JPS59206590A - 切削工具および完全に露出した多結晶質ダイヤモンド要素を有する回転ビツト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技′ｖ１’Ｊ分野 本発明は、通論のボーリングビットに関し、より詳しく
はダイヤモンドの切削要素を組み込んだ回転ヒントにる
・いて具体ｆヒされるようなビットに関する。

虻　米　」支　術 １月削製品にタイヤモンドを使用することはよく知られ
ている。最近、合成ダイヤモンドすなわち単結晶のダイ
ヤモンド（ＳＣＤ）および多結晶質のダイヤ七ン）（Ｐ
ＣＤ）の両者は、種々の源から１数業的（′こ入手でき
るようになり、そしてこの上うな掘削製品において使用
されてきてお一す１．認められる利点が得られている。

たとえば、天然ダイヤモンドのビットー：ローラー円ツ
旺ヒツトの場合の破砕に比べてすき作用で掘削をＶ丁い
、こｊｌに対して合成ダイヤモンドは剪断作用により切
削す／ｓ顔向がある。たとえば、岩石層のｊ弱含におい
て、圧縮よりも剪断において岩石を破壊するために要す
るエネルギーは少ないと伯じられる。

最近、種々の合成ダイヤモンド製品が商業的に入手でき
るようになり、それらの６らるもの１は多結晶質製品と
して入手できる。結晶質ダイヤモンドは（１１１）、（
１１０）および（１００）の半面に２いて優先的に破壊
し、これに対してＰＣＤは１η方性でありかつこの同じ
破壊をマ仁外７スケールでｚ’ｌＫし、それゆえ突然の
大きい規模のへ＝し開破枠構に対して抵抗を有する。そ
の結果鋭さが保持され、みがきに抵抗するように見え、
そして（υ削が促進される。このような製品は、たとえ
ば、オ（国特許第３，９１３，２８０号、同第３，７４
５，６２３号、同第３．８１６，０８５号、同第４．Ｉ
　Ｏ４，３４４号および同第４．２２４，３８１）月に
ｌ己叔されている。

一般に、ＰＣＤ製品（・す合成および／または適画な大
きさにされた天然のダイヤモンドの結晶から熱および圧
力のもとにかつ溶媒／触媒の存在下に製作されて、多結
晶質構造が形成される。製品の１つの形態において、多
結晶質構造は、隣接する結晶が一緒に結合されていない
隙間に木質的に分布さハ、た、焼結助剤を含む。

たとえば、米国特許第３，７４５，６２３号、同第３．
８１６．０８５号、同第３，９１３，２８０号、同第４
．１０４．．２２３号および同第４，２２４，３８０号
に記載されているような、他の形態において、得られる
ダイヤモンドの焼結製品は多孔質であり、多孔性は非ダ
イヤモンド材料または少なくともその一部分を溶解する
ことにより、たとえば、米国特許第３．７４５，６２３
号、同第４，１０４，３４４号および同第４．２２４．
３　Ｅ、　０号に開示されているようにして、達成され
る。便、室上、このような材料を、米国特許第４，２２
４，３８０号を参照して、多孔質ＰＯＤと記載すること
かできる。

多孔質ダイヤモンドは、掘削製品において、個個の圧縮
要素として、あるいは接着された炭化タングステン（Ｗ
Ｃ＞上に支持された比較的薄いＰＣＤテーブルとして、
使用されてきている。ｊつの形態において、ＰＣＤ圧縮
物は直径約１３３世、長さ約３印の円筒形スラノク上に
支持され、そして横断面が約０５〜０．６　ｍｍのＰＣ
Ｄデープルは力、ツク−の白土に支持される。他の変型
、すなわち、スタッドカッターにおいて、ＰＣＤテーブ
ルはまた約３　ｍｍ　Ｘ　ＦｆＸ径１３．３ｍｍＸ全長
２６＋＋ｏｎの炭化タングステンの円筒形支持体により
支持される。

これらの円筒形のＰＣＤテーブル面をもつカッターは、
軟質ないし中程度の硬質の層における使用を意図する掘
削製品において使用されてきている。

種々の幾何学的形状の個々のＰ　ＣＤ要素は、掘削製品
についてのある用途において天然ダイヤモンドの代替品
として使用されてきている。しかしながら、ＰＣＤ要素
を所定のカラットサイズすなわち重量の個々の片とし一
〇使用するとき、ある問題が生ずる。一般に、広範な種
類の形状および等級で入手される、天然ダイヤモンドは
型内の前もって定められに位置に配置され、そして工具
の製造は種々の常用の技術により完結された。その結果
ダイヤモンドを所定位置に保持する金属炭化物のマトリ
ックスが形成し、このマトリックスは時にはクラウンと
呼ばれ、後者は金属マトリックスの形成過穆の間に形成
した冶金学的結合または機械的結合により鋼ブランクへ
＠１．＋１けられる。天然ダイヤモンドは十分に熱安定
性があって、金属マトリックスの形成時の７１１］熱に
耐える。

前述のこの６手順において、天然ダイヤモンドは前もっ
て決定した配向で表面固定するか、あるいは含浸するこ
とができ、後者の場合においてダイヤモンドはマトリッ
クス全体にグリドすなわち微細粒子の形で分布される。

初期のＰＣＤ要素では、掘削製品の製造時に間昭が生じ
た。これは、ｐＣＤ要素ことに炭化物支持体−ＥのＰＣ
Ｄテーブルは金属マトリックスのビットのクラウンの炉
内処理のとき用いる温度において熱的に不安定となる傾
向があり、天然ダイヤモンドの場合に用いられるのと同
一手順を用いると、ＰＣＤ要素の突然破損が生ずるから
である。

突然破損は、ＰＣＤ要素の形成時に焼結助イリとして使
用される金属または合金の残留物の膨張による熱応力に
基づく割れによるものと信じられた。

温度に不安定なＰ　ＣＤ製品を用いるとき、円筒形ＰＣ
Ｄテーブル面のカッターをマトリックス中に固定するた
めにろう付技術が使用された。ろう竹材料および手順は
、掘削工具の製造時のＰ　ＣＤ要素の突然破損を起こす
温度に到達しないことを確保するために用いられた。そ
の結果、時には、ＰＣＤ成分は金属マトリックスから分
離し、こうして掘削工具の性能に悪影響を及はした。

熱安定件ＰＣＤ要素、典型的に多孔質Ｐ　ＣＤ　＆ｉ料
が出現し、このような要素は天然ダイヤモンドとほとん
ど同一の方法で金属マトリ７クス中に表面固定し、こう
して掘削工具の製作法を簡素化し、かつＰＣＤ要素がみ
がかれる傾向が少なく、天然ダイヤモンドに比べて固有
に弱いべき開十面をもたないという利点をもっと信じら
れるために、よりすぐれた性能を提供できると、信じら
れた。

１要なことには、多孔質ＰＣＤ圧縮物に関する現代の文
献は要素を表面固定することを示唆している。多孔質Ｐ
ＣＤ圧縮物、および約１２００℃まで温度安定性である
といわれるものは、種々の形状、たとえば、円筒形およ
び三角形で入手できる。三角形の材料は典型的には重さ
が０．３カラノド、側面が４印、そして厚さが約２．６
印である。

先行技術によると、三角形の多孔質ＰＣＤ要素は、面上
に最小の先端の露出、すなわち、岩石の掘削について隣
接金属マ）　ＩＪソクス面より上に０．５　＋ｎｍより
小の先端の露出で、表面固定することが示唆される。カ
ラット当り大きい三角形の合成ダイヤモンドも入手でき
るようになり、これは側面が６ｍｌ１１であり、厚さが
３．７ｍｍであるが、このようなダイヤモンドのための
露出度は推奨されてきていない。摩耗性岩石の場合にお
いて、先行技術によると、三角形の要素は金属マトリッ
クスよシも完全に下に固定することが示唆される。軟質
の非摩耗性岩石については、三角形要素は半径方向に配
向させ、基部をマトリックスのレベルにほぼ等しくさせ
て表面固定することを、先行技術は示唆している。推奨
される露出度は、こうして切削すべき岩石層の型に依存
する。

このような配置を用いるとき、いくつかの困難に直面す
る。掘削作業の動力学を考慮することにより、困難を理
解することができる。通常の掘削作業、たとえば、採鉱
、孔あけ、または油井の掘削において、水、空気寸たは
掘穿泥水のような流体を、工具の中心を通して工具面を
横切って半径方向外側に、半径方向に外表面（ゲージ）
のまわりに、次いで孔を通して上方にもどる方向に送る
。

掘穿泥水は切削物を工具面から清浄除去し、そしである
程工具面を冷却する。層の切削孔とビット本体との間の
隙間が不十分である場合、ことに層が軟質であるかある
いはもろい場合、切削物は面から清浄除去されないであ
ろう。こうして、切削表面一層の界面と工具本体の面と
の間の隙間が比較的小さい場合およびあさりについて準
備がなされていない場合、ビットの清浄の問題が存在す
るであろう。

考慮すべき他の因子は、ドリルビットへの重り、通常ド
リルストリングの重さおよび主としてドリルカラーの重
さ、およびビットを底から持ち上げる傾向のある流体の
効果である。たとえば、ダイヤモンドビットよυ下の圧
力はピントよｐ上の圧力よ’）　１０００　ｐｓｉ程度
に高くあることがちシ、水圧エレベータ−効果を起こし
、そしである場合には水圧エレベータ−の力は掘削間に
加えられる負荷の５０％を超えることが報告された。

表面固定された熱安定性ＰＣＤ要素を有するドリルビッ
トにおいてなされた１つの驚ろくべき観察は、ビットを
孔中に送入することにより、切削面の十分な露出が達成
された後でさえ、かつ金属マ）　ＩＪノクスの表面の小
部分が摩耗し去った後、浸入速度はしばしば減少すると
いうことである。

ビラトラ検査すると、ＰＣＤ要素の予期されないみがき
が示される。通常ＲＯＰは、ドリルストリングへ重りを
加えることにより、あるいはビラトラ交換することによ
り増加することができる。ドリルストリングへの重りの
付加は、ドリルリグへの応力および摩耗を増加するので
、一般に望ましくない。さらに、ビットのはずしまたは
交換は、通常の場合における掘削の経済性が侵入の１フ
イード当ｐのコストで衣わされるので、高価である。

コストの計算は、ビットのコストとはずし時間および掘
削されたフィート数で割った掘削時間を含むリグコスト
とを考慮に入れる。

明らかなように、熱安定性ＰＣＤ要素衾有し、合理的コ
ストで製作することができがっビット寿命の長さお」２
び侵入速度の観点においてすぐれた性能をもつ掘削工具
を提供することは望せしいであろう。

また、送入期間を長くしないで切削を提供するように工
具面に位置しかつ配置された熱安定性ＰＣＤ要素を有す
る掘削工具、および掘穿泥水の流れおよび切削物の清浄
除去に有効な切削装累と層との間の十分な隙間を形成す
る掘削工具を提供することは望ましい。

十分な切削を開始できる前に、三角形カノターのチップ
すなわち先端を破壊するために、ダイヤモンドビットの
送入は必要である。テップの損失計は自然ダイヤモンド
の合計の露出にほぼ等しい。

したがって、きわめて大きい初期の露出は、天然ダイヤ
モンドに比べて合成ダイヤモンドには必要である。した
がって、切削間の予測される摩耗を配慮すること、送入
間のチップの除去を考慮すること、２よび必要な流れの
隙間を提供するために、実質的な初期の隙間を必要とす
る。

なお他の利点は、定められた前もって決定された形状寸
法の熱安定性ＰＣＤ要素が金属マトリックス中へ効果的
に固定されて、正常の摩耗以外のＰＣＤ要素の損失を防
止することにより工具の合理的な長い寿命を提供するよ
うに、金属マトリックス中に配置されかつ支持される、
掘削工具が提供されるということである。

また、ドリルストリングの重量、ビットのトルクを有意
に増力口しないで、あるいは掘穿泥水の流れまたは圧力
を十分に増加させないで、特定層において使用できるよ
うに、工具中に固定された熱安定性ＰＣＤ要素を有し、
かつ同−掘削栄件下で従来のビットよりも筒いＲＯＰに
おいて掘削する掘削工具を提供することである。

発明の開示 本発明は、ビット面と、対応する接舷の歯巾に配置され
た複数の多結晶質ダイヤモンド（１）ＣＤ）要素を旨む
中央とを有する回転ビットにあ・ける改良であり、ここ
で各ピントはビットの面から延びる突起からなり、前記
ビットの面は少なくとも多結晶質ダイヤモンド要素の従
属面と＠接するビット面のマトリックス材料と一体であ
る従属支持体を含む。従属支持体は、多結晶質ダイヤモ
ンド伎素と従属支持体との間の隣接する接触平面におい
て多結晶質ダイヤモンド要素と実質的に一致するテーパ
ー付き縦断面ヲ有すること、およびそこからビット面上
の先端へのデーパ−をもって涙滴形要素を形成すること
、によってとくに特徴つけられる。

本発明の種々の実施態様におけるこれらの面および他の
面は、以下の詳細な説明に照して添旬図面を参照するこ
とにより、よりいっそう理解されうるでめろう。

実施例 本発明は、多結晶ダイヤモンド要素（以後ＰＣＤ要素）
が配置式れているダイヤモンドビ・ノドの切削歯の改良
である。このような要素は、典型的には三角形のプリズ
ム形であυ、等辺の三角形の平行な向かい合う面をもち
、側面がほぼ４．　Ｏ＋ｍｎ、三角形の面間の厚さがほ
ぼ２．６　ｍｍである。このようなＰＣＤ要素は現在ゼ
ネラル・エレクトリック社（Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｅｌｅｃ
ｔｒｉｃ　Ｃｏｍｐａｎｙ）Ｋより商標ＧＥＯ３ＥＴ　
　２１０２　で製作さ扛ている。これより多少大きいダ
イヤモンド要素は、ゼネラル・エレクトリック社により
商標ＧＥＯ８ＥＴ　　２１０３で販売されており、ぞし
て側面が６．０　ｍ＋ｆｌ、厚さが３、７　＋＋＋ｍ　
′ｃある。このようなｐＣＤ要素は大きさが小さく、そ
して採鉱または石油のトリ）レビソトにおいて第１」用
するとききわめて大きい［６カを受けるので、これらの
要素をピント面上にしつかり保持することは非常に困難
となる。他方において、ＰＣＤ要素のできるたけ多くを
有効な切削作用のために露出させるべきである。

本発明をここにおいて３つの実施態様により例示する。

第１実施態様、すなわち、ＰＣＤ要素が配置されている
ビット面から突起する涙滴形歯が提供される。第１実施
態様において、ＰＣＤ要素の前面より前に略球状の支持
マトリックスを形成するプレパドｉｐ＋・ｅｐａｄ、）
が、涙滴形のテーノく一従属支持体に加えて、提供され
る。プレノくドは、このようなビットがしばしば作動す
る高い回転数がそうでなければＰ　ＣＤ　Ｈ素をゆるめ
ることがある調和を生じさせるので、採鉱ビットにおい
て好捷しい０回転数がこれより低い石油ビ・ノドにおい
て、ダイヤモンド要素による切削を妨害しうるマトリッ
クス材料の量を最小とするために、プレノくドを含まな
い涙滴形従属支持体が好且しい。第２および第３の実施
態様において、三角形プリズムＰＣＤ要素は回転されて
前面として傾斜面を表わし、そしてＰＣＤ要素は接線方
向の相中に支持され、かつ涙滴形従属支持体によりビッ
トのマトリノクス面より土に実質的（（完全に露出され
る。第２実施態様に訟いて、従属支持体は略三角形であ
り、一方第３次施態様において、従属支持体は丸くかつ
より円筒形である。本発明の詳細おＪ＝び種々の実施態
様は、６伺図面を・詳しく考゛察することにより、いっ
そうよく理解されるであろう。

第１図を参照づ−ると、本発明の第１実施態様の第２図
の線２−２で取った縦断面図が示されている。ピント面
１０はビットの表面であり、それより下においてマトリ
ックス材料１２が延びて全体のビット本体を形成する。

本発明によれば、参照数字１４で全体的に表わす、突起
が提供されており、そしでこれはビット面から延びて歯
を形成する。Ｐ　ＣＤ　９　ｇ　］　６は突起すなわち
＃１４内に配置されている。前述のように、合成ＰＣＤ
類の共通のブ１名状は、紀３図に示ず４．　ｍｍの側面
１８およびほぼ２６髄の厚さ２０を廟する吟辺三角形の
プリズム形であ・る。明らかなように、ＰＣＤ要素１６
の正確な数値的寸法は一般に任意であるが、それはビッ
ト６）設ｉｒ＋−４が切削歯の設計の作業において用い
なくてはならない、実際のバラ７”−ターを小実規疋す
る。

歯１４（、グとくに第１〜３図の第１実施態様（Ｃおい
て、第１図および第２図に示され、厚さ２４を有する球
状プレパド１８により特徴づけら才する。

プレパド２２紹ビット面１０」−の点２６から歯１４の
先端の綾線２８へ延びる。Ｐ　ＣＤ要素］６は歯１４中
に半径方向の組で固定され、ここで前面３０ば、第２図
の線３−３で取った第；３図中に示されるように、等辺
三角形の面の１つであろう前面３０はプレパド２２の後
面ＶＣ隣接し、かつ接触する。プレバド２２はＰＣＤ要
素１６のもろいダイヤモンド材料のために前の支Ｎおよ
びクッションを提供う°る。マトリックス材料１．２（
ｄ、普］ｍの炭イヒタングステンの１！Ａ結混合物−Ｃ
あり、Ｐ　ＣＤ　を累１６よりも軟質であるが、笑す走
向により９Ｊｌ力性であり、ぞして全体として歯１４の
脆砕性は］’Ｃｔ）要素１０の脆砕性により制限される
。

従属支持体３２はＩ）　ｅ　Ｌ）要素１（嗜の後面３Δ
の背後にかつそれに降接して設け１）れている。従属支
持体３２は、第２図に輪郭平面図でよりよく示されてお
り、略涙滴形を有し、この形状は後面３４の略三角形の
横断面からビット而１００点３６に向かって徐々にテー
パーをもつ。従属支持体３２は長さ３８をもち、この長
さ３８は、歯１４が形成されている回転ビットの作動の
間に発生する高い接線方向の応力に要素１６がさらされ
るとき、ＰＣＤ要素１６の破損を防止するために要素１
６を適切に背後からささえるために十分なものである。

とくに第２図を参照すると、歯１４の輪郭平面図が示さ
れている。ＰＣＤ要素１６は前面３０から歯１４の中央
部分３８全体に沿って要素１６の後面３４へ延び、次い
で要素１６はビット面１０＋の点３６へのテーパーをも
つ実質的に適合する従属支持体３２により支持されかつ
それと接触する。

第１〜３図に示す第１実施態様において記載した要素の
組み合わせにより、ＰＣＤ要素１６の全高さ４０の実質
的な部分はビット面１０のレベルより上に露出されるこ
とができ、これによジ歯１４の有効寿命を・延長しかつ
ＰＣＤ装素ｌ６の切削および摩耗作用の利用全最高とす
るＯ好丑し７い実施態様において、ＰＣＤ安素要素の中
に配置されるが、ＰＣＤの一部力はビット面より下にｌ
連Ｕ・、ビット面により部分的に支持されめと同時に南
ＶＣよＶ足場される。次いで、歯か摩れするにつれて、
当然ｅこ、ＰＣＤはなお血中に支持された１寸てわる。

このような配置により、１だ、タイヤモントの約％が辿
當面よ９下に配置−、！しろ従来の衣面固冗された回転
楕円形ダ・１ヤモントの広１合１／Ｃおけるよりも、十
分にビットｉＪ］］」ユリ上Ｑこ大きい１１．・、さで
ＰＣＤ’に配置することができる。

第４〜ｂ図は、本発明の第２実施態様３にボ丁（ンＰＣ
Ｄ要素４２は、第ｊ−３図の第１失ｈ（ｉす（ボｆｌｕ
関連して示しかつ説明した要素Ｊ（Ｊと同一の太岳さお
工び形状でおり、接線方向り組である数竿４４で全体的
ＶＣ表わさ扛る歯巾ｉｌこ同定ぢれゐ。侠言すると、ｉ
Ａ！素４２Ｑゴ第１〜３ＶＪに；＋＜　−ｊ−ｔｚ　Ｗ
ｔン９４ら９０°回転されて２９、こ往Ｋ（、υツ系４
２の１ｉｉＴ曲は三角形の要素のＩ！ｌｌ而の１つでる
り。こりじで１、第６図の線４−４で取った第４図の縦
断面中に示されるように、等辺三角形の面４６の１つは
前方向４８に対して実質的に垂直に配置されかつ後方に
傾斜しているので、露出された側面５０は垂直方向から
ほぼ７５°で後方に傾いている。ＰＣＤ要素４２の後方
の傾斜は、回転ビットが設計される各用途に従って、岩
石層に対して要素４２の剪断作用を最大とするように選
択される。しかしながら、第４図に示す傾斜は、実施例
の目的のためにのみ選択されたものである。

第４図に示すように、要素４２の前縁５２は、プレパド
が存在しないので、ビット面１０内に配置され埋め込ま
れている。実際には、回転ビットの歯がビット面ｉｏｔ
で摩耗されてしまった後は、切削作用はほとんど起こら
ないであろう。

要素４２は、第４図の縦断面図および第６図の平面図中
に最もよく示されているように、涙滴形従属支持体５４
により同様に支持される。第６因において最もよく示さ
れるように、従属支持体５４は、要素４２から延びかつ
そこからビット面１０上の点５８までテーパーをもつ三
角形の先端の綾線５６によって特徴づけられる。さらに
、第５図において最もよく示されるように、要素４２の
幅６０は＠４４の幅６２よりも狭い。したがって、マト
リックス材料１２は要素４２の各側に設けられており、
横方向の支持ならびに接線方向の支持の一手段を提供す
る。したがって、第６図において見られるように、歯４
４の前面は要素５２の各側に先端の綾線５６の上部へ到
る平たんなマドＩＪックス部分６４をも含む。実際には
、先端の綾線５６は、第６図に示されるように、要素４
２の頂部またはその付近において鋭く定められないであ
ろう。こうして、綾線５６は要素４２の頂部のへり６６
から背後にある距離まで、鋭い定められた輪郭を取らな
いであろう。このような場合において、涙滴形歯４４に
より提供される接線方向の支持の量は、ヘリ６６におい
て最小となりそしてビット面１０へ向かって増大する。

第７図に示される第３実施態様は、接線方向に固定され
たＰＣＤ要素６８へ追加の支持を提供す４０第７図全参
照すると、ＰＣＤ要素６８は歯７０円に、第４〜６図の
第２実施態様の菌内の要素４２の固定と実質的に同じ方
法で固定される。

しかしながら、第７図の第３実施態様において、歯７０
の前面の各側における横のマトリックス面７２のわん曲
した輪郭により示されるように、丸いすなわち略円筒形
の上表面を歯７０は有する。

さらに、歯７０の点７４までのテーパ一度は、第７図の
輪郭平面図により示されるように、いっそう緩やかであ
りかつ丸く、これにより第４〜６図の第２実施態様に比
べてＰＣＤ要素６８の背後のマトリックス材料は増加す
る。

第１〜７図に示された第１．第２および第３の実施態様
の各々は、涙滴形のテーパー付き従属支持体を有すると
いう共通の特徴を共有する。次いで、これにより、ＰＣ
Ｄ要素が有用な切削作用のために露出する前に摩耗し去
らなくてはならない、あるいは切削作用が進行するにつ
れて連続して摩耗し去らなくてはならない、菌内の炭化
タングステンマトリックス材料１２の量は最小となる。

しかしながら、各場合におけるＰＣＤ要素は少なくとも
その従属表面でできるだけ多く支持されて、掘削の間に
接線方向に働く反力がＰＣＤ要素をビット面から除去す
ることを防止しなくてはならない。ここに記載する涙滴
形のテーパー付き歯の輪郭は、ビット面１０上のＰＣＤ
要素の保持を最大とし、これによりこのようなダイヤモ
ンドカッターを組み込んだ回転ビットの有効寿命全延長
するために最適な歯の形状を提供する。

第８図は、第７図の第３実施態様の歯を用いる試験用採
鉱コア（ｃｏｒｅ　）ビットの平面線図である。

同様に、第９図は第１〜３図の第１実施態様の歯を用い
る試験用採鉱コアビットの簡素化した平面線図である。

各場合において、試験用採鉱コアビットは実施例の目的
でのみ使用し、そして同一の歯の設計を、本発明の精神
および範囲から逸脱しないで、この分野においてよく知
られている普通のより複雑な歯の形状のパターンに使用
できることを理解しなくてはならない。第８図および第
９図の実施例は、本発明の歯を回転ビット中に使用でき
る方法を例示するだめに、説明の完全さを目的としての
み示した。例示された実施態様は、こうしてビットまた
は歯のパターンの特別の型に限定されると解釈すべきで
はない。

第８図を参照すると、参照数字７６で全体的に表わす、
回転ビットは外側ゲージ７８および内側ゲージ８０を有
する採鉱コアビットの形であることが示されている。こ
のような内側ゲージ８０および外側ゲージ７Ｂは、普通
の方法でゲージ直径を維持するためにそれらのなかに同
一平面に固定されたＰＣＤ要素をも含むことができる。

こうしてビット７６の面８２は各９０６の４つの対称セ
クターに分割される。各セクターは第７図に関連して示
した型および種類の８個の歯を含む。前の生徒方向に最
も外側の歯８４は面８２上に半径方向に配置されている
ので、その中のＰＣＤ要素はちょうど孔の外側ゲージ７
８内に固定されて、孔の外側ゲージを定めかつ切削する
。同様に、最も内側の前の歯８６は歯８４の反対側のビ
ット面８２上に、ＰＣＤ要素が孔の内側ゲージを定めか
つ切削するような方法で、配置されている。残りの中間
の歯８８〜９４は、前の歯８４の背後に増列する角度の
変位でかつビット７６の中心９６に向う半径方向の段階
で順次に固定されて、外側ゲージ７８と内側ゲージ８０
との間のビット面８２の全幅を通るだめの半径方向に片
寄った一系列の切削要素を形成する。歯８８〜９）４の
順次、ｐ系列（（引き続いて、前の最も内側の歯８６と
同じ方法で半径方向に固定された余分の最も内側の歯９
６が存在する。同様に、半径方向に従属する最も外側の
歯９８は、前の歯８４と同じ方法で半径方向に固定され
て、外側ゲージ７８のだめの余分の切削要素を提供する
。典型的には、歯の損失または破損はゲージ上でとくに
外側ゲージ上で最も頻繁に起こるので、歯のパターンの
冗長性はゲージ上に生じ、こうしてゲージの歯の１また
け２以上が失なわれた場合、切削作用を続けることがで
きるようにする。

上に例示されかつ記載されたセクターはビット面８２の
まわ９において４回反復され、これによりそれ以上の冗
長性が得られる。第８図に平面図で示すように、歯８４
．８８〜９６の各々は重なる要素ヲ診み、ここでビット
面８２上の歯の位置は、それらの輪郭平面図がそうでな
ければ自由に許すであろうよりも、密接に歯が集合する
ようなものである○このような場合に２いて、一体的重
なｆ）は第８図において線図で示唆されるようにして行
なわれる。前述の歯の各々は下に横たわるマトリックス
と一体的であり、そして同様に、隣接する歯を形成する
重なるマトリックスと一体的である。１つの要素の切削
作用は重なるマ）　ＩＪソックス料により影響を受けな
い。隣接する切削要素の歯に対応して、このような重な
る材料は重ならない歯のマトリックス材料よりも低い高
さで一般に配置される。支うな形状をもつ。さらに、切
削要素のいずれについても、必要な従属支持体は、第８
図に示す重なりのおかげで省略され、そして隣接する切
削要素を支持するために必要な、このような追加のマト
リックス材料のみを切削要素の背後に加える１、シたが
って、マトリックス材料にょる切削要素の露出の妨害は
、各切削要素へ歯の形状に提供される最大の支持を損失
しないで最小とされる。

第９図を参照すると、第１〜３図の第１実施態様を用い
る他の歯の形状が示されており、また、採鉱コアビット
も示されている。再び、歯の形状の改良はここに記載さ
れる歯のパターンおよび用途に限定されず、このような
歯は、有底に変更しないで、この分野においてよく知れ
ている、より複雑な採鉱ビット、孔あけビットおよび石
油ビットにおいて使用することができる。再び、ビット
１００は、同一平面で配置されたゲージカッター（図示
せず）を含む、外側ゲージ１０２および内側ゲージ１０
４により特徴づけられる。ビット面。

１０６は３つの同一の対称セグメントに分割され、水路
１０８により分離されており、ここで各セグメントは第
１〜３図に関連して記載した型の少なくとも６個の歯を
富む。半径方向に最も内側の前の歯１１０は、半径方向
に固定されたＰＣＤ要素′（！−陰み、これに引き続い
て順次に一系列の歯がビノド面１０６上に、前の歯１１
０の背後において半径方向の位置および角度をもつ変位
を増大して存在する。詳しくは、歯１１０〜１１６はビ
ット面１０６の幅１１８にわたり、最も外側の半径方向
に配置された歯１１６で終る。三角形のプリズムのＰＣ
Ｄ要素が第９図において半径方向に固定され、かつ、第
８図において見られるように接線方向に固定されるとき
、２．６ｍｍの前縁幅に比べて４ｍｍの幅をもつかぎり
、第９図の実施態様における歯の数は第８図に比べて少
なくてすむ。

最も内側の歯１１０は最も外側の前の歯１２０に対応し
かつそれに合致する。歯１２０は、従属する歯１１６と
組み合って、余分に働いてビット１００の外側ゲージ１
０２’に定めかつ切削する。

同様に、従属する外側の歯１１６＋−ｊ：従属する最も
内側の歯１２２から片寄って、その反対側に配置されで
いる。歯１２２は余分の歯であり、最も内側の前の歯１
１０と組み合ってピント１０００内側ゲージ會足めかつ
切削する。この同一パターンはビット面１０６の円周の
まわりに３回復製されて、切削冗長性を増大している。

本発明の精神および範囲を逸脱しないて、多くの変更お
よび変形を行うことができる。たとえば、第９図は一系
列の歯を内側ゲージ１０４から開始して外側ゲージ１０
２に到る重ならない関係で用いたパターンを示したＯ他
方において、第８図のピントは外側ゲージ７８で開始し
て内側ゲージ８０で終る内方に向いたらせんで重なる関
係の複数の歯を示す。こうして、第８図のビットの切削
作用は内方に向から成分を有する傾向がある。チップは
ビット７６の中心に向かって内方に動く傾向があり、こ
れに対して第９図の歯のパターンｔ」。

半径方向に外方に向かう成分を有し、そして切削チップ
を外方に外側ゲ、ジ１０２ＶＣ向かつて動かす傾向があ
る。両者の場合において、ドリルビットのビット面は、
ビット面の全幅をスイープするかあるいは実質的にスイ
ープする、重なるかあるいはほとんど重なるＰＣＤ切削
要素により実質的におおわれている。第８図にあ・いて
用いらｎる山は、本発明の範囲を逸脱しないで、第９図
に示すようンこ外方に１）せんとなるように、あるいは
その逆にパターン（ヒすることができるであろう。

］’　ＣＤ要素ヲ三角形のプリズム形として図示しかつ
説明してきたが、他の形状のダイヤモンド要素をこの設
計の１東に適合させることもできるであろうＣたとえば
、円筒計丑たは立方形の要素も本発明の埴囲内に訝まれ
る。

第１０図は、本発明により改良された歯を組み込んだ石
油ビットの斜視図である。石油ビット］　３ｔ）＋−ｓ
、第８図および第９図に関連して説明した採鉱ピノ）　
７　ｔ）および１００の場合におけるように、鋼の７・
・ヌク１３２２工びドリルストリングと結合するブζめ
にシャンク１３２の端に定められた昔辿のねじ切り１３
ｆｉ全診む。ビット１３０は、ぞの反対の端に、参照数
字１３４で全体的に示すビット面を當む。ビット面１３
４は、参照数字１３６で全体的ｖ′Ｃ衣わされる先端部
分、参照数字ＩＱ（８で全体的に表わされる刃先部分、
フランク部分１４０、去照数字１４２で全体的に衣わさ
れる）ｄ）部分、お・よび参照数字１４４で全体旧に表
わされるゲージ部分に、ｌ：ｆ）特徴つけられる。ビッ
ト面１３４は、先端１３６、刃先１３８、フランク１４
０および肩１４２およＯ・ゲージ１４４を横切る略半径
方向のパターンで配置された複数のパッド１４６を含む
。パッド１４６は対応する複数のみぞ１４８により分離
きれている。みぞ１４８はビット面］３４の水路および
コレクターを足める。水圧流体または掘穿泥水はピノ）
１３０の縦軸および本体内に普通の方法で定められた中
央環管（図示せず）からビット面１３４の水路へ供給さ
れる。

第１０図に斜視図で示すように、各パッド】４６はその
上に定められた複数の歯］ｆｉＯｉ３み、こうして歳の
縦軸はバンドの幅に向って横たわり、ビット１３０の回
転により定められるような略力位方向に配向している。

歯１５０１７１に活めし）れ７こＰＣＤ要素］５２の次
ぎに、第７図に関連しで示しかつ説明した型の従朗支持
体１５４が存任し２、そしてＰＣＤ要素１５２はこの従
属打体】５４により支持される。前述のＰＣＤＩ累１５
２お上び従すＲ支持体Ｉ　Ｆ＋　４！、１東１５０から
なる単−一の幾何学的物体ｋ　４Ｂ或する。第１０図に
示すように、１’　ＣＤ要素１５０は各パッド１４６の
前縁付近に自装置されている。こうして、第１０Ｉ図に
示すビット１３０は、第１０図に示す時計方向に回転さ
れるとき、切削を行うように設計されている。

第１０図に示す石油ピノ）１３０の特定の設計は一笑施
例として任意に選択されたものであり、そして本発明に
より改良されｆｃ歯の設計は任意のパターン育／こｌ−
１：型の石油ビット、孔あけビットまたは他の型のトリ
ルビｙトに本発明の教示に従って適合させることができ
る。

しブこがって、ここに例示された本発明は実施例の目的
でのみ記載され、′＋♀許請求の範囲に規定される本発
明を限尼才たは減縮するように解決すべきで（ｒよない
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、第２図の線１−１で取った縦断面図であり、
本発明に従って考案されたビット中の歯奮示す。 第２図ｊｔ；ｊ：、歯の第１実施態様の輪郭平面図であ
るＯ 第３図は、第２（９）の線３−３で取った垂直断面図で
ある。 第４図は、本発明の第２実施ｊ用様の第６図の、陣４−
４で敗った縦断面図で冴・る。 第５図は、第６図の線５−５で敗った垂１４１υ「面図
である。 第６図は、第４図および第５図（Ｃｉｊ＜す本発明の第
２実施態様の輪郭平面図でり６ｃ 第７１スは、本発明の第３実施態様の輪郭」ど面図であ
る。 第８図は、第７図に示す第３実施態様に従って作った両
全利用するコア’　Ｃａｒ；：　）採鉱ビットの平面線
図である。 第９図は、第１〜３図に示す本発明の第１実施態様に従
って作っ／こ渚を用いるコア採鉱ピットの平面線図であ
る。 第１０図は、本発明の歯を組与込んた石？ｉｊｌビット
である。 １０　・・・ビット面、１２・・・・・マトリーノクス
相料、１４・・・・１−１１６・・・・ＰＣＤ要素５．
３２・・・・・従属支持体。 持旧−出願Δ クリステン七ン、インコーボレイティド゛持行出ｊ誼代
浬人 弁理士　青　　木　　　　　　朗 弁理士　西　舘　和　之 弁理士　松　浦　　　　孝 弁理士　山　口　昭　之 弁理士　西　山　雅　也

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　ビット面とその上に配置された複数の歯とを有す
   る回転ビットにおいて、前記歯の各々は、前記ビット面
   のマトリックスと一体でありかつそれから突起する従属
   テーパー支持体を備え、前記従属支持体は最大の横断面
   を定める前表面を有し、かつそこから前記回転ビットの
   前記面上の−従属支持体の前記前表面を含む前記従属支
   持体の部分に少なくとも一部分が隣接し、前記ＰＣＤ要
   素の一部分は前記マトリックス内に受容されかつ前記マ
   トリックスにより支持されている、回転ビット。 ２、前記ＰＣＤ要素は略三角形のプリズムの形状であり
   、前記ＰＣＤ要素の実質的な部分は前記ビット面より上
   に配置されている、特許請求の範囲第１項記載の回転ビ
   ット。 ３、前記ビット面から延びる突起をさらに含み、そして
   前記ビット面の前記マトリックス材料と一体であるプレ
   バドをさらに陰み、前記プレパドは前記ＰＣＤ要素と隣
   接する、特許請求の範囲第２項記載の回転ビット。 ４　前記プレバドは、前記従属テーパー支持体と隣接す
   る前記ＰＣＤ要素の前記面の略反対側の、前記ＰＣＤ要
   素の面に隣接する、特許請求の範囲第３項記載の回転ビ
   ット。 ５、前記ＰＣＤ要素は略三角形のプリズム形部材であシ
   、２つの対向する端面と前記対向する端面を接続する３
   つの隣接側面を有し、そして１つの前記端面は前記従属
   テーパー支持体のｆｎＩｎ前記と隣接しかつそれと実質
   的に一致する、特許請求の範囲第１項記載の回転ビット
   。 ６、前記ＰＣＤ要素は略三角形のプリズム形部材であり
   、２つの対向する端面と前記対向する端面を接続する３
   つの隣接側面を有し、そして前記１）テリ而の１つ（寸
   前記従属支持体と隣接しかつそれとゾ、賀的に一致する
   、特許請求の範囲第１項記載の回転ビット０ ７　ｉＷ記従属デーバー支持体は、少なくとも前記ビッ
   ト面において、前記ＰＣＤ要素の対応する幅より大きい
   幅を有し、これにより前記従属テーパー支持体は前記Ｐ
   ＣＤ要素に横方向の支持ならびに縦方向の支持を特徴す
   る特許請求の範囲第６項記載の（ロ）転ビット。 ８、前記従属支持体は、少なくともｍｌ記ビット［角に
   おいて、前記ＰＣＤ要素の対応する幅よシも大きい幅を
   シ汀し、これによシ前記従属テーノく一支持１不はｍＪ
   記ＰＣＤ要素に横方向の支持ならびに縦方向の支持を特
   徴する特許請求の範囲第１項記載のｈ転ビ・ノド。 ９　＠記従属テーパー支持体は少なくとも一部分におい
   て先端の綾線を含み、前記綾線は前記回転ビットの前記
   面上の前記点へ延びている、特許請求の範囲第７項記載
   の回転ビｙ）。 １（）　　前記従属テーパー支持体はその先端の表面か
   ら前記ビット図１で略丸い横断面を有する、特許請求の
   範囲第７項記載の回転ビット。 １１　　ビット面と、複数のＰＣＤ要素および対応する
   複数の歯を活む中央とを有するマトリックス材料から作
   られた回転ビットにおいて、各歯は、前記面から延び、
   前記ピント面の前記マトリックス材料と一体でありかつ
   前記ＰＣＤ要素の各側に隣接するプレパドおよび従属支
   持体を含む、突起、 前記プレバドは球形であり、前記プレノくドは前記ビッ
   ト面と一体でありかつその上に配置された基部を有する
   、 前記プレパドの背後に配置されかつそれと一体であり、
   そして略三角形のプリズム形を有するＰＣＤ要素、前記
   ＰＣＤ要素は少なくとも−Ｈ３分が前記ビット面内に配
   置されかつそこから延び−Ｃおり、これにより前記ＰＣ
   Ｄ費素０前記三角形の横断面の少なくとも一部分は、前
   記ビット面から延びる前記プレパドの横断面と隣接し、
   その結果前記ビット面２よび前記プレノくドから延びる
   前記ＰＣＤ要素の部分は、概して前記ビット面からの単
   一の幾何学的突起を形成する、および前記ＰＣＤ要素と
   隣接する従属支持体、前記従１４支持体は前記ＰＣＤ要
   素と実質的に一致するテーパー横断面を有し、ここでそ
   れは前記要素と隣接しかつ前記要素から前記ビット面上
   のテーパーをもつ先端へ従属している、 からなる回転ビット。 １２　前記従属支持体は略弧状であυかつ前記回転ビッ
   トの曲率半径に実質的に等しい曲率半径を有する、特許
   請求の範囲第１１項記載の回転ビット０ １３　　前記ＰＣＤ要素は２つの対向する三角形の端面
   と前記姑面を接続する３つの隣接側面を有することによ
   って特徴づけられ、そして前記ＰＣＤ要素は前記従属支
   持体より前に配置されかつそれにｆｈ接し７、これによ
   り前記ＰＣＤ要素の前記端面の１つは前記従属支持体と
   隣接する、特許請求の範囲第１１項記載の回転ビット。 １４＠記従属支持体は先端の綾線を有し、前記綾線は２
   つの隣接側面により形成された前記ＰＣＤ要素の先端の
   綾線と実質的に隣接する、特許請求の範囲第１３項記載
   の回転ビット。 １５、前記ＰＣＤ要素は２つの対向する略三角形の端面
   と前記対向する端面を接続する３つの隣接側面とを含み
   、そして前記ＰＣＤ要素は前記従属支持体より前に配置
   されており、これにより前記側面の１つは前記従属支持
   体と実質的に隣接し、先端の綾線が前記＠襞側面により
   定められ、そして前記ＰＣＤ要素の前面を形成する隣接
   側面が実質的に前記従属支持体と隣接しかつそれと一致
   して、前記従属支持体は前記ＰＣＤ要素に縦方向の補強
   を特徴する特許請求の範囲第１１項記載の回転ピント。 １６、前記従属支持体は前記ピノ）面上の前記テーパー
   付き先端へ致る先端の綾線を有する、特許請求の範囲第
   １５項記載の回転ビット。 １７　　前記従属支持体はその先端の綾線を特徴づける
   略丸い横断面をゼする、特許請求の範囲第１５項記載の
   回転ビット。 １８　　前記従属支持体は、少なくとも前記ビット面に
   寂いて、前記Ｐ　ＣＤ要素の対応する幅よりも大きい幅
   を有し、これにより前記従属支持体は、一部分、前記Ｐ
   ＣＤ要素へ横方向の支持を特徴する特許請求の範囲第１
   ５項記載の回転ビット。 １９　　面と前記面から突起する複数の歯とを有し、対
   応する数のＰＣＤ要素を含む回転ビ１ソトにおいて、前
   記歯の各々は、 平プこんな略半径方向の前面をもちかつ前記回転ビット
   の前記面上のテーパー付き先端へ向かって後方に延ひる
   、前記突起の略テーパー付き輪郭平面図、前記ＰＣＤ要
   素は少なくとも一部分が前記突起中に配置されており、
   前記要素は３つの平らな側面および２つの三角形の端面
   を當む略三角形のブリスム形を有し、前記要素は前記突
   起中に、前記側面の１つの少なくとも一部分が前記突起
   の前記前面を形成するように、配置されており、前記突
   起は前記前面から前記テーパー付き先端へ向かって後方
   に延びかつテーパーをもつ、を含むことを特徴とする回
   転ビット。 ２０　　前記回転ビットの前記多面から突起する前記複
   数の歯は少々くとも一部分がＮなっており、ここで１つ
   の歯の前記突起の少なくとも１つの前縁は重なりかつ隣
   接する歯の前記テーパー利き先端付近において従属部分
   をもって一体的に形成されており、これにより前記歯を
   形成づ−る前記７トリノクス材料は最少となると同時に
   隣接する歯が重なるにもかかわらず最大量の支持を特徴
   する特許請求の範囲第１９項記載の回転ピノｌ−０２１
   面と複数の歯とを有し、各菌中に少なくとも部分的に配
   置されたｌ−’ＣＤ要素を訝む回転ビットにおいて、各
   歯は、 前記回転ビットの前記面から延びる突起、前記突起は後
   方に延びて略長方杉の輪郭平面図を形成する、円形の円
   錐形の前面をイコし、前記輪郭平面図は縦軸と主本体部
   分を疋め、かつ前記ＦＲ＋　、Ｊ−のテーパーをもつ先
   端において終るテーパー従属支持体中で終結し、前記従
   属支持体は前記面上の前記先端において終結する略三角
   形の輪郭平面図ど前記従属部分の対称のわん曲軸とを鳴
   し、前記わん曲軸はｊＪ’ｌ　ｉｉｂ面の乎面甲に横た
   わシかつ前記突起の「ｆｌ」記本陸の縦軸に関しである
   角度で傾斜しており、これにより連結した尾をもつ長方
   形涙滴が形成され、ｉｌＪ記ＰＣＤ安素は前記主本体部
   分内の前記前面の背後に２いて前記突起中に少なくとも
   部分的に配置されかつ前記従属支持体の前に配置されて
   いる、 からなる回転ピｙｌ・。