CN103562485B - 螺纹装置、螺纹接头和用于冲击钻岩的钻柱部件 - Google Patents
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Abstract
一种用于冲击钻岩的钻柱部件中的装置，包括用于与设置有互补螺纹的另一个钻柱部件旋拧在一起的螺纹，其中，螺纹包括由两个螺纹侧面（10、11）和中间螺纹底部（12）形成的螺纹槽（9），两个螺纹侧面中的一个在操作中形成压力侧面，以及其中螺纹槽（9）沿着其轴向延伸方向具有基本相同形状的截面形式。螺纹底部（12）在轴向截面中看时呈现具有部分圆形形状的至少三个表面部分（Y1、Y2、YC），从每个螺纹侧面向螺纹底部的中间表面部分看时，具有部分圆形形状的所述表面部分（Y1、Y2、Y3）具有的增大的半径。本发明还涉及一种螺纹接头和一种钻柱部件。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于冲击钻岩的钻柱部件中的装置，其包括用于与设置有互补螺纹的另一个钻柱部件旋拧在一起的螺纹，其中，该螺纹包括由两个螺纹侧面和中间螺纹底部形成的螺纹槽，以及其中螺纹槽沿着其轴向延伸方向具有基本相同地成形的截面形式。本发明还涉及一种螺纹接头和一种钻柱部件。
背景技术
为了连接用于冲击钻岩的钻柱部件，众所周知的是利用所谓的梯形螺纹，其中，钻柱部件的包括外螺纹的一端与下一个钻柱部件的端部处的内螺纹旋拧在一起。可替代地，待连接的钻杆的两端通过在两端设置有内螺纹的套管旋拧在一起。
用于钻柱部件或冲击钻岩的螺纹接头承受高的瞬时载荷和不利环境。螺纹接头必须被牵引至在操作期间防止松动的力矩水平，这意味着大的作用力影响外螺纹以及内螺纹的各自的螺纹壁。钻柱部件的使用寿命长度与螺纹接头在操作期间抵抗其所承受的载荷的能力相关。因此，期望提供具有更好地抵抗这些载荷的能力并且由此赋予部件延长的使用寿命的螺纹接头。
另一个重要的方面是低成本的生产能力。
从US4,040,756在先已知一种具有倾斜螺纹顶部的螺纹接头。当其涉及内螺纹以及外螺纹的螺纹底部时，然而，螺纹底部设置有连续地弯曲的构型。螺纹底部平坦地、切向地过渡到相邻的螺纹侧面。
背景技术的另外的示例可以提及US6,196,598和US4,687,368，其中后者涉及一种更传统的梯形螺纹。
本发明的目的和最重要的特征
本发明的目的是提供根据背景技术的装置的进一步的改进以及提供一种钻柱部件中的包括外螺纹的装置，以及一种钻柱部件和一种方法，其中，所产生的螺纹接头能够被赋予更大的抗疲劳能力并且由此能够以更经济的方式执行钻孔。
通过根据上述的装置和钻柱部件实现这些目的，其中所述螺纹底部在轴向截面中看时呈现具有部分圆形形状的至少三个表面部分，以及，从每个螺纹侧面向螺纹底部的中间表面部分看时，具有部分圆形形状的所述表面部分具有增大的半径。
由此实现出现在螺纹的最敏感区域的张力集中，即关于压力侧面的根部区域，与传统螺纹的情况相比被扩宽并且展平，与其是否涉及具有局部线性地延伸的螺纹底部的梯形式螺纹或是否涉及具有平坦地弯曲的螺纹底部的螺纹无关。
根据本发明，当螺纹槽沿着其延伸方向具有基本相同地成形的截面形状并且由此能够以传统的生产方法生产时，可以实现螺纹的经济优利的生产。表面部分的圆形形状的使用导致简单且具有经济优势的生产。确定具有部分圆形形状的表面部分的延伸以便获得所需的张力减小效果能够利用传统的计算方法实现。
应该注意到，螺纹底部的该区域中的减小的张力集中对于螺纹接头的使用寿命是非常有利的，因为该区域中的张力水平的微小的减小都会导致更好的疲劳断裂抵抗能力以及由此的螺纹失效抵抗能力。
通过本发明的特征可以实现影响压力侧面并且以螺纹的材料中的内部张力的形式被接收的力，将由螺纹底部的形状以更有利的方法接收，螺纹底部适用于减少能够增加张力集中的形式。特别地，意外地示出创造性的结构导致将张力集中扩展至螺纹底部区域的更大的表面部分并且由此减小所产生的张力集中。关于创造性的结构，最靠近压力侧面的具有部分圆形形状的表面部分之后是具有更大半径的表面部分，或者甚至在朝向螺纹底部的中间表面部分的方向看时具有连续地增大的半径的多个表面部分。
与传统梯形螺纹相比，本创造性结构的进一步的优势在于，在根据本发明的外螺纹的螺纹轮廓中，与传统螺纹中的情况相比，易于通过喷丸硬化或通过在微米水平塑化材料的任意其他方法将压应力引入到材料内。原因是喷丸的可到达性将变得更好，这导致螺纹的更均匀和更安全的处理。
适当地，螺纹底部的所述中间表面部分是螺纹底部的中心表面部分。
优选地，具有部分圆形形状的所述表面部分分别平坦地过渡到彼此和邻近的螺纹侧面。由此旨在存在不具有张力感生角的切向通路。优选地，这些表面直接过渡到彼此而没有中间部分或例如线性部分，因为这些通路无助于张力水平降低。
适当地，最靠近螺纹侧面的相应的表面部分的半径与螺纹底部的中心表面部分的半径之间的关系计为大约0.05-0.7，优选地为大约0.3-0.6，最优选0.35-0.55。
在本发明的一方面中，螺纹槽，特别是螺纹底部在所述轴向截面中看时是不对称的。这里的不对称意味着螺纹底部在轴向截面中看时关于两条相邻螺纹脊之间的假想径向线（如图2中L处的中断线所示）缺乏对称性。
由此螺纹底部适当地包括以下形状，使得邻接至与压力侧面相对的螺纹侧面的具有部分圆形形状的表面部分比邻接至包括压力侧面的螺纹侧面的具有部分圆形形状的表面部分朝向钻柱部件的对称轴线更加向内地延伸。优选地，与压力侧面相对的螺纹侧面比形成压力侧面的螺纹侧面朝向钻柱部件的对称轴线延伸得更长。因此在本实施方式中，具有部分圆形形状并且邻接形成压力侧面的螺纹侧面的表面部分的半径与具有部分圆形形状并且邻接与压力侧面相对的螺纹侧面的表面部分的半径之间的比值大于1并且适当地在1和10之间。
优选地，在钻柱部件的轴向截面中看时，螺纹侧面具有线性延伸部。
在本发明的实施方式中，螺纹是圆锥形螺纹，其中圆锥形螺纹的适当的圆锥角是2°-8°的圆锥角。
优选地，螺纹底部至少在邻接不是压力侧面的螺纹侧面的表面区域中构造成具有相对于螺纹的螺纹顶部的高度的深度，使得在连接的螺纹接头具有角偏差的情况下，在外螺纹的相邻的螺纹顶部与内螺纹的螺纹底部之间建立接触，由此避免邻接第二螺纹侧面的所述表面区域与所述内螺纹的螺纹顶部的接触。
由此可以实现加强用于以倾斜地偏离的接头钻孔的螺纹接头的性能。
在由相对强地弯曲的钻孔引起的非无关紧要的倾斜中，螺纹接头的疲劳断裂以及由此引起的钻柱部件落入钻孔内的风险另外会增加。
通过这一方面还可以实现在倾斜地偏离的螺纹接头的情况下，避免内螺纹的螺纹顶部与外螺纹的螺纹根部之间的接触，由此避免所引起的最大张力集中。这种接触否则会导致接触区域的发热，其中材料将会非硬化的并且容易被破坏，这趋于带来外螺纹疲劳断裂的缺点，因为潜在的张力集中会出现在非常不利的位置。
通过本发明可以实现以有利的方式将根据上述的张力减小和避免外螺纹的底部中的接触相结合，并且特别地关于非对称地成形的螺纹槽，外螺纹能够被成形以主要满足最靠近相应的螺纹侧面的不同的目的。由此，螺纹可被成形为使得螺纹的最小横截面与根据背景技术的情况相比能够被制造的更大。
在特别优选的方面中，螺纹是用于与布置在另一个钻柱部件上的互补的内螺纹旋拧在一起的外螺纹。然而也有利的是，螺纹是用于与布置在另一个钻柱部件上的互补的外螺纹旋拧在一起的内螺纹。
本发明还涉及一种包括外螺纹和内螺纹的螺纹接头，其中螺纹接头构造有根据上述的装置。
本发明进一步涉及一种来自以下组的钻柱部件，上述组包括钻头、钻杆、连接套管、柄适配器，钻柱部件包括根据上述的至少一个装置。
附图说明
附图示出：
图1概略地示出配备有创造性的装置的不同的钻柱部件，
图2是通过螺纹接头的轴向截面的一部分，
图3示出处于倾斜状态下的根据图2的螺纹接头的细节，
图4a是载荷状态的计算机模拟，该图示出通过创造性的螺纹轮廓的局部截面，其中表示了在螺纹底部及其下方的区域上的所获得的张力分布，
图4b也是载荷状态的计算机模拟，该图示出通过传统螺纹轮廓的局部截面，其中表示了在螺纹底部及其下面的区域上的所获得的张力分布，
图5以轴截面示出根据本发明的圆锥形螺纹接头，
图6a-c和图7a-b示出根据本发明的螺纹的细节。
具体实施方式
用于本发明的“钻柱部件”组包括钻头、钻杆、柄适配器、连接套管和传输适配器。
在图1中示出具有根据本发明的装置的不同示例性钻柱部件及其部分，即：
a)具有外螺纹以及具有内螺纹的钻杆。
b)具有外螺纹的柄适配器。
c)具有圆锥形螺纹的钻杆的一部分。
d)分别具有外螺纹和内螺纹的钻杆的部分。
e)具有内螺纹的钻头。
f)具有两个内螺纹的结合套管。
螺纹接头用于将用于冲击钻孔的钻柱部件旋拧在一起。用于将冲洗流传输到钻头的冲洗通道在钻柱部件的内部轴向连续地延伸。
图2中示出创造性的螺纹接头的细节，其中示出第一螺纹脊7和第二螺纹脊7’属于外螺纹。内螺纹的螺纹脊表示为8。在螺纹脊7和7’之间定位有螺纹槽9，螺纹槽9反过来容纳螺纹脊8，螺纹脊8沿着其延伸方向具有基本相同的截面形状。
螺纹槽9具有中间螺纹底部12，中间螺纹底部12具有多个表面部分，多个表面部分具有部分圆形形状并且彼此过渡，多个表面部分即为最靠近包括压力侧面的第一螺纹侧面10的具有半径RA的第一表面部分Y1，最靠近第二螺纹侧面11的具有半径RC的第二表面部分Y2，以及具有半径RB的中间、在此为中心表面部分YC。表面部分平坦地即切向地过渡到彼此。即使存在线性通路，也优选地不推荐在表面部分之间具有角梯度的不平坦通路。螺纹侧面与螺纹的对称轴线形成相同的角度。通常该角为35°。在某些情况下，可以存在其他角度，例如45°。
中心表面部分YC的半径RB大于最靠近两个螺纹侧面10和11的两个半径。适当地，RA和RC分别与RB之间的比值为大约0.05-0.70，优选地为大约0.30-0.60，最优选为0.35-0.55。在此获得在说明书上述介绍部分中呈现的关于减小的张力水平的优势。
在本发明的一个方面中，中间螺纹底部12在邻接第二螺纹侧面11的表面区域中具有相对于螺纹脊7’的高度的深度，使得在螺纹接头的倾斜位置的情况下，首先在外螺纹的螺纹脊7’的螺纹顶部和内螺纹的螺纹底部13之间建立接触。
两个相邻的螺纹壁之间的假想径向线表示为L。最小横截面半径是B。6表示冲洗通道。
这从图3的细节中更加明显，其中，倾斜定位出现在内螺纹3和外螺纹2之间。内螺纹的中心轴线表示为双点划线，而外螺纹的中心轴线表示为单点划线。图3中的倾斜位置为了清楚而进行了夸张并且表示为角α。
如图3所示，由此已在区域13和14中建立接触，该接触对应于由外螺纹的已与内螺纹的螺纹底部13接触的螺纹顶部14所触及的接触。在表面区域中由15表示外螺纹的螺纹脊的根部区域，在第二螺纹侧面7’处，在内螺纹的螺纹顶部和外螺纹的螺纹底部之间没有接触，这能够避免在这一区域中的烧蚀和锈蚀，因此由此避免区域15另外引起的上述发热、未硬化以及对外螺纹疲劳损坏的风险。
图4a示出外螺纹2的螺纹底部的或之下的区域的所获得的张力分布，外螺纹2与未示出的内螺纹旋拧在一起。附图示出表示相同张力的多条线，其中数字（60%到85%）涉及在对比螺纹中产生的最大张力百分比，该对比螺纹是根据图4b的传统梯形螺纹。应该注意到，图4a和4b中两个对比目标的载荷分布是相同的。
如图4a明显地示出的，最大的张力集中位于相对接近压力侧面10的表面区域。最大记录张力稍微超过相对于对比螺纹出现的最大张力的85%。从图中还能明显地看到，张力分布在很大的区域上并且张力没有跳跃性和不均匀性地扩展。
如从图4b清晰地看到的，最大张力集中在此也位于相对小并且相对接近压力侧面10的表面区域。相对于对比螺纹的最大记录张力当然定义为100%。从图中还明显地看出，张力分布在更小的区域中。
图4a和4b中的结果之间的对比显示出根据本发明的螺纹的底部区域的最大张力已被减少了达到12%到15%。而且，很明显，关于传统螺纹的张力分布除具有更高的张力水平外更加集中，这导致在加载期间对材料有更大的影响。
对于根据本发明的螺纹的这些好的结果是令人惊讶的并且表明与传统螺纹相比可以期待根据本发明的装置在涉及抗疲劳方面的相当大的增强。
在图5中示出根据本发明的圆锥形螺纹，该圆锥形螺纹具有外螺纹2和内螺纹3。此外，在该实施方式中，相应的螺纹槽沿着其延伸方向具有基本相同的截面形状。
在图6a中示出具有两个表面部分的螺纹槽的细节，两个表面部分具有平坦地且直接地过渡到彼此的部分圆形形状（具有相应的半径RA和RB）。在图6b中示出具有两个表面部分的螺纹槽的细节，两个表面部分具有在由x表示的线性部分上直接过渡到彼此的部分圆形形状（具有相应的半径RA和RB）。在图6c中示出具有两个表面部分的螺旋槽的细节，两个表面部分具有平坦地过渡到彼此的部分圆形形状（具有相应的半径RA和RC），在未填充的箭头处没有切向通路。
在图7a中示出具有螺纹侧面10和表面部分的螺纹槽的细节，表面部分具有平坦地且直接地过渡到彼此的部分圆形形状（具有半径RA）。在图7b中示出具有螺纹侧面10和表面部分的螺纹槽的细节，表面部分具有不平坦地过渡到彼此的部分圆形形状（具有半径RA），即在未填充的箭头处没有切向通路。
本发明涉及在外螺纹与内螺纹之间具有接触表面的用于冲击钻岩的钻柱部件，其中对螺纹的状态的特别和硬性的要求对于可靠的功能是非常重要的。总体上看，旨在使当前螺纹提供20°-50°的螺纹侧面角，以及更优选大约22.5°-47.5°。如上所述，螺纹侧面角的通常值为35度，但是其他角度值在某些情况下是优选的，例如45°。
由于对根据本发明的装置以及用于冲击钻岩的钻柱部件的要求的条件，所讨论的螺纹相对较浅，（螺纹）轮廓高度和（螺纹）轮廓宽度之间的关系为0.10-0.30，更优选为0.20-0.30，最优选为0.23-0.25。在此轮廓高度指的是从螺纹的底部（螺纹槽）到螺纹顶部的距离，轮廓宽度在此指的是两条直线的横切面之间的距离，所述两条直线在中轴截面中沿着两个相邻的螺纹侧面在具有螺纹顶部线的螺纹槽内延伸。
具有创造性的装置中的轮廓高度（如上）与螺纹的节距之间的比值大致为0.05-0.25，更优选0.13-0.17。
本发明适用于不同类型的钻柱部件并且关于外螺纹特别有优势，因为在这方面，张力集中对于使用寿命产生特别重要的影响，仅仅由于外螺纹的结构及其相关的载荷灵敏性。套筒形式的内螺纹能够被成形为对载荷具有更大的固有抵抗力。
Claims (19)
1.一种用于冲击钻岩的钻柱部件中的装置，包括用于与设置有互补螺纹的另一个钻柱部件旋拧在一起的螺纹，其中，所述螺纹包括由两个螺纹侧面(10、11)和中间螺纹底部(12)形成的螺纹槽(9)，所述两个螺纹侧面中的一个在操作中形成压力侧面，以及其中，所述螺纹槽(9)沿着其轴向延伸方向具有基本相同地成形的截面形式，
其特征在于：
-所述中间螺纹底部(12)在轴向截面中看时呈现具有部分圆形形状的至少三个表面部分(Y1、Y2、YC)，以及
-从每个螺纹侧面向所述中间螺纹底部的中间表面部分看时，具有部分圆形形状的所述表面部分(Y1、Y2、YC)具有增大的半径。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，具有部分圆形形状的所述表面部分(Y1、Y2、YC)中的至少两个平坦地和/或直接地过渡到彼此。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，具有部分圆形形状的所述表面部分(Y1、Y2)中的至少一个平坦地和/或直接地过渡到相邻的螺纹侧面。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，最靠近螺纹侧面的相应的表面部分(Y1、Y2)的半径(RA、RC)与所述中间螺纹底部(12)的所述中间表面部分(YC)的半径(RB)之间的比值为0.05-0.70。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述比值为0.30-0.60。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述比值为0.35-0.55。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述螺纹槽(9)在所述轴向截面中看是非对称的。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述中间螺纹底部(12)在邻近与所述压力侧面相对的所述螺纹侧面(11)的具有部分圆形形状的表面部分(Y1)中比在邻近形成压力侧面的螺纹侧面(10)的具有部分圆形形状的表面部分(Y2)中朝向所述钻柱部件的对称轴线更加向内地延伸。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，与所述压力侧面相对的螺纹侧面(11)比形成压力侧面的螺纹侧面(10)朝向钻柱部件的对称轴线延伸得更长。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，邻近形成压力侧面的所述螺纹侧面(10)的具有部分圆形形状的所述表面部分(Y1)的半径(RA)与邻近与所述螺纹侧面相对的所述螺纹侧面(11)的具有部分圆形形状的所述表面部分(Y2)的半径(RC)之间的比值在1和10之间。
11.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在所述钻柱部件的轴向截面中看时，所述螺纹侧面(10、11)具有线性延伸部。
12.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述螺纹是圆锥形螺纹。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述圆锥形螺纹具有2°-8°的圆锥角。
14.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述螺纹是用于与布置在另一个钻柱部件上的互补的内螺纹结合在一起的外螺纹。
15.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述螺纹是用于与布置在另一个钻柱部件上的互补的外螺纹结合在一起的内螺纹。
16.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述中间螺纹底部至少在邻近不是压力侧面的螺纹侧面的表面区域中形成为具有与所述螺纹的螺纹顶部的高度相比的深度使得：在结合的螺纹接头具有倾斜偏差的情况下，在外螺纹的相邻螺纹顶部与互补的内螺纹的螺纹底部之间建立接触，以及避免邻接至第二螺纹侧面的所述表面区域与所述内螺纹的螺纹顶部的接触。
17.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述中间螺纹底部的所述中间表面部分是所述中间螺纹底部的中心表面部分。
18.一种包括外螺纹和内螺纹的螺纹接头，其中，所述螺纹接头形成有至少一个根据权利要求1-17中的任一项所述的装置。
19.一种来自以下组的钻柱部件，所述组包括钻柱、柄适配器、连接套管、钻头、传输适配器，所述钻柱部件包括至少一个根据权利要求1-17中的任一项所述的装置。
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