(57)【要約】  【課題】  【解決手段】  土中に掘削ホールを形成する回転可能なカッタを有する土中掘削ドリルビットを構成する。切削エレメントの少なくとも一の外周列が、岩盤に余掘を作って、トラッキングを除去するように最適化されており、ここで選択されたピッチが数学的に決定した対を有し、選択されたピッチとその対間の絶対差が、その外周列の最大ピッチと最小ピッチ間の差の１０％以上である。更に、切削エレメントが、予め選択された母線に沿って、当該母線から変位された配置されており、この変位は前記切削エレメントによって占められている外周列の最大ピッチの半分以下である。本発明は、従来の石油、ガス、およびショットホール掘削井戸用のローラカッタドリルビットに比べて、トラッキングを除去し、有害な軸上共鳴周波数振動を低減する一方で、タングステン−カーバイドインサートを含む切削エレメントの数を減らし、同時に掘削長さ、掘削速度および耐久性を上げる。【選択図】    図８
2007519841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
土中掘削ビットにおいて：
ビット本体であって、回転中央軸を有するビット本体と；
前記ビット本体上に回動可能に装着された少なくとも一つのカッタであって、中央軸を有するカッタと；
複数の切削エレメントであって、各切削エレメントが中心線を有し、ほぼ外周列においてカッタ上に配置された切削エレメントと；
複数の母線であって、各々が前記カッタの中央軸を含む面が、少なくとも一の選択された切削エレメントの前記中心線と前記カッタの幾何学的な面と交差するときに形成される前記カッタ面の幾何学的な位置として規定されている母線と；
前記切削エレメントによって占められる外周列の選択された最大ピッチの半分より小さい前記母線からの偏差を伴って、前記母線に沿って整列されている別の外周列にある切削エレメントと、を具え、
少なくとも一の外周列がピッチを有しており、最大ピッチが最小ピッチと同じでなく、
前記列について、少なくとも２０％のピッチが数学的に決定された対を有しており、
前記ピッチとその対間の絶対値差が、その外周列に対する最大ピッチと最小ピッチ間の絶対値差の１０％より大きく、
前記対のピッチが、掘削中のカッタの回転方向と逆の方向において前記外周列に沿って前記最初のピッチの中心点から弧を測定することによって決定され、前記弧が、Ｋｖの小数部分に乗算された前記外周列の長さ（２＊π＊ｒ）と等しい、
Ｌ＝２＊π＊ｒ＊ＫｖＤ
ことを特徴とする土中掘削ビット。
【請求項２】
請求項１に記載の土中掘削ビットにおいて、前記外周列の少なくとも４０％が変動ピッチを有することを特徴とする土中掘削ビット。
【請求項３】
請求項１に記載の土中掘削ビットにおいて、変動ピッチを有する外周列について：
一の外周列に用いる数学的関係を、半径の正比例関数としてその他の外周列における数学的関係にスケールして、全ての数学的関係の開始が一の選択された母線から４５度以下で変位しており、すべての外周列について同じ変化方向が選択されることを特徴とする土中掘削ビット。
【請求項４】
請求項１に記載の土中掘削ビットにおいて、前記選択した数学的関係が、等差関数、等比関数、加重指数関数、対数関数、あるいはそのほかの数学的関数、またはこれらの組み合わせであり、累層の余掘を最適化するようピッチを順次増加させるものであることを特徴とする土中掘削ビット。
【請求項５】
請求項１に記載の土中掘削ビットにおいて、前記母線からの変位が、前記切削エレメントによって占められる外周列の選択された最小ピッチの５１％以下であることを特徴とする土中掘削ビット。
【請求項６】
請求項１に記載の土中掘削ビットにおいて、前記切削エレメントが前記カッタの材料でできていることを特徴とする土中掘削ビット。
【請求項７】
請求項１に記載の土中掘削ビットにおいて、前記切削エレメントが、前記カッタに形成されている開口に締まり嵌めされている硬質金属で形成されていることを特徴とする土中掘削ビット。
【請求項８】
請求項１に記載の土中掘削ビットにおいて、前記ビットがシャフト掘削ビットであることを特徴とする土中掘削ビット。
【請求項９】
請求項１に記載の土中掘削ビットにおいて、前記土中掘削ビットが３つの回転可能なカッタを有することを特徴とする土中掘削ビット。
【請求項１０】
請求項１に記載の土中掘削ビットにおいて、前記ビットがコアリングビットであることを特徴とする土中掘削ビット。
【請求項１１】
請求項２に記載のカッタにおいて、少なくとも一の母線が、前記切削エレメントの中心線と前記カッタの全外周列についてのカッタの幾何学的な面との間の交差ポイントを含むことを特徴とするカッタ。
【請求項１２】
請求項１に記載の土中掘削ビットにおいて、変動ピッチを有する外周列について、一の外周列に用いられる数学的関係が、半径の正比例する関数として別の外周列における数学的関係にスケールされて、全数学的関係が、一の選択された母線から開始して、全ての外周列について同じ変化の方向が選ばれることを特徴とする土中掘削ビット。
【請求項１３】
請求項１に記載の土中掘削ビットにおいて、前記ＫｖＤが０．３−０．７の範囲にあることを特徴とする土中掘削ビット。
【請求項１４】
請求項１に記載の土中掘削ビットにおいて、切削エレメント間のピッチが外周列上でグループ分けされており、所定のグループ内のピッチが一定であり、前記グループ間のピッチが、前記列の外周上で最小ピッチから最大ピッチへ徐々に大きくなることを特徴とする土中掘削ビット。
【請求項１５】
請求項１に記載の土中掘削ビットにおいて、前記最大及び最小ピッチが、累層の物理的および機械的特性の相関として決定されることを特徴とする土中掘削ビット。
【請求項１６】
請求項１に記載の土中掘削ビットにおいて、前記最小ピッチから前記最大ピッチへの前記増分が、選択された累層と切削エレメントのジオメトリについて余掘を最適化する距離であることを特徴とする土中掘削ビット。
【請求項１７】
請求項１に記載のカッタにおいて、全外周列の長さに沿った最小ピッチから最大ピッチへの増分が、等差数列であり、全ての最小ピッチの開始点が、一の選択された母線から開始して、各外周列について最小及び最大ピッチが互いに隣接していることを特徴とするカッタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
１． 技術分野
本発明は土中累層の掘削用のドリルビットに関する。本発明は、特に、最も典型的には石油およびガスの掘削に用いられるローリングカッタ土中掘削ビット用に構成されているが、ブラストホールや採鉱のアプリケーションに使用されるビットにも適用することができる。
【０００２】
２． 先行技術の概要
１９０９年に、Howard R. Hughesが、油田およびガス井の発破と掘削に革命を起こしたローリングカッタ岩盤ビットを発明した。そのとき以来、Hughesの基本的なデザインに数え切れないほどの改良がなされてきた。解決すべき残りの一つの問題は、「トラッキング」の問題である。トラッキングは、切削エレメント（タングステン−カーバイドインサートあるいはスチール刃）が、同じあるいは別の切削エレメントによって以前にできた同じ切削窪みに入ったときに生じる。このことは、カッタと累層間の接触主モードが、切削エレメントと累層間というよりはカッタ表面と累層間にあるために、掘削効率にロスが生じる。この結果、ビットの磨耗が増え、時間当たりのフィート、あるいは食い込み率が減少する。
【０００３】
トラッキングに対する従来の解決法は、ビット荷重（weight-on-bit: WOB）を増加させることを含むが、予期できるように、ビットの構成部品に余分な歪みが生じるためビットの寿命が短くなる。おそらく、トラッキングと振動を低減する最も普通の方法は、特に硬い岩盤累層用に米国特許第６，１６１，６３４号および第３，７２６，３５０号に記載されているように、隣接する切削エレメント間のピッチを減らすことか、あるいは切削エレメントの数を増やすことである。このような解決法の欠点は、余掘効果が利用されないことであり、特別なエネルギィが増え、掘削ビットのコストが高くなることである。
【０００４】
トラッキングは、また、ビットのジオメトリを調節することによって、坑底で切削エレメントのスライドおよび掻取りを増やすことで部分的に低減することができる。この方法の欠点は、スライドし掻取りを行っている掘削エレメントがより早く磨耗する一方で、トラッキングが完全に除去されないことである。
【０００５】
トラッキングの問題に対するもう一つの解決法は、例えば、米国特許第４，２４８，３１４号、第４，１８７，９２２号および第３，７２６，３５０号に提言されているように、掘削エレメント間の変動ピッチ（中心線間の角距）を使用することである。等ピッチからの偏差は、ビットの振動を劇的に増やすことがあり、やはり早い時期でビットを磨耗させる。更に、単にランダムにピッチを変化させた掘削ビットは、均等にスペースをあけた掘削ビットとほとんど同じようにトラッキングする。
【０００６】
トラッキングは、掘削エレメント、または歯の様々な形状によっても低減させることができる。この歯には、追加の磨耗防止を図る「Ｔ」字型クレスト付の歯が含まれる。ここでは歯／インサートが累層を粉砕してトラッキングを低減する（例えば、英国特許第３，３２６，３０７号参照）。この方法は、切削エレメントがより低い食い込み率で累層を破砕するため、掘削速度が遅くなり、特定のエネルギィ（破壊される累層の単位当たりに適用されるエネルギィ）が増える傾向にある。もう一つの変形例は、切削エレメントをグループ分けして、様々なグループについて切削エレメントのクレストの方向を変化させることと組み合わせて、グループ間に変動ピッチで切削エレメントの間隔を開けることである。この方法は、トラッキングは低減することができるが、製造コストが高くなる。米国特許第２，３３３，７４６号参照。米国特許第４，３９３，９４８号に示すような、カッタの表面上に最適に配置されていない切削エレメントの方向の変更は、トラッキングを低減するものの、完全に除去するわけではない。
【０００７】
シミュレーションと、ビットの性能パラメータを改善するその他の統計的データを用いて掘削ビット性能を最適化する方法が、米国特許第６，２１３，２２５号、第６，０９５，２６２号、第６，５１６，２９３号、及び公開特許出願第２０，０３０，０５１，９１７号、第２０，０３０，０５１，９１８号、第２０，０１０，０３７，９０２号に記載されている。この問題についての特別なシミュレーションによるアプローチは、適当な理論ないまま最もよく実装されている。しかしながら、統計的最適化の結果は、最適化プロセスの開始時点において行われた仮定と先入観によって限定される。更に、従来技術のシミュレーション方法は、土中累層を最適に掘削するためには、過度に膨れ上がった切削エレメント数が必要であった。
【０００８】
従って、過剰な振動を防ぎ経済的に製造することのできる耐トラッキング特性を有する土中掘削ビットが求められている。従来技術による解決法のすべてに共通する一つの欠点は、岩盤累層の掘削中に余掘の最適化が行われないことである。この余掘効果は、例えば鉄などの金属に比較して、岩盤が強い圧縮特性を有し、曲げ特性と膨張特性が弱いという事実の研究に基づく。全従来技術による解決法のもう一つの共通する欠点は、掘削する岩盤によって生じるカッタ掘削ビットの有害な軸上共振周波数振動の実際の原因についての当業者の誤解である。発明者は、ローラーカッタ切削ビットの有害な軸上共振周波数振動の原因を発見した。
【０００９】
発明の概要
本発明の主目的は、現在地球上で製造されている従来の土中ローラカッタ切削ツールに比べて切削エレメント数を低減する一方で、穿孔長、耐久性、食い込み率を同時に増加させる土中掘削ローラカッタ切削ツールデザインを作ることである。なお、このエレメントは一の実施例においてタングステン−カーバイドインサートでできている。
【００１０】
本発明のもう一つの目的は、現在地球上で製造されている従来の土中ローラカッタ切削ツールに比べて切削エレメント数を低減する一方で、穿孔長、耐久性、食い込み率が同時に増加するように従来のローラカッタ掘削ビットのデザインを変形することである。
【００１１】
上記の目的は、以下の概念を同時に使用して、本発明によって掘削ツールまたは掘削ビット上に回動可能に装着された各カッタの表面に切削エレメントを数学的に決定された最適配置を行うことによって達成することができる。
１． 隣接する切削エレメント間の変動ピッチを用いて独立したローリングカッタで坑底を掘削している間のトラッキングを完全に除去する。
２． 掘削する岩盤の機械的特性と、切削エレメントのジオメトリと、カッタ表面に対する切削エレメントの中央ラインの方向を考慮して、順次の食い込み間に最適スペースをあけることによって、余掘の最適化によって破砕される累層の量を最大にする。
３． カッタ母線に沿った切削エレメントの最適配置によって累層の掘削工程を制限する掘削ビットあるいはツールの有害な軸上共振周波数振動の実質的な低減。
【００１２】
発明の詳細な説明
図面、特に図１を参照すると、土中累層に穿孔を掘るのに従来から使用されている従来のローリングカッタ（ローリングコーンあるいはスリーコーンとも呼ばれる）掘削ビット５０が示されている。ビット５０は、本発明によって意図される典型的なものである。ビット５０は、掘削ストリング内に連結するために上側エクステント５２にねじが設けられているビット本体５１を具える。ビット５０は、選択的に、潤滑剤補償器５３を設けるようにしても良い。ノズル５５がビット本体５１に設けられており、掘削中に掘削ビットを冷却し、潤滑させる。ベアリングピンまたはアーム５４が、片もち支持で下側に依存した態様でビット本体から延在している。少なくとも一のカッタ１０１がビットアーム５４の上に装着されており、ほぼ外周列上に配置されている複数の切削エレメント１０７を伴うビット本体の各セクションによって、回転するように支持されている。タングステン−カーバイドインサート１０７は、カッタ１０１内に形成されているホールまたは開口内に締まり嵌めによって固定されており、切削エレメントを規定している。切削エレメントはまた、図４に示すようにカッタ１７３（スチール歯ビット）の材料で形成することもできる。掘削ストリング内に連結されると、ビット５０はその軸１１５を中心に、方向２０６に回転し、土中累層を崩壊する。
【００１３】
図２を参照すると、本発明の教示によるマルチコーンローリングカッタ１０１の側面図が示されている。カッタ１０１は、一の実施例では、タングステン−カーバイドインサート１０７であり、コーン本体に形成された挿入ホール内に埋め込まれており、カッタの軸１１４の周りのほぼ外周列１０２−１０６に配置されている多数の切削エレメントを具えている。切削エレメント１０７の幾何学的パラメータは、形状、サイズおよびクレストの方向が異なっていてもよい。
【００１４】
各切削エレメント１０７は、中心線５００を有し、中央ライン５００は、カッタ表面と同時に切削エレメントが配置されている外周列と交差している。ピッチは、外周列に沿った隣接する切削エレメントについての中央ライン５００とカッタ１０１表面上の外周列カーブと交差するポイント間の外周列における弧の長さとして、あるいは、各外周列について隣接する切削エレメントの軸５００間の角度として定義される。
【００１５】
各外周列の半径Ｒ１−Ｒ５は、カッタ１０１表面上のカッタ軸１１４から外周列１０２−１０６のいずれかのポイントへの最短距離として定義される。半径Ｒ１−Ｒ５は、切削ビット５０の軸１１５に対して垂直に測定した、外周列の選択されたポイントから掘削ビット５０の軸１１５までの最大距離である。Ｒｉをｒｉで除して定義される率Ｋｖは、トラッキング低減のためには整数と同じであってはならないことは従来より知られている。ここで、ｉ＝１、２、３．．．である。Ｋｖ率が切削エレメント１０７間のピッチの選択に無関係にある整数に等しい場合は、１００％トラッキングが生じる。変動ピッチと累層の余掘の最適化を用いてトラッキングを防止するためには、Ｋｖの小数部分が０．３−０．７の範囲にあることが好ましい。
【００１６】
本発明の教示によるカッタ１０１の余掘最適化は、外周列に配置されている切削エレメント１０７間の最適ピッチを数学的に決定して、選択されたカッタ１０１と掘削される累層に起こりうる最大チップを生成する。チップが大きいほど、単位エネルギィ当たりより多くの岩盤累層が除去され、コストと、時間をより低減してエネルギィを節約することができる。切削エレメント１０７の配置が最適距離より近いと、単位エネルギィ当たりの粉砕量が少なくなり、順次の食い込みが最適距離から遠くなると、くぼみがチッピングに取って代わって、消費パワーが増えてしまう。
【００１７】
カッタ１０１は、ビットアーム５４上に装着されており、ビット中心軸１１５の周りを方向２０６に回転する。母線４００の多様性は、カッタ１０１の中心軸１１４を含む平面が、少なくとも一つの選択された切削エレメント１０７とカッタ１０１の幾何学的表面の中心線５００と交差するときに形成されるカッタ１０１の表面上の幾何学的軌跡として規定されている。言い換えると、母線は、カッタの軸を中心に回転するときにカッタの面を形成するカーブである。掘削中の各時点において、カッタ１０１と崩壊している累層の間の主な力の相互作用が、母線４００に沿って生じる。従って、母線に沿った密度に対する切削エレメントの最適位置は、有害な振動を低減するのに重要である。
【００１８】
ここで、ＶｉｅｗＡを記載した図３を参照すると、切削構造において上方向にみて、各外周列における隣接する切削エレメントの軸５００間の角度として規定される切削エレメント１０７間のピッチは、最小ピッチ１０８から最大ピッチ１０９へと徐々に大きくなっており、さらに、全ピッチが異なっており、最小ピッチ１０８と最大ピッチ１０９は互いに隣接している。更に、全外周列１０２−１０６の最小ピッチ１０８は、ローリングカッタ部材１０１のランダムに選んだ母線１１３に沿って開始しており、更に、母線１１３からの偏差は、４５度を越えることはなく、好ましくは、最小ピッチ１１０の半分より小さい。母線１１３に沿って開始している前記最小ピッチ１０８から、最大ピッチ１０９へ向けて大きくなって前記カッタ部材１０１の全外周列１０２−１０６は同じ方向１１１を維持している。
【００１９】
前記切削部材１０１の全外周列１０２−１０６における最小ピッチ１０８は、同じであっても異なっていても良い。前記コーン１０１の全外周列１０２−１０６の最大ピッチ１０９は同じであっても異なっていても良い。最小ピッチ１０８から最大ピッチ１０９への増加は、等差関数、等比関数、指数関数、対数関数、あるいはその他のあらゆる数学的関数、あるいはこれらの組み合わせとして規定することができる。
【００２０】
説明の目的で、いくつかの母線４００が示されており、それに沿った各外周列１０２−１０６中の切削エレメント１０７は、切削エレメント１０７によって占められている外周列の選択された最大ピッチ１０９の半分以下である母線４００の偏差と整列している。
【００２１】
本発明の教示による余掘最適化のための最適変動ピッチ選択を説明するために、外周列１０３用にピッチ２０３が選択され、その対の変動ピッチ２０４が以下に詳細を示すとおりコンピュータで計算される。点線の曲線で示す弧４５０は、外周列１０３の一部である。この弧４５０は、外周列１０３内の選択されたピッチ２０３の中心点として規定されたポイントＡから、カッタ１０１の回転方向２０５と逆の方向２０８において測定される。方向２０８の原点はライン２０７であり、これは、中心点Ａにおいてピッチ２０３と交差する点である。弧４５０の端部は、あるピッチの、ラベル付のコンピュータで計算したピッチ２０４内にある。Ｌとして記載されている弧４５０は、本発明の目的のためにＫｖＤと記されるＫｖの小数部分で乗算された外周列１０３の長さ（２＊π＊ｒ２）に等しい。例えば、ｒ＝５ユニットであり、Ｒ＝７ユニットであれば、Ｋｖは７を５で割る、すなわち１．４である。ＫｖＤとして記載されるＫｖの小数部分は０．４である。
Ｌ＝ＫｖＤ＊（２＊π＊ｒ２）
【００２２】
ＫｖＤは、トラッキングを回避するためにゼロではなく、０．１５から０．８５の間にあるようにしてもよい。ＫｖＤは、好ましくは０．３−０．７の範囲にある。掘削期間中の岩盤累層の余掘効果は、選択したピッチ２０３とそのコンピュータで計算した対の変動ピッチ２０４との間の絶対差が、外周列１０３用に選択した最大ピッチ１０９と最小ピッチ１０８間の絶対差の１０％以上である場合に存在する。外周列１０３用の上述の定義は、数学式：
｜２０３−２０４｜＞０．１＊｜１０９−１０８｜
で言い換えることができる。
【００２３】
本発明の原理によるあるクラスの実施例では、ピッチは「最小ピッチ」＋Ｄ＊ｎの等差数列式として計算される。ここで、Ｄは余掘効果を最大にする最適値として決定される定数であり、ｎは連続する整数（ｎ＝１、２、３、．．．）である。
【００２４】
本発明の原理による更に別のクラスの実施例では、Ｄを変化させる切削エレメントの最適位置で振動を低減することができる。
【００２５】
図４を参照すると、本発明の教示によるカッタが示されている。本発明のこの実施例では、切削エレメントがカッタあるいはぎざぎざの歯１７３と同じ材料でできている点を除いて、図３と同様の説明が用いられる。説明の目的で、選択されたピッチ２０３とその対のコンピュータで計算した変動ピッチ２０４は、図３における外周列１０５対外周列１０３について説明される。掘削中の岩盤累層の余掘効果は、選択したピッチ２０３とそのコンピュータで計算した対の変動ピッチ２０４との間の絶対差が、外周列１０５用に選択した最大ピッチ１０９と最小ピッチ１０８間の絶対差の１０％以上である場合に存在する。外周列１０５用の上述の定義は、数学式：
｜２０３−２０４｜＞０．１＊｜１０９−１０８｜
で言い換えることができる。
【００２６】
本発明の教示による余掘最適化のための最適変動値の選択を説明するために、外周列１０５用にピッチ２０３が選択され、その対の変動ピッチ２０４がコンピュータで計算される。点線の曲線で示す弧４５０は、外周列１０５の一部である。この弧４５０は、外周列１０５内の選択されたピッチ２０３の中心点として規定されたポイントＡから、カッタ１０１の回転方向２０５と逆の方向２０８において測定される。弧４５０の端部は、あるラベルの付いたコンピュータで計算したピッチ２０４内にある。Ｌとして記載されている弧４５０は、ＫｖＤと記されるＫｖの小数部分によって乗算された外周列１０５の長さ（２＊π＊ｒ２）に等しい。
Ｌ＝ＫｖＤ＊（２＊π＊ｒ４）
【００２７】
図５は、余掘の最適化を行うことなく（従来技術）粉砕した累層の量を示す図である。切削エレメントの前回のおよび次回の食い込みの間のスペースが最適化されていない場合、粉砕される累層の量と、食い込みの深さは、意味がなく、余掘効果が生じない。本発明の教示による余掘の定義に基づいて、従来技術のローラカッタ掘削ビットに従来使用されている一定ピッチでは余掘をつくることはできない。
【００２８】
図６を参照すると、切削エレメントの前回のおよび次回の食い込みの間のスペースが最適化されているため余掘のある累層の粉砕量が示されている。余掘は、少なくとも２０％のピッチが数学的に対を決定するときに所定の外周列に対して最適化されており、これは、本発明の教示による余掘の定義を満足している。一の好ましい実施例では、所定の外周列の全ピッチが、本発明の教示による余掘りの定義を満足する対を有している。
【００２９】
図７は、累層の粉砕量を、所定の累層に対する切削エレメントの前回のおよび次回の食い込み間のスペースの一般的な凸関数として示す図である。累層の各タイプは、自身のスペース−粉砕量の曲線を有しており（ソフト、中間、あるいはハード）これは、所定のタイプの切削エレメントに対する物理的および機械的特性と、掘削条件に依存する。余掘は、累層の粉砕量が最大になるときに最適化される。
【００３０】
図８を参照すると、図１−３に記載した本発明の教示による、単一コーンローリングカッタ１０１と、外周列１０６の選択されたピッチ２０３に対して数学的に決定されたピッチ２０４の一のレイアウトが示されている。
【００３１】
カッタ１０１の外周列１０６の切削エレメント１０７は、掘削工程中に切削エレメントが食い込む結果、坑底に窪み３１０を作っている通路３００に沿って坑底と交差する。半径Ｒ５の円形通路３００上の隣接する窪み３１０間の距離は、外周列１０６の各隣接する切削エレメント１０７間の距離に等しい。外周列１０６上のピッチ対２０３と２０４が、本発明の教示によって計算されると、通路３００に沿ったいずれかのランダム部分３４０に対して、ピッチ２０３を定義している切削エレメントの食い込みに続いて、最適ピッチ差が余掘効果を作って、ピッチ２０４を定義している切削エレメントによる坑底の食い込みが、掘削工程中のトラッキングをなくす。変動ピッチは、累層の掘削中の払拭効率を改善し、従って、完全な食い込みに対してスライドする態様で係合されているこれらの切削エレメントでも、一定ピッチのビットに比べて累層のよりよい崩壊に寄与する。本発明の一の実施例では、カッタ１０１の全外周列における切削エレメント１０７が、切削エレメント１０７によって占められている各外周列についての選択された最小ピッチ１０８の５１％以下である母線４００からの偏差で、母線４００に沿って整列しており、その結果、ビット５０の有害な軸１１５上の共振周波数振動を実質的に除去する。
【００３２】
切削エレメント１０７が、本発明の教示にあるように前記母線４００に沿って整列していない場合、ビット５０の有害な軸上共振振動が、余掘効果の利点を相殺してしまい、従って、本発明の目的は達成できない。
【００３３】
図９は、本発明の教示に従って設計したカッタ１０１の別の実施例を示す図である。切削エレメントは、タングステン−カーバイドインサート１０７と、ぎざぎざの歯１７３を具え、図に示すように外周列１０４は、選択されたピッチ２０３とその計算された対の変動ピッチ２０４を有する。両タイプの切削エレメント１０７と１７３の最小ピッチ１０８の始点は、カッタ１０１の全外周列の一の母線１１３に沿って開始する。全外周列のピッチは、一の方向において徐々に増えてゆき、全外周列の最大及び最小ピッチは、互いに隣接している。各外周列の母線からの最大偏差は、その外周列に選択された各々の最小ピッチの０．５１以下である。
【００３４】
図１０は、好ましい実施例の別のクラスを示す図であり、ここでは、切削エレメント１０７がグループ１１２をなして配置されており、このグループ内のピッチは一定で、グループ間でピッチが変動している。変動ピッチの増加方向１１１は、全てのグループについて同じになるように維持されており、更に、最小ピッチ１０８は、カッタ１０１の選択された母線１１３に沿って４５度以下の偏差で最大ピッチ１０９に隣接しており、好ましくは、選択された最小ピッチの５１％以下の変位で隣接している。
【００３５】
図１１は、図２、図３、図８に示すような本発明の教示に従って構成した、例えば口径が広がっているタイプのビットによる、通常、トンネル工事、採鉱、およびレイズボーリングに使用する切形コーン１０１を示す斜視図である。説明の目的で、外周列３２０は、選択されたピッチ２０３とその対の計算された変動ピッチ２０４を示す。
【００３６】
図１２は、図３に示すような本発明の教示による一の外周列を有するカッタ１０１の正面図と側面図である。これは、本発明の教示による別の実施例である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、本発明によって企図されている、一般的なタイプの従来のローリングコーン掘削ビットの斜視図である。
【図２】図２は、本発明の教示によって設計したカッタの側面図である。
【図３】図３は、本発明の教示による切削部材の表面上のタングステン−カーバイドインサートの好適な構成を示す図である。
【図４】図４は、ギザギザのついた歯を具える切削エレメントの好適な構成を示すレイアウトである。
【図５】図５は、余掘を最適化せずに（従来技術）破砕した累層の量を示す図である。
【図６】図６は、岩盤内の切削エレメントの前回および次回の食い込み間を最適にスペースをあけたことによる余掘りを伴う破砕した累層の量を示す図である。
【図７】図７は、所定の累層について、切削エレメントの前回および順次の食い込み間にスペースをあける場合の一般的な凸関数として、破砕した累層の量を示す図である。
【図８】図８は、本発明の教示による外周列における数学的に決定したピッチ対の配置を示すレイアウトである。
【図９】図９は、切削部材の表面上のぎざぎざの付いた歯とタングステン−カーバイドインサートの組み合わせを具える切削エレメントの好適な構成を示すレイアウトである。
【図１０】図１０は、本発明の教示による、グループ構成にした切削エレメントの好適な構成を示すレイアウトである。
【図１１】図１１は、トンネル工事、採鉱、およびレイズボーリングに実際に使用される、例えば口径が広がるタイプのビットによって実行される本発明の教示によって構成した切削部材の斜視図である。
【図１２】図１２は、一の外周列を伴う回転可能なカッタ用の、本発明の教示による切削エレメントの好適な構成を示すレイアウトおよび斜視図である。
【図１】
2007519841.tif 000003
【図２】
2007519841.tif 000004
【図３】
2007519841.tif 000005
【図４】
2007519841.tif 000006
【図５】
2007519841.tif 000007
【図６】
2007519841.tif 000008
【図７】
2007519841.tif 000009
【図８】
2007519841.tif 000010
【図９】
2007519841.tif 000011
【図１０】
2007519841.tif 000012
【図１１】
2007519841.tif 000013
【図１２】
2007519841.tif 000014
【国際調査報告】
2007519841.tif 000015
2007519841.tif 000016