリア内にある軸受シャフト１２の外筒面４０のところで終わっている。軸受シャフト１２の外面４０にある潤滑剤チャネル２８の終端は、典型的には、切削又は機械加工により、外面４０に周方向に位置決めされた溝９０により、形成されている。溝９０は、潤滑剤チャネル２８内に液流通性を持たせるための開口９２を含む。
【００１５】
ここで、図４を参照する。同図は、非支承ゾーンに焦点を当てた軸受シャフト１２の側面図を示す。周方向に位置決めされた溝９０は、開口９２をもって、軸受システム用第１摩擦軸受１６の外面４０のところに潤滑剤システム２８を終えている。溝９０の軸方向幅９４は、完全ではないが、軸受システムの第１摩擦軸受１６用面４０の軸方向幅９６にほとんど亘っている。例えば、軸方向幅９４は、典型的には、軸方向幅９６から定数を差し引いたものに等しい（１インチの端数の二倍など。たとえば、２＊１／３２インチ、２＊３／６４インチ。このように、軸方向幅９４は、典型的には、軸方向幅９６の８０％〜９０％よりも大きくなる。溝９０は、典型的には、面４０に対して中央に位置づけられ、二つの等しく大きさが設定された減衰ゾーン１００を設けている。相対的な幅９４と幅９６のために、減衰ゾーン１００は、溝９０に対し軸方向に近接して配置された第１摩擦軸受１６用外面４０の最小量で存在し、且つ矢印９８で示された経路に沿って存在する。この外面４０の最小量は、軸受システム（面６０、６４、及び６８のところ）と密封システム（面５４のところ）との間における、経路９８に沿うグリスの流れや、圧力パルスの通過を規制するのには不十分である。より詳細には、矢印９８の経路に沿う面４０の最小量は、圧力パルスの軸方向の通過の結果、矢印９８の経路に沿うグリスの流れを減衰する一助となっているのかも知れない、二つの比較的（軸方向において）短い減衰ゾーン１００だけを提供する。この構成において、圧力パルスは、圧力補償器３０によって緩衝される前に、面４０に沿って伝わり、密封システム３２（の面５４のところ）に到達する。上述したように、この圧力パルスは、密封システム３２、とりわけ密封部材５０にダメージを与える効果を有する場合がある。したがって、本技術分野において、密封システム３２に生じるコーンポンピング動作による圧力脈動を低減ないし消去する必要がある。
【発明の概要】
【００１６】
ビット本体と、前記ビット本体から延びる少なくとも一本の軸受シャフトと、前記軸受シャフトに装着される回転用のコーンとを含むドリルツールである。前記軸受シャフトの外軸受面は、非支承ゾーンを含む。ある実施形態において、この非支承ゾーンのところの外軸受面には、第１溝と第２溝とが形成されている。第１溝と第２溝は、何れも周方向において互いにオフセットされており、軸方向において互いにオフセットされている。第１、第２溝の周方向及び軸方向のオフセットは、複数の減衰ゾーンを画定する。この減衰ゾーンは、コーンポンプ圧力パルスがドリルツールの密封システムに伝播することを規制する機能を奏する。
【００１７】
本発明のドリルツールは、ビット本体と、前記ビット本体から延びる少なくとも一本の軸受シャフトと、前記軸受シャフトに装着される回転用コーンと、前記軸受シャフトの外軸受面の非支承ゾーンに形成された第１溝と、前記軸受シャフトの同外軸受面の前記非支承ゾーンに形成された第２溝とを備え、前記第１溝は、前記第２溝から周方向にオフセットしており、前記軸受シャフトの前記外軸受面は、第１エッジと第２エッジの間に軸方向に画定されており、前記第１溝は、軸方向にオフセットされて、前記外軸受面の前記第１エッジに近接して位置決めされているドリルツールである。ある実施形態において、第１溝と第２溝は、何れも軸方向において互いにオフセットされている。第１、第２溝の周方向及び軸方向のオフセットは、複数の減衰ゾーンを画定する。この減衰ゾーンは、コーンポンプ圧力パルスがドリルツールの密封システムに伝播することを規制する機能を奏する。
【００１９】
ある実施形態において、前記ツールの内部潤滑チャネルに液流通性を持たせるための開口が前記第１溝と前記第２溝に形成されている。すなわち、前記軸受シャフトは、内部潤滑チャネルを含み、さらに前記第１溝内に第１開口を含み、前記第１開口は、前記第１溝と前記内部潤滑チャネルとの間に液流通性を持たせるように設けられている。
ある実施形態において、前記第１開口は、以下の式を満たす直径Ｄを有するドリルツールである。
【数１】
0005876080.tif 000002

但し、Ｋは、１よりも大きい定数、Ｃ＝軸受の直径のクリアランス、及びＬ＝溝の円弧長さである。
ある実施形態において、前記第１開口は、以下の式を満たす直径Ｄ２を有するドリルツールである。
【数２】
0005876080.tif 000003

但し、Ｋは、１よりも小さい定数、Ｄ１＝シャフトの直径、及びＣ＝軸受の直径クリアランスである。
ある実施形態において、第１開口の断面積は、前記第１溝に近接して前記軸受シャフトの前記外軸受面に沿う環状の流通面積の１５０％以下である。
ある実施形態において、前記第２溝に第２開口をさらに備え、前記第２開口は、前記第２溝と前記内部潤滑チャネルとの間に液流通性を持たせるように設けられている。
ある実施形態において、前記第２溝からの前記第１溝の周方向オフセットは、前記第１溝と前記第２溝との間の前記軸受シャフトの前記外軸受面に沿って周方向に延びる減衰ゾーンを画定している。
【００２０】
前記第１溝と前記第２溝の周方向のオフセットは、圧力源から前記ドリルツールの密封システムに向かってコーンポンプ圧力パルスが伝播することを規制する周方向の減衰ゾーンを提供する。すなわち、前記第１溝と前記第２溝の間の前記減衰ゾーンは、前記第１溝又は前記第２溝の何れか一方と前記軸受シャフトの前記外軸受面のさらなる終端との間に提供された軸方向の減衰と概ね等しい周方向の減衰を提供する。
ある実施形態において、前記軸受シャフトの前記外軸受面は、外筒面である。
ある実施形態において、前記外筒面は、メインジャーナル軸受面である。
ある実施形態において、前記軸受シャフトは、摩擦ジャーナル軸受を支持するものである。
ある実施形態において、軸方向にオフセットされた前記第１溝は、前記第１エッジと前記第１溝との間に軸方向に延びる前記軸受シャフトの前記外軸受面に沿って第１減衰ゾーンを画定するとともに、前記第１溝と前記第２エッジとの間に軸方向に延びる前記軸受シャフトの前記外軸受面に沿って第２減衰ゾーンを画定する。
ある実施形態において、前記第１減衰ゾーンの第１軸方向幅の前記第２減衰ゾーンの第２軸方向幅に対する割合は、約３対１から約６対１の間である。
ある実施形態において、前記第２溝は、軸方向にオフセットされており、前記外軸受面の前記第２エッジに近接して位置決めされている。
ある実施形態において、前記各第１、第２溝は、軸方向幅を有し、前記各第１、第２溝の前記軸方向幅は、前記第１、第２エッジの間の前記軸受シャフトの前記外軸受面の軸方向幅の７０％以下である。
ある実施形態において、前記各第１、第２溝は、軸方向幅及び周方向長さを有し、前記各第１、第２溝の前記周方向長さの前記軸方向幅に対する割合は、約２対１から約４対１である。
本発明の別の態様は、ビット本体と、前記ビット本体から延びる少なくとも一本の軸受シャフトと、前記軸受シャフトに装着される回転用コーンと、前記軸受シャフトの外軸受面の非支承ゾーンに形成された第１溝と、前記軸受シャフトの同外軸受面の前記非支承ゾーンに形成された第２溝とを備え、前記第１溝は、前記第２溝から周方向にオフセットしており、前記軸受シャフトの前記外軸受面は、コーンポンプ圧力パルスの発生源とコーン及び軸受シャフト用密封システムとの間に軸方向に位置決めされた円筒面であるとともに、前記第１、第２溝は、それぞれが第１減衰ゾーンと第２減衰ゾーンを画定するように前記外軸受面の前記非支承ゾーンに位置決めされており、前記第１、第２減衰ゾーンは、前記密封システムに向かう前記コーンポンプ圧力の伝播を軸方向に規制するドリルツールである。
ある実施形態において、前記第１減衰ゾーンは、前記溝の第１エッジと前記外軸受面の第１エッジとの間に延びる第１軸方向幅を有し、前記第２減衰ゾーンは、関溝の第２エッジと前記外軸受面の第２エッジとの間に延びる第２軸方向幅を有する。
ある実施形態において、前記第１軸方向幅は、前記第２軸方向幅と異なっている。
ある実施形態において、前記第１軸方向溝の前記第２軸方向溝に対する割合は、約３対１から約６対１の間である。
ある実施形態において、前記第２溝から前記第１溝への周方向のオフセットは、前記第１溝と前記第２溝の間の前記軸受シャフトの前記外軸受面に沿って周方向に延びる第３減衰ゾーンを画定し、前記第１、第２、及び第３減衰ゾーンは、前記密封システムに向かう前記コーンポンプ圧力の伝播を軸方向に規制する。
ある実施形態において、前記第３減衰ゾーンは、コーンポンプ圧力パルスの周方向減衰を提供するものであり、該周方向減衰は、前記第１溝と前記第２溝の何れか一方と前記軸受シャフトの前記外軸受面のさらなる終端との間に提供されたコーンポンプ圧力パルスの軸方向減衰とほぼ等しい。
さらなる実施形態において、前記第１溝と前記第２溝とは、前記軸受シャフトの前記外軸受面上で、互いに軸方向にオフセットしている。すなわち、前記第１、第２溝は、互いに軸方向にオフセットしている。
ある実施形態において、前記軸受シャフトは、内部潤滑チャネルをさらに含み、前記第１溝内に第１開口をさらに含み、前記第１開口は、前記第１溝と前記内部潤滑チャネルとの間に液流通性と、前記コーンポンプ圧力パルスの伝播を提供するものである。
【００２１】
ある実施形態において、前記第１溝と前記第２溝の軸方向のオフセットは、圧力源から前記ドリルツールの密封システムに向かってコーンポンプ圧力パルスが伝播することを規制する、複数の軸方向の減衰ゾーンを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】典型的なローラコーンロックビットの部分断面図を示す。
【図２】軸受システムにより細部に焦点を当てて、図１に示した典型的なローラコーンロックビットの断面図を示す。
【図３】図２の破線のところの軸受シャフトの断面図を示す。
【図４】図２の軸受シャフトの側面図を示す。
【図５】軸受システムの一実施形態のローラコーンロックビットのより詳細な断面図を示す。
【図６】図５の破線のところの軸受シャフトの断面図を示す。
【図７】図５の軸受シャフトの側面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図５は、軸受システムでの潤滑剤圧力脈動生成に言及するための本発明の一実施形態に焦点を当てたローラコーンロックビットの断面図を示す。図５は、詳しくは、円筒摩擦軸受（メインジャーナル軸受）１１６のエリアに関する。この円筒摩擦軸受１１６は、軸受シャフト１１２の外筒面１４０と、軸受シャフト１１２周りに回転するように装着されたコーン１１４に予め圧入されたブッシュ１４４の内筒面１４２とによって画定されている。ブッシュ１４４は、リング形状の構造体であり、本技術分野においては他の材質の使用も知られているが、典型的にはベリリウム銅製である。ローラ軸受システムにおいて、軸受シャフト１２の外周面１４０は、例えばコーン１１４内の環状ローラ軌道に維持されたローラ軸受と相互に作用することになる。
【００２４】
軸受システムは、軸受シャフト１１２とコーン１１４との間の接点に画定された環状の軌道１２０に乗るボール軸受１１８をさらに含む。ボール軸受１１８は、ボール開口１４６を通して軌道１２０に送給され、この開口１４６は、ボールプラグ１４８によって遮蔽されている。ボールプラグ１４８は、潤滑剤チャネル１２８の部位を画定するように形成されている。図示のようなボール軸受システムは、ローラ軸受に利用される軸受システム機器にも典型的に存在するであろう。
【００２５】
潤滑剤は、コーン１１４とシャフト１１２との間において、（上述したように）環状の軌道１２０とそれ以外に対向する円筒軸受面及びラジアル軸受面との間内と同様に、円筒摩擦軸受１１６の面１４０と面１４２との間の空隙内に供給される。潤滑剤は、密封システム１３２によって軸受システム内に封入される。密封システム１３２は、基本的な構成において、潤滑剤を封入し、かつ外部の堀屑を排除するために、切削コーン１１４と軸受シャフト１１２の間の密封グランド１５２内に位置決めされたＯリングタイプの密封部材１５０を具備している。円筒面密封ボス１５４は、軸受シャフト１１２の基部に設けられている。図示の構成において、この密封ボス１５４の面は、第１摩擦軸受１１６の外筒面１４０から（例えば、ブッシュ１４４の厚さだけ）径方向において外方にオフセットしている。もしも要請があるならば、密封ボスがメインジャーナル軸受１１６の面１４０に対し、面一に呈し得ることが理解されるであろう。環状の密封グランド１５２は、コーン１１４の基部に形成されている。切削コーン１１４が回転自在に軸受シャフト１１２に位置決めされているとき、グランド１５２と密封ボス１５４とは、互いに位置合わせされている。Ｏリング密封部材１５０は、グランド１５２の面と密封ボス１５４との間で圧縮され、潤滑剤を軸受システム内に保持するように機能する。この密封部材１５０は、抗井の穴内の物質（掘削泥や堀屑）が軸受システムに侵入することをも防止する。
【００２６】
ここで図６を参照する。同図は、概ね摩擦軸受１１６のところであって、図５の破線１８０のところの軸受シャフト１１２の断面図である。軸受システム用摩擦軸受１１６は、コーン１１４の荷重を支える支承ゾーン（約１２０°〜１８０°の円弧角度を有する）と非支承ゾーン（約１８０°〜２４０°の円弧角度を有する）とを含む。支承ゾーンのところにある軸受シャフト１１２の外面は、典型的には、ハードフェイスである（明示的には示していないが、当業者にはよく理解されている）。少なくとも一つの潤滑システム用潤滑剤チャネル１２８は、非支承ゾーンのエリア内にある軸受シャフト１１２の外筒面１４０のところで終わっている（この実施形態では、そのような終端が二つ示されているが、三つ以上設けていてもよいことが理解されるであろう）。軸受シャフト１１２の外面１４０にある潤滑剤チャネル１２８の各終端は、典型的には、切削又は機械加工により、軸受シャフト１１２の外面１４０に周方向に位置決めされた溝１９０に設けられている。溝１９０は、潤滑剤チャネル１２８内に液流通性を持たせるための開口１９２を含む。
【００２７】
図６は、軸受シャフト１１２の外面１４０に形成された二つの溝１９０の在処を詳細に示している。三つ以上の溝１９０が設けられていてもよいことが、理解されるであろう。含まれた溝１９０は、周方向に（円弧角度が約４５〜１２０°の間で）互いにオフセットしている。両溝１９０は、潤滑剤チャネル１２８への開口１９２を含むように示されているが、そのことが必須というわけではないことが、理解されるであろう。潤滑剤チャネル１２８への開口１９２がない溝１９０を代わりに設けてもよい。実際、潤滑剤を摩擦軸受１１６に対して送給することを確実にするための他の機構が設けられている限り、図６の二つの溝１９０の何れについても、潤滑剤チャネル１２８に対する開口１９２を有することは必須ではない。
【００２８】
図６の開口１９２を有する溝１９０と図３の開口９２を有する溝９０とを比較すると、潤滑剤チャネル１２８に設けた図６の開口１９２は、図３の開口９２よりも小さな直径であることが特筆されるであろう。このより小さな開口１９２は、開口１９２を通る潤滑剤グリスの流れを規制するのに役立つ。
【００２９】
図６には二つの溝１９０が示されているが、周方向にオフセットした溝１９０を二つよりも多く設けてもよいことが理解されるであろう。
【００３０】
各溝１９０の周方向長さ２０８は、例えば、円弧角度が約１０〜３０°の間を越えていてもよく、より好ましくは、約１５〜２０°の間を越えていてもよい。
【００３１】
ここで、図７を参照する。同図は、非支承ゾーンに焦点を当てた軸受シャフト１１２の側面図を示す。周方向に位置決めされた各溝１９０は、開口１９２をもって、軸受システム用第１摩擦軸受１１６のところで潤滑剤システム１２８を終えている。二つの溝１９０は、互いに周方向にオフセットしている。各溝１９０の軸方向幅１９４は、図４の溝９０の軸方向幅９４よりも短い。好ましい実施形態において、各溝１９０の軸方向幅１９４は、軸受システム用摩擦軸受１１６の軸方向幅１９６の７０％以下である。好ましい機器において、各溝１９０の軸方向幅１９４に対する周方向長さ２０８の割合は、約２対１から約４対１の間である。
【００３２】
上述したように、潤滑剤チャネル１２８への図６の開口１９２は、図３の開口９２よりも小さな直径である。開口１９２の寸法を（開口９２に比べて）低減することは、開口１９２を通るグリスの流れを制限するので、コーンポンプの例に連関する圧力パルスやグリスの流れを減衰する一助となる。好ましい実施形態において、開口１９２の断面積は、面１４０と面１４２の間の溝１９０の近傍における軸受の環状流通面積の１５０％未満である。数学的には、以下のように表される。
【００３３】
【数１】
0005876080.tif 000004
但し、Ｄ＝開口１９２の直径、Ｋは例えば、１．５のような１よりも大きい定数、Ｃ＝軸受の直径のクリアランス、及びＬ＝溝１９０の円弧長さ（図６及び図７の参照符号２０８参照）。
【００３４】
代わりに、上記は数学的に以下の通り表現される。
【００３５】
【数２】
0005876080.tif 000005
但し、Ｄ２＝開口１９２の直径、Ｋは、例えば、０．９のように１よりも小さい端数のような定数、Ｄ１＝面１４０のところのシャフトの直径、及びＣ＝軸受の直径クリアランスである。
【００３６】
開口１９２の直径を低減することは、一つの好ましい選択肢であるが、別の選択肢は、（チョークプレートやコンストリクタのような）チョーク構造を、図３に示した開口９２のように、より大きなサイズの開口に挿入することである。このチョーク構造は、上述したような態様で、制約された開口を効果的に提供する。
【００３７】
図７は、潤滑剤チャネル１２８にある開口１９２を含む各溝１９０を示しているが、一方の溝１９０のみが開口１９２を有し、他の溝１９０については、軸受面１４０上に形成された盲エリアを具備したものであってもよい、ということが理解されるであろう。さらにまた、摩擦軸受１１６に潤滑剤の送給を確保するための何らかの他の機構が存在する限りにおいて、周方向にオフセットしている溝１９０の何れもが潤滑剤チャネル１２８に対し開口９２を有することを必要としないことが理解されるであろう。
【００３８】
好ましい実施形態において、各開口１９２は、摩擦軸受１１６用の面１４０の一方のエッジに接近した位置に寄って軸方向にオフセットしている。換言すると、開口１９２は、摩擦軸受１１６のための面１４０に対し軸方向中央にあるのではない。例えば、図７の左の開口１９２は、摩擦軸受１１６のための面１４０の上側エッジ２１０に接近した位置に向かって軸方向にオフセットしているところを示し、図７の右の開口１９２は、摩擦軸受１１６のための面１４０の下側エッジ２１２に接近した位置に向かって軸方向にオフセットしているところを示している。好ましい機器において、図７に示すように、開口１９２は、反対方向に向かって軸方向にオフセットしている。もっとも、両開口１９２が面１４０の同じエッジ（２１０又は２１２）に向かって軸方向にオフセットしてもよいことが理解されるであろう。
【００３９】
上述したような態様で、開口１９２を軸方向にオフセットするとともに、相対的な幅１９４、１９６を設けることは、溝１９０に軸方向に隣接するとともに矢印１９８によって示された経路に沿って存在する、第１摩擦軸受１１６のための外面１４０の量を（図４に比べて）増加する。外面１４０の増加した量は、軸受システム（の面１６０、１６４、及び１６８のところ）と密封システム１３２（の面１５４のところ）との間のグリスの流れや圧力パルスの通過をより好適に規制する。この軸方向のオフセットの結果、各矢印１９８のところの面１４０の増加量は、（軸方向において）溝１９０の一方の側に相対的に短い減衰ゾーン２００を提供するとともに、溝１９０の他方の側に相対的に長い減衰ゾーン２０２を提供する。より長い減衰ゾーン２０２を備えたこの構成は、圧力パルスの軸方向の通過のためにグリスが流れるのを減衰する点において、図４の構成に比べ、改善されたパフォーマンスを提供する。相対的により長い減衰ゾーン２０２が存在することに由来するこの付加的な減衰は、さらに、圧力パルスから密封システム１３２（面１５４のところ）を保護することを支援するとともに、圧力補償器３０（図１参照）の緩衝作用をサポートする。好ましい機器において、相対的に短い減衰ゾーン２００の軸方向幅に対する相対的に長い減衰ゾーン２０２の軸方向幅の比率は、約３対１から６対１である。溝１９０の軸方向のオフセットは、周方向軸方向に少なくとも少量のオーバーラップ２１６を溝間に確保すべきであり、特に、何れか一方の溝が開口１９２のない盲溝である場合には、そのようにすべきである（しかしながら、ある機器では、軸方向のオーバーラップが全く必要ないこともまた理解されるべきである）ことが好ましい。
【００４０】
相対幅１９４及び１９６と溝１９０の軸方向のオフセットとに沿う、二つの溝１９０の周方向のオフセットは、二つの溝間に周方向に配置された追加的な減衰ゾーン２０４を提供する。周方向オフセットの程度は、溝間の周方向圧力減衰が、溝と軸受のさらなる終端との間にある軸方向圧力減衰と概ね等しくなるように選択される。換言すれば、溝１９０の周方向オフセットは、グリスの圧力パルスが矢印２０６の経路に沿って溝間を伝わることが困難であるのと実質的に等しい程度に、グリスの圧力パルスが矢印１９８の経路に沿って軸受システムの終端と溝との間を伝わることが難しくなるように選択されるのである。このように、グリス圧力が伝わり得る双方の経路は、実質的に等しく減衰される。
【００４１】
コーンポンプ動作が生じたとき、（シャフト１１６、面１４０、１６０、１６４、及び１６８を有する）軸受システム空隙に供給された潤滑剤は、圧迫される。この結果、圧力パルスが生じる。この圧力パルスに応答して、潤滑剤は、軸受システムと圧力補償器３０（図１参照）との間の一連の潤滑剤チャネル２８を通して流れる。圧力補償器３０は、そのエラストマー膜で体積変化を補償することによって、圧力パルスを低減し、又は緩衝するように設計されている。しかしながら、矢印１９８及び２０６に示された経路は、グリスの流れが圧力パルスに応答することを可能とする。減衰ゾーン２００、２０２、及び２０４は、これらの経路に沿うグリスの流れを規制し、それによって、密封システム１３２の動作からのコーンポンプによる圧力パルスを低減又は消失するように設けられる。
【００４２】
図５〜７は、摩擦ジャーナル軸受システムの使用を詳細に図示しているが、これとは別に、ローラ軸受システムに対して（開口１９２のある、又はない）溝１９０を用い得ることが理解されるであろう。
【００４３】
さらにまた、図５〜７は、（ジャーナルであれ、ローラであれ）軸受システムのメイン軸受に対して（開口１９２のある、又はない）溝１９０を設けたものを詳細に図示しているが、これとは別に、（開口１９２のある、又はない）溝１９０を摩擦ジャーナル軸受や、ローラ軸受機器の何れかに、（面１４０、１６０、１６４、及び１６８を含む、但しこれらに限定されない）シャフト１１６の何れかの適切な軸受面に対して設けてもよいことが理解されるであろう。
【００４４】
油田ドリルの応用に主として用いられるように設計されたドリルツールについての文脈で説明してきたが、上記開示は、そのように限定されるものではなく、上述のような軸受システムは、非油田応用に用いられるツールを含む、あらゆるロータリコーンドリルツールに用いられることが可能であることが、理解されるであろう。より詳細には、ドリルツールは、空気、ミスト、泡又は、(水、泥、又は油をベースとした)液体、又は前述のあらゆる組合せを含む、あらゆる好適なドリル流体の用途に構成されることができる。さらにまた、密封、及び圧力補償されたシステムにおけるコーンポンピングと潤滑油圧力脈動とに関連した問題を解決する、という文脈で説明してきたが、ここに記載された解決手段は、潤滑されてはいるが圧力補償器やダイアフラムシステムを含んでいないロータリコーンビットに対しても、等しく適用することが可能である。
【００４５】
本発明の方法及び装置の好適な実施形態について添付図面に図示し、上述の詳細な発明欄に記載してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲によって記載され、定義された発明の精神から逸脱しない限りにおいて、数々の再編成、変形、及び置換が可能であることが理解されるであろう。
【図１】
0005876080.tif 000008
【図２】
0005876080.tif 000009
【図３】
0005876080.tif 000010
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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