ドリルビット（井戸）

石油・ガス産業において、ドリルビットは、原油や天然ガスなどの炭化水素の発見と抽出のために回転掘削法によって地殻に概ね円筒形の穴（坑井）をあけるために設計された工具である。このタイプの工具は、ロックビット、または単にビットとも呼ばれる。ドリルビットによって開けられる穴の直径は、1,000フィート（300メートル）から30,000フィート（9,100メートル）を超える穴の深さに比べて、約3.5インチ（8.9センチメートル）から30インチ（76センチメートル）と非常に小さい。地下の地層は、削り取り、研磨、または局所的な圧縮破砕によってビットの切断要素によって機械的に破壊される。ビットによって作られた切削片は、坑井から取り除かれ、直接循環法によって継続的に地表に戻されるのが最も一般的である。^[1]

ドリルビットは、主な切削メカニズムによって 2 つの主なタイプに分類されます。ローリング カッター ビットは、ビットの回転時に掘削孔の表面を転がる 2 つ以上の円錐形の要素に「歯」形の切削要素を付けて、地層を破砕または粉砕することで掘削を行います。固定カッター ビットは、非常に硬い切削要素 (最も一般的には天然または合成ダイヤモンド) を備えたブレード セットを使用して、ビットの回転時に削り取るか研磨することで材料を除去します。

現代の市販のローリング カッター ビットは、通常、切削要素を収容するために 3 つのコーンを使用しますが、2 つのコーンまたは (まれに) 4 つのコーンの配置も時々見られます。これらのビットは、切削要素または「歯」の製造によって主に 2 つのクラスに分類されます。スチール歯ビットには、コーン鋼自体に直接フライス加工されたくさび形の歯を持つコーンがあります。耐久性を向上させるために、非常に硬いタングステン カーバイド材料が歯の表面に溶接プロセスで塗布されることがよくあります。タングステン カーバイド インサート (TCI) ビットには、コーンのドリル穴に圧入された焼結タングステン カーバイドの成形歯があります。一部のスチール歯ビットには、フライス加工された歯に加えて TCI 要素もあります。コーンは、通常、O リングまたは金属面シールのさまざまな配置によって、過酷なダウンホール掘削流体環境から密閉されたローラー ベアリングまたはジャーナル ベアリング上で回転します。これらのビットには通常、ベアリング用の圧力補償グリース潤滑システムもあります。

商業的に初めて成功したローリングカッタードリルビットの設計は、 1909年8月10日にハワード・R・ヒューズ・シニアに与えられた米国特許で公開され、これがヒューズツールカンパニーの設立につながりました。このビットは、デバイスが回転すると地層に噛み合って切削作用を生み出す、ミル加工された歯を備えた2つの円錐形の鋼製ローリングエレメントを採用していました。この設計は、当時回転掘削で一般的に使用されていたいわゆる「フィッシュテール」スクレーパータイプのビットに比べて掘削性能が大幅に向上したことを示しており、その後20年間で、ローリングカッタービットを使用した回転掘削が、油田における他のすべての掘削方法に取って代わりました。ヒューズのツーコーンドリルビットの重要性は、100周年にアメリカ機械学会によって歴史的機械工学ランドマークに指定されたことで認識されました。^[2]

固定カッタービットは、回転式掘削で最初に採用されたドリルビットのタイプで、ローリングカッタービットよりも機械的にはるかに単純です。切削要素はビットに対して動かないため、ベアリングや潤滑油は必要ありません。現在使用されている最も一般的な切削要素は、多結晶ダイヤモンドカッター (PDC)です。これは、1 つの平面が合成ダイヤモンド材料でコーティングされた焼結 タングステンカーバイドシリンダーです。カッターはビットのブレード上に千鳥配置され、ダイヤモンドコーティングされたカッター表面がビットの回転方向を向いており、掘削孔の底を完全にカバーします。その他の固定カッタービットでは、天然の工業用ダイヤモンドまたは熱安定性多結晶ダイヤモンド (TSP) 切削要素が採用されている場合があります。

現在、ローリングカッターと固定カッターの両方の要素を組み合わせたハイブリッドタイプのビットも販売されています。

ドリル ビットは、種類に関係なく、地層の貫入率 (ROP) を最大化し、耐用年数を長くするという 2 つの主要な設計目標を満たす必要があります。その理由は、回転式掘削方法の直接的な結果です。現代の油田掘削作業には、多額の資本と運用コストが必要です。掘削に必要な機器と人的資源を現場に動員するには、数十万ドルかかる場合があります。掘削装置が設置されると、実際に掘削されているかどうかに関係なく、かなりの日々の費用が発生します。当然、掘削が必要な全深度に早く到達するほど、全体的なコストは低くなります。さらに、ビットが故障したり摩耗したりした場合は、ビットが取り付けられているドリル パイプを数マイルほど取り外して交換する必要があります。この間は「トリップ」と呼ばれ、穴の深さは進みませんが、運用コストの多くは依然として発生します。このため、ビットの有効性は、掘削した穴 1 フィートあたりの掘削コストとして測定されることが多く、数値が低いほど、ビットの性能が高いことを示します。ビット自体のコストは、全体の掘削コストのかなり小さな部分であることが多いことに注意してください。

過去数十年の間に、場合によっては 3 番目の設計目標が重要になってきました。今日、多くの井戸は、意図的に垂直方向から坑井を向ける方向性技術を使用して掘削されています。このような状況で使用されるビットの場合、掘削中にビットをより簡単に「操縦」できることが、設計の 3 番目の、おそらくは主要な目標になっています。

ビット設計が 2 つの主要目標を満たす能力は、いくつかの要因によって制約されますが、最も重要なのは坑井の直径です。その他の制約は、掘削する地層の種類 (硬度、可塑性、研磨性)、深部での動作環境 (温度、圧力、腐食性)、操作に使用する機器の性能 (回転速度、ビットの使用可能重量、ポンプの馬力)、坑井の角度 (垂直、方向、水平) など、その用途によって決まります。現代のドリル ビット設計では、これらの制約のバランスを取り、主要目標を達成しようとしています。

ほとんどのローリング カッター ドリル ビットと固定カッター ドリル ビットには、ドリル パイプによって地上ポンプから運ばれた掘削流体を、坑井底に向けられた油圧ノズルに導くための内部通路があり、高速流体ジェットを発生させて、次の歯が岩に接触する前に底から古い切削片を除去するのに役立ちます。ノズルの配置は、特にローリング カッター ビットの場合、特定の種類の粘土層や頁岩層で切削要素に切削片が堆積しないようにするためにもよく行われます。

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