(57)【要約】【課題】軸受シャフトとカッターとの間に二重シール構造を設けることにより、外部から内部に向って泥水の浸入をより十分に防止することができるようにした圧力バランス装置付き回転カッターロックビット装置を提供する。【解決手段】複数の軸受シャフト、該軸受シャフトに回転可能に取り付けられたカッター、軸受シャフトとカッターとの間を外部から遮蔽する環状シールを設けると共に、軸受シャフトとカッターとの間の内部圧力と外部圧力とを平衡させるための圧力バランス装置を備えた回転カッターロックビット装置において、圧力バランス装置がゴム製の内側環状シールと外側環状シールとを有し、外側環状シールが金属製の剛性リングを含み、この剛性リングによってメタルシールを行う。【選択図】　　　図２
0003096842.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
複数の軸受シャフト、該軸受シャフトに回転可能に取り付けられたカッター、および前記軸受シャフトと前記カッターとの間を外部から遮蔽する環状シールを備えるとともに、前記軸受シャフトと前記カッターとの間の内部圧力と外部圧力とを平衡させる圧力バランス装置を備えた回転カッターロックビット装置において、
前記環状シールがゴム製の内側環状シールと外側環状シールとを含み、
前記外側環状シールが金属製の剛性リングからなり、該剛性リングによって前記回転カッターに対してメタルシールを行うことを特徴とする圧力バランス装置付き回転カッターロックビット装置。
【請求項２】
前記外側環状シールにおけるメタルシールの接触圧を得るために、弾性材により加圧されていることを特徴とする請求項１に記載された圧力バランス装置付き回転カッターロックビット装置。
【請求項３】
前記剛性リングがゴム材による加圧と金属スプリングによる加圧との組合せにより加圧されていることを特徴とする請求項２に記載された圧力バランス装置付き回転カッターロックビット装置。
【請求項４】
前記ゴム材がフッ素系ゴム材またはニトリルゴム材であり、前記金属スプリングが皿バネまたは波形皿バネからなることを特徴とする請求項３に記載された圧力バランス装置付き回転カッターロックビット装置。
【考案の詳細な説明】
【０００１】
【考案の属する技術分野】
本考案は、石油井、ガス井、地熱井、温泉井、水井戸等の坑井掘削に使用される圧力バランス装置付き回転カッターロックビット装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、坑井掘削に一般的に使用される圧力バランス装置付き回転カッターロックビットには、３個の軸受シャフトが設けられ、この軸受シャフトのそれぞれにカッターが回転可能な状態で取り付けられている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照。）。その軸受シャフトにはカッターが滑らかに回転できるようにグリースが充填され、軸受シャフトの磨耗防止が図られている。その軸受シャフトとカッターとの隙間には、軸受内部から外部に向かってグリースが流出するのを防止すると共に、坑井内を循環している掘削泥水が外部から軸受内に侵入するのを防止するため、その環状隙間に、一般的にはゴム製環状シールが嵌合されている。
【０００３】
また、ロックビット装置に加わる坑井の流体圧力とロックビット装置の内部圧力とを平衡させるため、ダイアフラムを有する圧力バランス装置が設けられている。この圧力バランス装置は、ビット装置の内部のグリース中に不可避的に残留する圧縮性空気が外圧により圧縮されることによりシールリングが内部側に押し込まれるのを防止するとともに、ロックビット使用中の軸受部加熱によるグリース膨張、分解ガス発生によりシールリングが外側に押し出されるのを防止する。（特許文献１および２参照。）
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第３，０７５，７８１号明細書
【特許文献２】
米国特許第３，３７０，８９５号明細書
【特許文献１】
米国特許第４，７２２，４０４号明細書
【０００５】
【考案が解決しようとする課題】
この種のロックビット装置では、地上からドリルストリングを通して送られる掘削泥水が、ロックビット装置に取り付けられているノズルから坑底に向けて噴射され、このジェット流が坑底で発生した掘り屑とともにカッター間、さらにはドリルストリングと坑璧間を通って地上に運ばれる。掘り屑を含んだ掘削泥水は激しいジェット流による攪拌の結果、軸受シャフトとカッター間の隙間を通って環状シールの配置箇所に侵入し、環状シールを磨耗させ、加えて、環状シールに埋め込まれた掘り屑が軸受シャフトを磨耗させるという問題がある。
【０００６】
即ち、ゴム製環状シール及び軸受シャフトの磨耗が進行すると、シール締代が低減し、その結果掘削に伴うカッター揺動によりグリースが外部に流出するとともに、外部から内部に向って掘削泥水が浸入し、これによって軸受シャフトが急速に磨耗し、ロックビット装置の交換が必要になる。
従って、軸受シャフトの寿命を実質的に延長させるように環状シールの長寿命化を図る改善が望まれている。
【０００７】
本考案は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、軸受シャフトとカッターとの間に二重シール構造を設けることにより、外部から内部に向って泥水の浸入をより十分に防止することができるようにした圧力バランス装置付き回転カッターロックビット装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
さらに、本考案の他の目的は、ニ重シール構造のうちの外側環状シールをメタルシールにして、その接触圧を２段階の加圧によって得ることにより、より高い密封性を得ることができるようにした圧力バランス装置付き回転カッター装置を提供すことである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、本考案による圧力バランス装置付き回転カッターロックビット装置においては、複数の軸受シャフト、該軸受シャフトに回転可能に取り付けられたカッター、軸受シャフトとカッターとの間を外部から遮蔽する環状シールを設けると共に、軸受シャフトとカッターとの間の内部圧力と外部圧力とを平衡させるための圧力バランス装置を備えた回転カッターロックビット装置において、圧力バランス装置がゴム製の内側環状シールと外側環状シールとを有し、外側環状シールが金属製の剛性リングからなり、この剛性リングによってメタルシールを行うことを特徴とするものである。
【００１０】
さらに、上記第２の目的を達成するために、本考案による圧力バランス装置を備えた回転カッターロックビット装置においては、外側環状シールのメタルシールの接触圧を得るために、弾性材による加圧が行われていることを特徴とする。
【００１１】
また、上記圧力バランス装置付き回転カッターロックビット装置においては、剛性リングがゴム材と金属スプリングとの組合せにより加圧されることを特徴とする。
【００１２】
さらに、この圧力バランス装置付き回転カッターロックビット装置においては、ゴム材がフッ素系ゴム材またはニトリルゴム材であり、金属スプリングが皿バネまたは波状皿バネからなることを特徴とする。
【００１３】
【考案の効果】
上記構成によって、本考案による圧力バランス装置付き回転カッターロックビット装置は、従来のゴム製環状シールの外側（外部の泥水側）に、さらに別の剛性リングからなる外側環状シールを設けたので、二重シール構造にされて、外側から内部に向って泥水が浸入することを防止することができる。
【００１４】
また、二重シール構造をなす外側環状シールは、金属製の剛性リングを有し、軸受シャフトと回転カッターとの間にメタルシールを行い、その接触圧をゴム製および金属等のスプリングからなる弾性材による加圧により高めているので、ビット装置の制限される軸受空間においては、シール配置スペースを最小にすることが重要であり、このスペースが小さいほど問題となるカッター軸方向の遊びによる揺動に対するメタルシール面の追従性は、メタルシール加圧力がゴム製と金属スプリングの加圧力により行われるので、単独での加圧によるシールよりも大幅に改善される。
【００１５】
また、高温に曝される地熱井ビットに使用されると、圧縮永久変形によるゴム材の弾性力低減が金属スプリングで補強され、シールの寿命を延ばすことができるという効果を奏する。
【００１６】
【考案の実施の形態】
上記課題を解決する手段においては、外側環状シールがゴム製環状シールの外側において、軸受シャフト付根と回転カッター間に形成された隙間に配置されている。この外側環状シールは、内径嵌合部、金属スプリング、バックアップゴムより成る加圧部、および剛性リングからなっている。
【００１７】
外側環状シールの内径嵌合部は、ボディージャーナル軸付根部に、圧入、接着等の手段により嵌合される部分で、通常、ジャーナル軸と相対的に回転、あるいは摺動させない固定機能と、坑井内流体を通さない流体シール機能を有したものである。
【００１８】
外側環状シールの剛性リングと、この剛性リングと対向するカッターシール摺動面間の軸方向接触圧は、ゴム、金属スプリング等の弾性材による加圧で維持される。
【００１９】
加圧のための弾性材は、フッ素系ゴム、例えば、ＡＦＬＡＳが最も望ましいと考えられるが、ＮＢＲ、Ｈ−ＮＢＲ等のニトリルゴム材を用いても良い。また、加圧のための金属スプリングは、従来の皿バネ（Ｂｅｌｌｅｖｉｌｌｅ　Ｓｐｒｉｎｇ　Ｓｅａｌ）、または、波状皿バネ（ＣｏｒｒｕｇａｔｅｄＳｐｒｉｎｇ　Ｓｅａｌ）等が含まれる。
【００２０】
また、バックアップゴムは、ボデーシャーツテール背面と外側メタルシールの相対運動を防止するとともに、坑井内流体をシールする役目を果たす。
【００２１】
さらに、内側環状シールと外側環状シールとの間の空隙内圧力を、坑井内圧力、あるいはビット軸受内圧力と平衡させるための装置が取り付けられることが望ましい。
【００２２】
【実施例】
以下、本考案の一実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本考案に係る圧力バランス装置付き回転カッターロックビット装置１０を示す部分断面斜視図であり、３個の回転カッター２２の内２個が示されている。
【００２３】
この回転カッターロックビット装置１０の軸受シャフト２０は、図示しないドリルパイプのストリングにねじ込むことにより取り付けられるドリル本体１２の端部に、中心に向って斜め下方に延びるように一体に設けられている。この軸受シャフト２０に回転支持される回転カッター２２は、図２の断面図に示されるように、外面が略円錐状に形成され、多数の切削歯１８が埋め込むことにより固定して取り付けられ、回転シャフト２０に形成されたボール保持溝２４と回転カッター２２側の対応する保持溝２８との間に嵌め込まれた保持ボール２６を介するとともに、滑り軸受７０を介して回転シャフト２０に取り付けられている。
【００２４】
回転カッター２２は、回転シャフト２０への取り付け孔内壁におけるドリル本体１２側には、坑井内流体である掘削用の泥水、削り屑、回転カッター２２と回転シャフト２０との間に充填された潤滑剤の出入を遮断するようにシールが設けられている。このシールは、図２の円内に示すように設けられ、詳細には図３に示されるように、ゴム製の内側環状シール３０とこれよりもビット本体１２側の外部近くに設けられた外側環状シール３２とからなっている。
【００２５】
これらの内側環状シール３０と外側環状シール３２との間の空間３４とビット外部との間には、そこでの圧力平衡を図るために、空間３４とビット外部との間に、図２の線ＶＩＩ−ＶＩＩに沿った断面図である図７に示すような圧力バランス装置４２が通路４０を介して設けられている。この圧力バランス装置４２は、高精度に加工されたシリンダ４４内をゴムボール４６が移動することにより空間３４とビット外部との圧力差に対応するようにしたものである。このような内側弾性シール３０は、ビット組立時に軸受内に潤滑剤を満たすために、真空吸引、グリース加圧充填、減圧が行われるが、その際、内側環状シール３２が軸受シャフト２０の軸線方向への移動に応じて、変形した後、正常な位置に戻ることができる。
【００２６】
このような二重シール構造は、図３（図２の円内の部分）に示されているが、内側環状シール３０が、図２、図３に示すように、回転カッター２２の開口部の内周璧に形成された環状溝内に収容されたゴム製シール体であるＯ−リングを回転シャフト２０の外周面に対してシール効果を与えるように圧縮状態で設けることにより提供される。この内側環状シール３０は、Ｏ−リングを採用しているが、断面形状は円形に限定されるものではなく、種々の断面形状を有するものが採用されてもよい。また、内側環状シール３０は、外側環状シール３２を通って両シール間に侵入する掘削泥水が軸受内に浸入するのを実質的に完全に阻止するために、大きなカッター揺動に耐えられるように比較的大きな締代で嵌合されているものである。
【００２７】
また、この二重シール構造における外側環状シール３２は、図３およびそのさらに一部分を示した図４に示されるように、回転カッター２２の端面において軸受シャフト２０のシャーツテール背面６８と回転カッター２２の摺動面６２とによって形成される空間３２において、メタルシールを与えるために剛性リング６０が摺動面６２の半径方向に位置して設けられるとともに、この剛性リング６０の加圧部５６として、金属スプリング５２が内径嵌合部５０に収納されて加圧の一部を成し、同時にシャーツテール背面６８に接触してバックアップゴム５４が位置されて剛性リング６０のもう一つの加圧部をなすように設けられている。
【００２８】
この剛性リング６０は、平滑に加工された径方向の面６２を有し、回転カッター２２の開口部に加工されている径方向の面６４とシーリング接触するように向合って設けられている。ビット１０の作動中には、回転カッター２２の回転とともに掘り屑を含む掘削泥水中において回転シールを伴って摺動する際に発生する磨耗を低減するように、剛性リング６０の摺動面６２は、超硬合金、ステライト、あるいは分散炭化物を含有する焼入れ鋼のような、耐磨耗硬質金属で作られるか、硬質材料でコーティングされることが好ましく、また、剛性リング６０と回転シールしなから摺動する回転カッター２２の開口部の径方向の面６４も平滑に加工された面であって、耐磨耗性を向上させるために、浸炭等の熱処理、あるいはコーティング等の表面処理が行われることが望ましい。
【００２９】
また、加圧部５２には、金属スプリング５２として波形皿バネ５２（図６に詳細を示す）が図４に示すように埋め込まれ一体成形されていて、剛性リング６０をさらに加圧することができる。バックアップゴム５４は、図では加圧部５６として他の部分と材質が区別されるように示されていないが、他の種類の弾性材料を使用してもよく、その場合、内径嵌合部５０とバックアップゴム５４とが分離した状態にあってもよい。その際には、剛性リング６０とバックアップゴム５４は、接触境界面のシール性を保持し、相対回転を防止するように接着剤等で接合することが望ましいが、必ずしも必要なものではない。
【００３０】
加圧部５６における内径嵌合部５０は、上述したように軸受シャフト２０に嵌め込まれる部分であるが、ビットの作動時に軸受シャフト２０と相対回転しないように、ゴム等から形成されて軸受シャフト２０に締り嵌めにより固定されている。
【００３１】
また、加圧部５６における波形皿バネ５２は、図３から図５に示すように、シール接触する回転カッター２２の径方向面６４と剛性リング６０の径方向面６２との間において、バックアップゴム５４と協働してシール接触圧を加えるものであり、図６に示すような波形皿バネ５２が設けられている。波形皿バネ５２は、回転カッター２２の径方向のクリアランスに比較して、コントロールし難い軸方向のクリアランスに対処するため、荷重−撓み曲線に比較的フラットな部分を設計することが可能である。回転カッター２２が軸方向に揺動し、バネの撓みが大きく変化しても、スプリング圧、即ち、シール接触面圧の変化を小さくすることができる。
【００３２】
さらに、加圧部５２のバックアップゴム５４は、図３に示すように、剛性リング６０の径方向の面６２と回転カッター２２の開口部における径方向の面６４との間において、シール接触圧の分布を調整するものであり、一般に内径グリース側より外径掘削泥水側の面圧を大きくするように形状が定められている。そして、バックアップゴム５４は、剛性リング６０とシャーツテール背面６８との間で圧縮されることにより、シール接触圧を加えるとともに、バックアップゴム５４とシャーツテール背面６８との間の摩擦により、外側環状シール３２と軸受シャフト２０との間の相対運動を防ぐのを助ける役割をする。
【００３３】
なお、図５に示された外側環状シール３２における加圧部５６は、剛性リング６０と回転シャフト２０とに対して位置される前の状態であり、切断された一部分がしめされている。この状態では、剛性リング２０と加圧部５６が別部品として示されているが、一体成形されたものとすることもできる。
【００３４】
また、加圧部５６の内径嵌合部５０に一体に埋め込まれている金属スプリングの波形皿バネ５２は、図５に一体にされた状態と、実際に設置箇所の空間３４に配置された状態を部分的に示したものである。
【００３５】
以上述べたように、本考案による圧力バランス装置付き回転カッターロックビット装置の構成を一例として説明したが、この構成に限定されるものではなく、請求の範囲から離脱することなく種々の変更が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本考案に係る圧力バランス装置付き回転カッターロックビット装置の部分断面斜視図である。
【図２】本考案の一実施の形態による圧力バランス装置付き回転カッターロックビット装置の垂直方向断面図である。
【図３】図２の装置の二重シール構造を示す円形部分の拡大断面図である。
【図４】図３に示す外側環状シールにおける剛性リングの加圧部の部分断面図である。
【図５】図２の外側環状シールの要部斜視図である。
【図６】図５に示す剛性リングの加圧部における皿バネを示し、（Ａ）はその断面図、（Ｂ）はその斜視図である。
【図７】本考案の一実施の形態による回転カッターロックビット装置における圧力バランス装置の図２の線ＶＩＩ−ＶＩＩに沿った断面図である。
【符号の説明】
１０　回転カッターロックビット装置
２０　軸受シャフト
２２　カッター
３０　内側環状シール
３２　外側環状シール
３４　空間
４０　通路
４２　圧力バランス装置
４４　シリンダ
４６　ゴムボール
５０　内径嵌合部
５２　金属スプリング（波形皿バネ）
５４　バックアップゴム
５６　加圧部
６０　剛性リング
６２　径方向の面
６４　径方向の面
６８　シャーツテール背面
７０　滑り軸受
【図１】
0003096842.tif 000003
【図２】
0003096842.tif 000004
【図３】
0003096842.tif 000005
【図４】
0003096842.tif 000006
【図５】
0003096842.tif 000007
【図６】
0003096842.tif 000008
【図７】
0003096842.tif 000009