(57)【要約】【課題】特別な加工や装置を必要とせず、かつ、確実に環状シールへの泥水の浸入を防止して、シールおよびシャフトの磨耗を減少させることのできる回転カッターロックビット装置の提供。【解決手段】本発明による回転カッターロックビット装置は、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、および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備え、環状シールが、重ねて配設されたゴム製の内側環状シールとゴム製の外側環状シールとを含み、外側環状シールが、内側環状シールよりも大きな硬度を有することを特徴とする。外側環状シールにより、削屑によるシールの磨耗が防止され、シャフトとの密着性に優れた内側環状シールが泥水の内部への浸入およびグリースの漏出を防止する。このようにして、耐磨耗性およびシール特性に優れた回転カッタービット装置が提供される。【選択図】図２
2008175255.tif 000002
【特許請求の範囲】
【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、重ねて配設されたゴム製の内側環状シールとゴム製の外側環状シールとを含み、
前記外側環状シールが、前記内側環状シールよりも大きな硬度を有することを特徴とする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が、上面、下面、外周面、内周面を有する略矩形の断面を有し、前記上面と、前記内周面および前記外周面との交わるコーナー部が、前記外側環状シールの厚さをｔとして、１０／ｔ以上の曲率を有することを特徴とする請求項１に記載された回転カッターロックビット装置。
【請求項３】
前記コーナー部が、概ね直角であることを特徴とする請求項２に記載された回転カッターロックビット装置。
【請求項４】
前記外側環状シールの下面と内周面との交わるコーナー部が、前記下面と外周面との交わるコーナー部よりも、小さな曲率を有することを特徴とする請求項２または請求項３に記載された回転カッターロックビット装置。
【請求項５】
前記外側環状シールが、上面および／または下面に突起を有することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された回転カッターロックビット装置。
【請求項６】
前記外側環状シールが、９０以上のショア硬さを有すること特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された回転カッターロックビット装置。
【請求項７】
前記内側環状シールが、８５以下のショア硬さを有すること特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された回転カッターロックビット装置。
【請求項８】
前記外側環状シールおよび前記内側環状シールが、水素化ニトリルゴム、ニトリルゴム、フッ素系ゴム、シリコーンゴムまたはエチレンプロピレンゴムでできていることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された回転カッターロックビット装置。
【請求項９】
前記外側環状シールおよび前記内側環状シールに加えて、付加的な環状シールが配置されていることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載された回転カッターロックビット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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回転カッターロックビット装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
坑井掘削に一般的に使用される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。カッターの内部にはボールベアリングやジャーナルベアリングなどのベアリング類が装着され、滑らかに回転するようにグリースが充填されている。また、そのグリースは軸受シャフトの磨耗防止にも寄与している。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の流出を防止すると共に、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ことを防止するため、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】
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との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。
【０００４】
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、外部からカッター内部に向って掘削泥水が浸入し、これによってカッタ内部のベアリング類が急速に磨耗し、カッターの回転が止まり、ロックビット装置の交換が必要になる。
従って、ベアリングの寿命を実質的に延長させるように環状シール機能の長寿命化を図る改善が望まれている。
【０００５】
特許文献１には、このような環状シールとして、内周面または外周面側の横断面形状を台形状に形成したものが記載されている。このような形状の環状シールでは、シールの内周面とシャフトの外周面との隙間が小さくなり、切削泥水の巻き込みが小さくなる。
【０００６】
しかし、特許文献１のようなシール形状を採用しても、切削泥水に含まれる堀屑および金属屑がゴムに食い込み、それによってシールの磨耗が進行する。
【０００７】
そのため、特許文献２では、環状シール部材の泥水進入方向上流側の隙間に泥水濾過用環状フィルターを設けて、泥水の浸入を防止している。また、特許文献３では、内側環状シールおよび外側環状シールを設けて、外側環状シールを金属製リングとしている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−２２０９６１号公報
【特許文献２】特開２００２−３２２８８９号公報
【特許文献３】実用新案登録第３０９６８４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献２の環状フィルターは、繊維から構成されるため、シャフトとの摩擦により磨耗される。磨耗によりフィルターが広がり、繊維の隙間を通過する粒子の寸法が大きくなると、ゴム製の環状シールに大きな粒子を含む水が到達して、ゴム製環状シールの磨耗が進行する。また、フィルターは、環状シールと間隔を置いた異なる溝に配置されるため、溝加工された特別なカッター部材を作製しなければならない。
他方、特許文献３に記載された金属シールは、内部への泥水の浸入を遮断するが、金属シールと環状シールとの間の圧力を調整するために、圧力平衡装置が必要になる。また、金属は腐食を起こしやすく、腐食されて隙間ができると、そこを通って泥水が内部へ入り込む。
【００１０】
本発明は、特別な加工や装置を必要とせず、かつ、確実に環状シールへの泥水の浸入を防止して、シールおよび軸受シャフトの磨耗を減少させることのできる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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による回転カッターロックビット装置は、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、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、前記環状シールが、重ねて配設されたゴム製の内側環状シールとゴム製の外側環状シールとを含み、外側環状シールが、内側環状シールよりも大きな硬度を有することを特徴とする。
【００１２】
好ましくは、外側環状シールが、上面、下面、外周面、内周面を有し、その断面が略矩形であり、上面と内周面および外周面とのつくるコーナー部が、外側環状シールの厚さをｔとして、１０／ｔ以上の曲率を有する。とりわけ、前記コーナー部が、概ね直角であることが好ましい。
【００１３】
また、外側環状シールの下面と内周面とがつくるコーナー部が、下面と外周面とのつくるコーナー部よりも、小さな曲率を有することが好ましい。
【００１４】
また、外側環状シールが、上面および／または下面に突起を有することが好ましい。
【００１５】
好ましくは、外側環状シールは、ショア硬さで９０以上である。内側環状シールは、ショア硬さで８５以下であることが好ましい。
【００１６】
外側環状シールおよび内側環状シールが、水素化ニトリルゴム、ニトリルゴム、フッ素系ゴム、シリコーンゴムまたはエチレンプロピレンゴムでできていることが好ましい。
【００１７】
本発明による回転カッターロックビット装置は、外側環状シールおよび内側環状シールに加えて、付加的な環状シールを配置することができる。
【発明の効果】
【００１８】
硬度の大きい外側環状シールと、硬度の小さい内側環状シールを密着させて配置した本発明の構成により、軸受シャフトとカッターの隙間を通って外部から浸入した泥水に含まれる堀屑によるシールの内周面と軸受けシャフトの外周面の磨耗が、外側環状シールによって防止され、軸受シャフトとの密着性に優れた内側環状シールが泥水の内部への浸入およびグリースの漏出を防止する。このようにして本発明により、耐磨耗性に優れ、シール特性にも優れた回転カッタービット装置が提供される。とりわけ、外側環状シールを、コーナー部の曲率の大きい矩形断面形状とすることにより、シールの配設された溝内に泥水が浸入することを防止できるため、一層優れた磨耗抑制効果が得られる。
また、本発明は、環状シールを重ねて配置する構成であるため、シールを一体化する加工や特別な装置を必要とすることなく、上記磨耗抑制効果を得ることができる。
【実施例】
【００１９】
以下では、概略図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。
図１は、本発明に係る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のうちの２個が示されている。
【００２０】
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、軸受シャフト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４０を介して軸受シャフト２０に取り付けられている。
【００２１】
回転カッター２２は、軸受シャフト２０への取り付け孔内壁におけるドリル本体１２側に、坑井内流体である掘削用の泥水、削り屑、および回転カッター２２と軸受シャフト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に示すように設けられ、内側環状シール３０と外側環状シール３２とからなっており、軸受シャフト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。
【００２２】
内側環状シール３０と外側環状シール３２とはともにゴムでできたものであり、その硬さは、外側環状シール３２が内側環状シール３０よりも大きくなっている。好適には、外側環状シール３２は、ショア硬さで９０以上、さらに好ましくは、９５以上が望ましい。このような硬さのゴム製シールであれば、泥水に含まれるいわゆるザクとよばれる削り屑、金属屑などがゴムに入りこむことがなく、これらのザクを含む泥水の浸入による磨耗が抑制される。しかし、硬さを大きくすると、ゴムの弾発性が小さくなるため、軸受シャフト２０およびカッター部材２２との間のシール特性が悪くなる。他方、内側環状シール３０は、ショア硬さが８５以下、とりわけ８０以下が好ましい。内側環状シール３０は、外側環状シール３２に比較して軟らかいため、弾発性に優れており、軸受シャフト２０およびカッター部材２２との密着性に優れ、軸受２６、４０に供給されたグリースが軸受シャフト２０とカッター部材２２との隙間を通って漏出することを防ぐとともに、泥水の浸入を遮断することができる。内側環状シール３０は、外側環状シール３２によって泥水のザクから保護されている。
【００２３】
本明細書において、「外側環状シール」および「内側環状シール」に用いられる「外側」および「内側」は以下のとおり定義される。すなわち、「外側」とは、軸受シャフト２０とカッター部材２２との隙間を通って泥水の進入してくる方向をいい、図２においてロックビット装置本体に近い側をいう。他方、「内側」とは、図２において軸受２６、４０に近い側をいう。
【００２４】
内側環状シール３０と外側環状シール３２とは、密着させて同じ溝穴４０に配設される。そのため、内側環状シール３０および外側環状シール３２は、上面、下面を有し、外側環状シール３２の下面と内側環状シール３０の上面を密着させて配置できる。
なお、本明細書において、「上面」は、泥水の進入してくる方向を向いた面を指し、「下面」は、軸受２６、４０の設けられた方向を向いた面をいう。  
【００２５】
外側環状シール３２の形状は、図３に示すとおり、断面が、上面６２、下面６４、外周面６６、内周面６８を有し、断面が概ね矩形であり、上面６２と、外周面６６および内周面６８とのつくるコーナー部５２、５４が、その厚さをｔとして、１０／ｔ以上の曲率を有することが好ましい。コーナー部の曲率が小さいと、シャフト外周面とシール端部との間の隙間が大きくなり、この隙間に泥水に含まれる堀屑が浸入して、弾力のあるシール内周面がそれらの掘り屑を抱き込みシャフト外周面の磨耗が引き起こされる。この隙間を小さくすることにより、掘り屑の進入が防御され、結果的にシールとシャフト外周面の磨耗をさらに小さくすることができる。従って、コーナー部５２、５４の曲率が大きいほうが好ましく、とりわけ、概ね直角であることがさらに好ましい。
【００２６】
外側環状シール３２の下面６４が、外周面６６および内周面６８とつくるコーナー部５６、５８については、どのような形状にすることもできるが、これらのコーナー部５６、５８を上面６２のコーナー部５２、５４と同様に曲率を大きくすると、外側環状シール３２の締め代が確保できない。また、外側環状シール３２が軸受シャフト２０とともに回転する虞がある。
【００２７】
そのため、図４に示すような断面形状を有する外側環状シール７０が好ましい。この外側環状シール７０の下面と内周面のつくるコーナー部７８は、外側環状シール７０の締め代を確保するための空間を設けるため、コーナー部７６よりも小さな曲率を有している。とりわけ、コーナー部７８は、１０／３ｔ以下の曲率を有すること、さらには、ほぼｔ／４の半径を有する４分円であることが好ましい。コーナー部７６は、コーナー部７２、７４と同じ曲率を有することができるが、異なる曲率を有していてもよい。このような構成にすると、内周面が軸受けシャフトと接する面積が、外周面が溝穴面に接する面積よりも小さくなり、内周面と軸受シャフトとの摩擦力が、外周面と溝穴面との摩擦力よりも大きくなるため、軸受シャフトの回転とともに外側環状シールが回転することが防止され、また、カッター自身の回転トルクが軽減される。
【００２８】
また、外側環状シール７０は、締め代を確保するため、上面および下面に突起７９を有している。突起７９は、断面が半円形の環状突起が上面および下面に２個筒形成されている。しかし、突起は、上面のみ又は下面のみに設けられてもよい。また、突起７９は、締め代となる空間を形成できればどのような形状でもよく、例えば、半球状や角錐状の突起物を多数配設してもよく、凹凸の溝を形成してもよい。
【００２９】
外側環状シール３２、７０は、ショアー硬さが９０以上であることが好ましい。さらに好ましくは、９５以上である。この硬さであれば、泥水に曝されても磨耗が小さく、その上、弾発性を有しているので、泥水が内側環状シールに流れることを防止できる。
【００３０】
内側環状シール３０は、ショア硬さ８５以下のゴムから構成されることが好ましく、とりわけショア硬さ８０以下が好ましい。このようなゴムであれば、軸受シャフト２０および回転カッター２２の壁面との間に十分な密着性を有し、シール効果が得られる。外側環状シール３２を設けたため、内側環状シール３０は、泥水に対する磨耗性を考慮せずに、十分な弾発性を有するように設計可能である。
【００３１】
内側環状シール３０および外側環状シール３２、７０は、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）フッ素系ゴム、シリコーンゴムまたはエチレンプロピレンゴムにより作製できる。これらのゴムは、耐熱性、耐磨耗性に優れているためである。シールと軸受シャフトまたは回転カッターとの摩擦により、シール近傍は２００℃以上の高温になるため、耐熱性も要求される。内側環状シール３０と外側環状シール３２とは、同じ材質でもよく、異なる材質でもよい。とりわけ、水素化ニトリルゴムは耐熱性に優れているため、どちらのシール３０、３２、７０ともに水素化ニトリルゴムであることが好ましい。
【００３２】
図５に本発明の別の実施例を示す。図５の回転カッターロックビット装置は、３個の環状シール８２、８４、８６を有している（以下、外側から順に、第１、第２、および第３環状シールという）。第１および第３環状シール８２、８６は、上記外側環状シール３２と同様に、硬さの大きいゴムからできており、第２環状シール８４は、上記内側環状シール３０と同様の、硬さの小さいゴムからできている。この構成により、軟らかいゴムでできた第２環状シール８４は、カッターの回転によって変形したりぶれたりすることが抑制される。
図４の例以外にも、外側環状シールと内側環状シールの組み合わせに対して、追加の環状シールを配置することが可能である。
【００３３】
以上述べたように、本発明による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、本発明はこれら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】
【００３４】
【図１】本発明に係る回転カッターロックビット装置の部分断面斜視図。
【図２】本発明の一実施の形態による回転カッターロックビット装置の垂直方向断面図。
【図３】本発明の一実施形態によるシール構造の部分断面斜視図。
【図４】本発明の他の外側環状シールの実施形態の断面図。
【図５】本発明の他の実施形態によるシールの積層を示す断面図。
【符号の説明】
【００３５】
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、７０  外側環状シール
５２、５４、５６、５８  コーナー部
６２  上面
６４  下面
６６  外周面
６８  内周面
４０  滑り軸受
４４  圧力バランス装置
８２  第１環状シール
８４  第２環状シール
８６  第３環状シール
【図１】
2008175255.tif 000003
【図２】
2008175255.tif 000004
【図３】
2008175255.tif 000005
【図４】
2008175255.tif 000006
【図５】
2008175255.tif 000007