CN105593456B - 钻柱部件 - Google Patents
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Abstract
一种用于冲击钻进的伸长的钻部件包括具有外径的内螺纹端部、外螺纹端部、所述内螺纹端部和外螺纹端部之间的具有外径的中间部分，并且其中，所述内螺纹端部的外径大于所述中间部分的外径。贯通的冲洗通道包括具有直径的中心冲洗通道和具有直径的螺纹冲洗通道。当所述内螺纹端部连接到相同部件的外螺纹端部时所测量到的螺纹接头的弹性截面模量与所述中间部分的弹性截面模量的比率St/Sc超过1.5，并且所述中心冲洗通道的直径与所述中间部分的外径之间的比率Dic/Doc在0.45和0.95之间。
Description
技术领域
本发明涉及冲击延伸钻进，并且，特别地涉及一种用于这种钻进的钻柱部件。
背景技术
延伸钻进典型地涉及利用安装在钻柱端部的旋转的和受到纵向冲击的钻头。钻柱的上端连接到地面上的执行旋转和施加冲击的钻机。这样的冲击钻进技术通常被认为是阶梯钻进。本发明也可以用于，例如，深孔钻进、平巷掘进和隧道掘进。
包括钻杆的冲击钻柱的一般描述论述在例如美国专利No.6,164,392和美国专利No.6,681,875中。这些是冲击钻进中的钻柱的用得最多类型的示例。然而，这些钻杆趋向于减少钻进速度和钻进精度，也增加了钻头在地下被卡住的风险。现有的钻杆容易过热和导致随后的螺纹接头失效。
包括钻管的钻柱被论述在欧洲专利号126740中。钻管相比于钻杆是管状形状，即，壁厚与钻管的直径相比是小的。利用已知的解决方案，相比于常规的钻杆，改进了冲洗性能并且增加弹性截面模量，致使钻进精度提高。然而，钻管的增加的弹性截面模量导致接头中更高的应力。这会产生接头难以脱离的效果，相比于常规钻头，钻管的更大的外径减少了钻柱和被钻的孔的孔壁之间的间隙，导致了从孔中的运输切屑的难题。
本发明结合了钻杆和钻管的优点，形成新的部件。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种带有提高的刚度的螺纹钻杆。
本发明的另一个目的是提供一种具有改进的冲洗的螺纹钻杆。
根据一个方面，提供了一种用于冲击钻进的伸长的钻部件，所述钻部件包括具有外径Dot的内螺纹端部、具有外径的外螺纹端部、位于所述内螺纹端部和外螺纹端部之间的具有外径Doc的中间部分，其中内螺纹端部的外径大于中间部分的外径，外螺纹端部的外径小于中间部分的外径；贯通的冲洗通道包括位于中间部分的具有直径Dic的中心冲洗通道和分别位于内螺纹端部和外螺纹端部的具有直径Dit的螺纹冲洗通道，其中当内螺纹端部连接到相同部件的外螺纹端部时所测量到的螺纹接头的弹性截面模量相对于中间部分的弹性截面模量的比率St/Sc超过1.5，并且其中，中心冲洗通道的直径与中间部分的外径的比率Dic/Doc在0.45和0.95之间。
附图的详细说明
结合附图，通过阅读以下详细说明连可以较好地理解本发明的特征和优点，在附图中，相同的标记指示相似的元件，并且其中：
图1在侧视图中示意性地示出了用于冲击顶锤钻进的现有技术钻机；
图2在侧视图中示意性地示出了现有技术常规钻柱；
图3示意性地示出了本发明的一个实施例的纵向截面；
图4示意性地示出了本发明的一个实施例的纵向截面；
图5示意性地示出了处于连接状态的本发明的一个实施例的纵向截面；
图6示出了一张图表，其图示出本发明相比于现有技术的弹性截面模量的比率和内径外径的比率。
具体实施方式
图1图示怎样利用一个常规的阶梯钻机1打孔。连接到钻头的钻柱2被旋转和冲击进入到岩石3中，因而钻出孔4。
图2图示用于冲击钻进的常规钻柱2。该钻柱2被连接于钻机(未示出)处的转接器18并从转接器18延伸，并且，至少一个钻杆10(但通常是一连串的钻杆)将转接器连接到钻头。在钻杆钻机中，每个钻杆10在一个端部具有外螺纹12且在另一个端部具有内螺纹14。最上部的钻杆10'将其内螺纹14连接到转接器18的外螺纹16。剩余的钻杆10被串联连接在一起。最下部的钻杆10"将其外螺纹附接到钻头19的内螺纹。转接器18和钻杆10具有各自的贯穿的中心通道并相互对准，以通导冲洗流体(通常是水和/或空气)，冲洗流体通过在钻头的前沿面形成的出口导出，以冷却刀片和冲走的切屑。切屑随着冲洗流体通过所钻的孔的孔壁与钻柱之间形成的间隙被向上排出。
图3图示本发明的实施例。伸长的部件20具有端部21和端部22。端部21具有内螺纹23，并且端部22具有外螺纹24。内螺纹23和外螺纹24是柱形的并且包括螺旋的凸脊和凹槽，并且优选地具有梯形或绳形形状。内螺纹23和外螺纹24在沿着伸长的部件20的纵向轴线的截面中的最小半径优选地大于1.5mm。
邻近端部21，该伸长的部件20具有细小部分25，与伸长的部件的其它部分相比，该细小部分25具有较小的外径。邻近端部22，该伸长的部件20具有细小部分26，与伸长的部件的其它部分相比，该细小部分26具有较小的外径。在端部21处的细小部分25和端部22处的细小部分26之间有中间部分27。中间部分的外径大于端部22的外径并小于端部21的外径。伸长的部件20的中间部分27具有外径Doc。端部21具有外径Dot。
在伸长的部件20的中间具有贯通的冲洗通道。冲洗介质如水和/或空气在通道中冲洗，以冷却伸长的部件及其接头并用于从钻孔中的移除切屑。该贯通的冲洗通道被分为多个部分，直径为Dic的中间冲洗通道28和位于端部21和端部22的直径为Dit的螺纹冲洗通道29。在中间冲洗通道28和两个螺纹冲洗通道29之间具有台阶30，以使得Dit小于Dic。为了使冲洗介质具有平滑的流动，台阶30优选为平滑的，没有锐利边缘。
端部22、外螺纹24、细小部分26和中间部分27的一部分优选地由单块材料制成为外螺纹部件32。外螺纹部件32的长度与中间部分27的外径Doc的比率在3和5之间。端部21、内螺纹23、细小部分25和中间部分27的一部分优选地由单块材料制成为内螺纹部件33。内螺纹部件33的长度与中间部分27的外径Doc的比率在3和5之间。中间部分27的中部优选地由单块材料制成。外螺纹部件32和内螺纹部件33可以由与中间部分27的中部相比不同类型的材料制成。中间部分27的中部优选被摩擦焊接到外螺纹部件32和内螺纹部件33。
图4图示了本发明的实施例。伸长的部件120具有直径从端部22到内螺纹23大体上恒定的贯通的冲洗通道。这表明贯通的冲洗通道是连续的且无台阶的，并且中间冲洗通道128的直径Dic与螺纹冲洗通道129的直径Dit大体上相等。
直径为Dic的中间冲洗通道128具有截面面积Ac。用于从孔4冲走切屑的出口面积Ae形成于中间部分27和孔4的钻壁5之间。中间冲洗通道128的面积Ac与出口面积Ae的比率在0.04和0.26之间。Ac和Ae之间的关系确保在伸长的部件120和孔4的孔壁5之间存在充足的空间，用以从孔4移除切屑。
图5图示了处于连接状态的本发明的实施例。伸长的部件20的外螺纹24旋入到另一伸长的部件20'的内螺纹23中，因而将伸长的部件20与伸长的部件20'连接。在伸长的部件20与伸长的部件20'之间相互连接的区域形成螺纹接头31。在钻柱中，多个伸长的部件以这种方式连接。
本发明的特征在于：螺纹接头31的弹性截面模量相比于中间部分27的弹性截面模量与中间冲洗通道28、128的直径和中间部分27的外径之间的比率的结合。弹性截面模量是与垂直于伸长的部件20的纵向轴线的截面的弯曲抗力相互关联的性质。
螺纹接头31的弹性截面模量St利用以下公式计算：
中间部分27的弹性截面模量Sc利用以下公式计算：
伸长的部件的弹性截面模量之间的比率St/Sc超过1.5，优选在1.8和5.5之间，更优选在2.0和3.5之间。对于已知的钻杆，该比率在1.8和3.2之间，并且对于已知的钻管，该比率在1.0和1.4之间。
对于伸长的部件，中间冲洗通道28、128的直径和中间部分27的外径之间的比率Dic/Doc在0.45和0.95之间，优选在0.48和0.75之间，并更优选在0.5和0.65之间。对于已知的钻杆，该比率是在0.25和0.42之间，并且对于已知的钻管，该比率是在0.55和0.75之间。
图6图示了St/Sc与Dic/Doc的关系的图表。已知的钻杆位于区域A，已知的钻管位于区域B，并且根据本发明的伸长的部件位于区域C。注意的是，区域C在St/Sc方向趋向于无穷大。
使用St/Sc和Dic/Doc的这种特定的组合向钻柱提供某些优点。相比于中间部分27的外径，中间冲洗通道28、128的大直径产生好的冲洗效果，其改进移除切屑并冷却伸长的部件20中的螺纹。螺纹的冷却增加了螺纹寿命，并能增大钻孔速率。孔4的孔壁5与中间部分27的外径之间的空间足够大，能够从钻孔4充分冲走切屑。相对于中间部分27的弹性截面模量，螺纹接头的高的弹性截面模量表明钻柱可以弯曲，而不会导致螺纹接头中太高的弯曲应力。这提高了螺纹接头的寿命并使其易于使伸长的部件之间的螺纹脱离。
示例实施例和试验结果
一台地面钻机被用于将常规的所谓的T51钻杆与本发明的实施例相比较。常规的T51钻杆和本发明的实施例均由表面硬化钢制成。相同类型的螺纹和相同类型的热处理被用于T51钻杆和本发明的实施例。沿着钻柱的长度的压降被测量作为冲洗效率的度量。获得了以下结果。
| Doc(mm) | Dic(mm) | Dic/Doc | St/Sc | 压降(Bar) | |
| 常规的T51钻杆 | 52.0 | 21.5 | 0.41 | 2.6 | 4.2 |
| 本发明的实施例 | 56.4 | 31.0 | 0.55 | 2.1 | 2.3 |
很明显，本发明的压降相比于常规钻杆小得多。
在地下矿井钻进过程中对钻柱的寿命进行比较。常规的所谓T45钻杆与本发明的实施例相比较。常规的T45钻杆和本发明实施例均由表面硬化钢制成。相同类型的螺纹和相同类型的热处理被用于T45钻杆和本发明的实施例。获得了以下结果。
很明显，本发明的使用寿命至少比常规钻杆的长100％。
本发明并不受上述实施例的限制。不同的代替方案、修改和等同变换都可以被应用。因此，以上的实施例不应该被认为是限制本发明的范围，本发明的范围由专利权利要求书限定。
Claims (12)
1.一种用于冲击钻进的伸长的钻部件(20；120)，包括：
具有外径(Dot)的内螺纹端部(21)、具有外径的外螺纹端部(22)、所述内螺纹端部(21)和所述外螺纹端部(22)之间的具有外径(Doc)的中间部分(27)，其中，所述内螺纹端部(21)的外径(Dot)大于所述中间部分(27)的外径(Doc)，且所述外螺纹端部(22)的外径小于所述中间部分(27)的外径(Doc)；以及
贯通的冲洗通道，所述贯通的冲洗通道包括位于所述中间部分(27)的具有直径(Dic)的中心冲洗通道(28；128)和分别位于所述内螺纹端部(21)和所述外螺纹端部(22)的具有直径(Dit)的螺纹冲洗通道(29；129)，
其特征在于，当所述内螺纹端部(21)连接到相同部件的所述外螺纹端部(22)时所测量到的螺纹接头(31)的弹性截面模量(St)与所述中间部分(27)的弹性截面模量(Sc)的比率St/Sc超过1.5，并且所述中心冲洗通道(28；128)的直径(Dic)与所述中间部分(27)的外径(Doc)的比率Dic/Doc在0.45和0.95之间。
2.根据权利要求1所述的伸长的钻部件(20；120)，其中，所述比率St/Sc在1.8和5.5之间。
3.根据权利要求1或2所述的伸长的钻部件(20；120)，其中，所述比率Dic/Doc在0.48和0.75之间。
4.根据权利要求1或2所述的伸长的钻部件(20；120)，其中，所述比率St/Sc在2.0和3.5之间。
5.根据权利要求1或2所述的伸长的钻部件(20；120)，其中，所述比率Dic/Doc在0.5和0.65之间。
6.根据权利要求1或2所述的伸长的钻部件(20；120)，其中，所述贯通的冲洗通道的表面包括台阶(30)，其中，所述螺纹冲洗通道(29；129)的直径(Dit)小于所述中心冲洗通道(28；128)的直径(Dic)。
7.根据权利要求1或2所述的伸长的钻部件(20；120)，其中，所述贯通的冲洗通道的表面是连续的并且无台阶的，其中，所述螺纹冲洗通道(29；129)的直径(Dit)等于所述中心冲洗通道(28；128)的直径(Dic)。
8.根据权利要求1或2所述的伸长的钻部件(20；120)，其中，所述中心冲洗通道(28；128)的截面面积Ac与在所述中心冲洗通道和孔(4)的孔壁(5)之间形成的出口截面面积Ae的比率在0.04和0.26之间。
9.根据权利要求1或2所述的伸长的钻部件(20；120)，其中，内螺纹(23)和外螺纹(24)是具有梯形或绳形的几何形状的柱形螺纹。
10.根据权利要求9所述的伸长的钻部件(20；120)，其中，所述内螺纹(23)或外螺纹(24)在沿着所述伸长的钻部件(20；120)的纵向轴线的截面中的最小半径大于1.5mm。
11.根据权利要求1或2所述的伸长的钻部件(20；120)，其中，外螺纹部件(32)和内螺纹部件(33)通过摩擦焊接附接到所述中间部分(27)。
12.根据权利要求1或2所述的伸长的钻部件(20；120)，其中，所述内螺纹端部(21)和所述中间部分(27)之间具有细小部分(25)，所述外螺纹端部(22)和所述中间部分(27)之间具有细小部分(26)，所述细小部分(25；26)的外径小于所述中间部分(27)、所述内螺纹端部(21)和所述外螺纹端部(22)的外径。
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