CN104919129A - 抗卡住的钻柱组件 - Google Patents
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Abstract
本发明的多个方面包括钻柱组件,其具有围绕主体延伸的螺纹。所述螺纹的前端可具有抵抗卡住和错扣的构造。具体而言,所述螺纹的所述前端可包括垂直于所述主体的平面表面。所述螺纹的所述前端可提供至全部螺纹深度的陡然转变,该陡然转变有助于减少或消除错扣。所述螺纹的所述前端可相对于所述钻柱组件的轴线以角度定向。当配合的公螺纹和母螺纹被类似地构造时,所述配合螺纹沿螺纹头面处的接口一起滑动,并且被拧入完全螺纹联接状态。所述螺纹头的全部周长可进行配合而无卡住位置。
Description
发明背景
发明领域
本发明的方面总体上涉及用于钻井的组件和系统。特别而言,本发明的多个方面涉及在上紧期间抗卡住的钻井组件。
相关技术
螺纹连接早已为人所熟知,并且螺纹提供的显著优点在于,螺纹的螺旋结构可将旋转运动和力转换为直线运动和力。螺纹存在于许多类型的元件上,且可用于无限的应用和行业中。举例来说,螺纹对于螺钉、螺栓和其它类型的机械紧固件是必要的,所述螺纹可与表面接合(例如,在螺钉的情况下),或结合螺母使用(例如,在螺栓的情况下)以将多个元件保持在一起、向元件施加力,或用于任何其它合适的目的。拧螺纹在元件以机械方式被紧固在一起的几乎任何行业中也是常见的。举例来说,在管道工程应用中,管道用于在压力下输送液体或气体。管道可具有与邻接的管道、插头、转接器、连接件,或其它结构的相应螺纹配合的螺纹端。螺纹可用于形成流体紧密密封以防止连接部位处发生流体泄漏。
油田、勘探以及其它钻井技术也广泛使用螺纹。举例来说,在挖井时,可将套管元件放置在井内。套管一般具有固定长度,且多个套管彼此固定以便产生所需高度的套管。可使用套管相对端处的螺纹将套管连接在一起。类似地,由于钻井元件用于形成井或在井内部放置物体,因此可使用钻杆或其它类似装置。在井非常的深度足够大的情况下,可将多个钻杆连接在一起,使用钻杆相对端处的配合螺纹可有助于此。通常,钻杆和套管非常大,并且机器会施加很大力以便将杆或套管拧在一起。
已做出了巨大努力来使螺纹标准化,并且已制定了多种螺纹标准以允许不同制造商生产可互换零件。举例来说,示例性标准化方案包括统一螺纹标准(UTS)、英国标准惠氏螺纹(BSW)、英国标准锥管螺纹(BSPT)、国家管螺纹锥形螺纹(NPT)、国际标准化组织(ISO)公制螺纹、美国石油协会(API)螺纹,以及许多其它螺纹标准化方案。
虽然在将不同制造商的组件匹配在一起时标准化允许更大的可预测性和互换性,但标准化也降低了螺纹设计的创新量。相反,可使用现有的横截面形状(或螺纹牙型)以及螺纹导程、螺距和多个螺纹头的不同组合来产生螺纹。具体而言,导程是指沿完整旋转所覆盖的轴线的直线距离。螺距是指从一条螺纹的牙顶至下一条螺纹的牙顶的距离,且螺纹头是指缠绕在螺纹紧固件的圆柱上的螺纹头数或脊。单头连接件是最常见的,且包括缠绕在紧固件主体上的单脊。双头连接件包括缠绕在紧固件主体上的两条脊。每英寸螺纹也是螺纹规格要素,但与螺纹导程、螺距和螺纹头直接相关。
虽然现有的螺纹和螺纹牙型适合许多应用,但需要在其它领域继续改进。举例来说,在高扭矩、大功率和/或高速的应用中,现有的螺纹设计本身容易卡住。卡住是螺纹头与配合螺纹之间的异常相互作用,这使得在单圈行程中,一条螺纹部分地从另一条螺纹下方穿过,从而与其彼此楔入。卡住在螺纹连接件逐渐成锥形的位置处可尤其常见。
在锥形螺纹中,公组件和母组件的相对端可具有不同尺寸。举例来说,公螺纹组件可逐渐成锥形,且其尺寸随着与端部距离的增大而逐渐增大。为了适应尺寸的增大,母螺纹在端部处可更大。锥形螺纹的尺寸的不同还使得锥形螺纹尤其易于卡住,卡住也称为错扣。锥形螺纹或其它螺纹的错扣可导致螺纹和/或包括螺纹的组件严重损坏。螺纹损坏会需要更换螺纹组件,导致连接弱化,降低组件之间的密封的流体紧密特性,或具有其它影响,或上述的任何组合。
例如,尾型螺纹头具有带有接合锥度的牙顶。如果公组件和母组件一起移动而不旋转,那么尾部牙顶可楔在一起。如果旋转,那么当基于尾部的相对对准而进给时,尾部牙顶还是会楔入。具体而言,由于螺纹尾部通常约为圆周长度的一半,并且由于螺纹具有接合锥度,所以只有不到各自的公组件和母组件的圆周的一半,从而提供用于拧入而无楔入的旋转定位。在较大的进给力和旋转力用于使相应组件配合的应用中,这种定位要求可能特别难以实现。举例来说,在钻井行业中,在进行自动取芯杆连接时,设备可以足够的力来操作,这使得卡住、楔入,或错扣也时常发生。
此外,当将偏心对准的公组件和母组件接合时,尾型连接也可易于发生错扣、卡住以及楔入。因此,当公组件和母组件被进给而不旋转时,尾部可楔入配合螺纹中。在旋转时,尾部也可楔入配合螺纹中。楔入可减少,但在拧入时机(例如,将尾部的尖端配合到与配合尾部相邻的开口中)之后,楔入仍可发生,这是由于错过了拧入时机和未对准。偏心螺纹可构造为使得公组件尾部中间的牙顶具有相对于母螺纹牙顶而言相等或对应的几何形状。
如上所述,具有尾型螺纹头的螺纹连接件可尤其易于发生螺纹卡住、错扣、楔入、接头咬住等。此类困难在某些行业(诸如关于取芯钻杆的设计)中可尤其普遍。螺纹头提供公螺纹或母螺纹的前端(或第一端),并且与配合螺纹的前端(或第一端)配合以进行杆连接或其它连接。如果尾型螺纹头卡住、楔入、错扣等,可能需要将杆从钻场移除,且可需要校正,这需要停止钻井生产。
此外,钻杆通常使用锥形螺纹,其也易于发生错扣问题。由于取芯杆可具有锥形螺纹,公螺纹头尾部的直径可小于母螺纹头尾部的直径。因此,每个螺纹头处可以是过渡性几何形状,从锪平面过渡至全螺纹轮廓。由于螺纹头和过渡性几何形状的尺寸可与母螺纹的尺寸不同,因此过渡性几何形状和螺纹头可异常配合并彼此楔入。
如果尾部具有足够的锥度,那么公螺纹头与母螺纹头之间可具有一些间隙,诸如尾部中间的几何形状与母螺纹的几何形状对应处。然而,螺纹头的过渡性几何形状可仍与超出螺纹头的螺纹圈异常地相互作用(通常在配合螺纹牙顶的后续圈处),从而也导致卡住、错扣、楔入等。因此,尾部的存在通常充当配合尾部的楔子,从而增加了螺纹卡住的机会和可能性。
在某些应用(诸如,与钻机相关的应用)中,可组合多个钻杆、套管等。随着加入更多的杆或套管,由于楔入或错扣所致的干扰可变得更大。事实上,利用足够的动力(例如,在组合时使用钻机的液压动力),可损坏杆接头。在钻井应用中,由于由许多钻杆接头设计所决定的匹配过盈配合或轻微间隙配合,取芯杆还经常具有粗螺纹,其宽平螺纹牙顶与配合牙顶平行。螺纹尾部与粗锥形螺纹上的平坦平行螺纹牙顶的组合使得错扣相互作用的可能性甚至更大,否则其它应用中可不会出现错扣相互作用。
尾型螺纹设计的局限性通常是由现有机械加工车床的局限性引起的。具体而言,螺纹通常由旋转式机械加工车床进行切削,旋转式机械加工车床仅可随着零件的旋转逐渐地改变螺纹的高度或深度。因此,螺纹一般形成以包括具有几何形状的尾部,且尾部与螺纹头的其它部分相同或相似。举例来说,除此之外,在加工期间,传统车床不能对旋转零件施加从锪平面至全螺纹轮廓的陡然垂直或近乎垂直的转变。还要求逐渐改变以除去材料的尖锐、部分特征边缘,所述边缘在螺纹的细长导程或螺旋角与被切削材料的相遇处形成。
因此,传统螺纹的缺点在钻井组件上可加重。具体而言,由于许多钻柱的长度和重量,钻柱组件的接头可要求具有高张力负载能力的接头。此外,由于同一钻柱组件在钻井期间可多次安装并从钻柱上移除,因此接头常常需要承受多次上卸扣。类似地,在其使用寿命期间,钻柱组件可重复使用多次。许多钻井行业(诸如,勘探钻井)要求使用薄壁钻柱组件的事实更加重了这些问题。这种钻柱组件的薄壁构造可限制螺纹的几何形状。
因此,需要减少卡住和错扣的改进螺纹设计。
发明概要
本发明的一个或多个方面利用有效且高效地形成螺纹接头的钻井组件、工具以及系统克服了本领域中的一个或多个上述或其它问题。例如,本发明的一个或多个方面包括抗卡住和错扣的钻柱组件。这种钻柱组件可减少或消除由卡住和错扣所致的螺纹损坏。具体而言,一个或多个方面包括具有螺纹的钻柱组件,螺纹带有前端或螺纹头,所述前端或螺纹头相对于钻柱组件的中心轴线以锐角定向。此外或替代地,螺纹的前端可提供至全螺纹深度和/或宽度的陡然转变。
例如,抗卡住和错扣的螺纹钻柱组件的一个方面包括中空主体,其具有第一端、相对的第二端和延伸穿过中空主体的中心轴线。钻柱组件还包括定位在中空主体第一端的螺纹。螺纹包括沿中空主体的第一端延伸的多个螺旋圈。螺纹具有螺纹深度和螺纹宽度。螺纹包括紧邻中空主体的第一端的前端。螺纹的前端相对于中空主体的中心轴线以锐角定向。在一个示例性方面,螺纹的前端面向螺纹的相邻圈。可选择地,在另一方面,螺纹的前端面向中空主体的第一端。
此外,抗卡住和错扣的螺纹钻柱组件的另一方面包括主体、套接端、相对的销接端和延伸通过主体的中心轴线。钻柱组件还包括定位在主体套接端的母螺纹。母螺纹具有深度和宽度。此外,钻柱组件还包括定位在主体的销接端的公螺纹。公螺纹具有深度和宽度。母螺纹和公螺纹中的每个均包括前端。母螺纹和公螺纹中的每个的前端包括垂直于主体延伸的平面表面。一方面,母螺纹前端的平面表面可沿母螺纹的整个宽度和整个深度延伸。类似地,另一方面,公螺纹的前端的平面表面可沿公螺纹的整个宽度和整个深度延伸。
除上述之外,一种在钻柱中制造接头而不会卡住或错扣的方法的一方面涉及将第一钻柱组件的销接端插入第二钻柱组件的套接端。该方法还涉及相对于第二钻柱组件旋转第一钻柱组件;从而使第一钻柱组件的销接端处的公螺纹的平面前端抵接第二钻柱组件的套接端处的母螺纹的平面前端。公螺纹的平面前端相对于第一钻柱组件的中心轴线以锐角定向。类似地,母螺纹的平面前端相对于第二钻柱组件的中心轴线以锐角定向。此外,该方法涉及使公螺纹的平面前端抵靠并沿母螺纹的平面前端滑动,以将公螺纹引导入母螺纹圈之间的间隙中。
本发明的示例性方面的附加特征和优点将在以下描述中阐明,且部分地通过描述而显而易见,或可通过这种示例性方面的实践获知。可借助于所附权利要求中具体指出的方式和组合来实现和获得这种方面的特征和优点。这些和其它特征将通过以下描述和所附权利要求变得更加完整清楚,或可通过如在下文中阐明的这种示例性方面的实践获知。
附图简述
为了描述可获得本发明的上述和其它优点和特征的方式,将参考附图中所图示的本发明的具体实施方案来更详细地描述以上简述的本发明。应注意,附图未按比例绘制,且为了说明的目的,在所有附图中通常以相同的附图标记表示结构或功能相似的元件。应理解,这些附图仅描述本发明的典型实施方案,因此不应被理解为限制本发明的范围,本发明将通过使用附图以附加特征和细节进行描述和解释,其中:
图1图示了根据本发明的一个或多个方面的钻柱组件的公端的侧视图和另一个钻柱组件的母端的剖面图,每个钻柱组件均具有带有前端的螺纹;
图2图示了根据本发明的一个或多个方面的钻柱组件的公端的侧视图和另一个钻柱组件的母端的剖面图,每个钻柱组件均具有带有前端的螺纹;
图3图示了根据本发明的一个或多个方面的具有钻柱组件的分解钻柱的侧视图,其中钻柱组件具有前端;以及
图4图示了根据本发明的一个或多个方面的包括具有前端的钻柱组件的钻井系统的示意图。
具体实施方式
通过参考以下详细描述、实例、附图和权利要求以及之前和以下的描述,可更容易地理解本发明。然而,在公开和描述本装置、系统和/或方法之前,应理解,除非另有说明,否则本发明不限于所公开的特定装置、系统和/或方法,因为这些当然可以变化。还应理解,本文使用的术语仅仅是为了描述特定方面的目的,而非旨在限制。
以下对本发明的描述以当前已知的最佳实施方案提供对本发明的教导。为此,相关领域的技术人员将认识且理解,可对本文描述的本发明的各个方面进行许多改变,同时仍能获得本发明的有益结果。还将明显的是,本发明的一些所希望的益处可通过选择本发明的一些特征而不利用其它特征来获得。因此,本领域的技术人员将认识到,对本发明的许多修改和调适均为可能的且在某些情况下甚至是所期望的,并且属于本发明的一部分。因此,提供以下描述是为了说明本发明的原理的目的,而非限制本发明。
本发明的方面涉及有效且高效地形成螺纹接头的钻井组件、工具和系统。例如,本发明的一个或多个方面包括抗卡住和错扣的钻柱组件。这种钻柱组件可减少或消除由卡住和错扣所致的螺纹损坏。具体而言,一个或多个方面包括具有螺纹的钻柱组件,螺纹带有前端或螺纹头,所述前端或螺纹头相对于钻柱组件的中心轴线以锐角定向。此外或替代地,螺纹的前端可提供至全螺纹深度和/或宽度的陡然转变。
现在将参考附图描述本发明的一个或多个方面的各个方面。应理解,附图是对一个或多个方面的图解和示意性图示,并非限制本公开。此外,虽然按被视为对一个或多个方面有作用的比例提供了各个附图,但是没有必要按比例绘制所有预期方面的附图。因此,附图表示示例性比例,但不应从附图得出关于任何所需比例的推论。
如全文所用,除非上下文中另外明确指出,否则单数形式“一”、“一个”和“该”也包括复数对象。因此,例如提到“圈”时,除非上下文中另外明确指出,否则其可包括两个或更多个这种圈。
在文中,范围可表示为从“约”一个特定值和/或至“约”另一个特定值。当表示这种范围时,另一方面包括从一个特定值和/或至另一个特定值。类似地,当通过使用先行词"约"将值表示为近似值时,应理解特定值形成另一方面。应进一步理解,每个范围的端点相对于另一端点以及独立于另一端点都是有意义的。
如文中所用,术语“可选择的”或“可选择地”是指随后描述的事件或环境可发生或可不发生,且本说明书包括所述事件或环境发生的情况和不发生的情况。
在以下描述中,提出了许多特定细节,以便提供对本发明的透彻理解。然而,对于本领域技术人员而言,将显而易见的是没有这些特定细节也可实现本公开。在其它情况下,未详细描述螺纹规格、螺纹制造、用于连接螺纹组件的现场设备等众多周知的方面,以避免不必要地使所公开方面的各方面变得模糊。
现在参考图1和图2,其图示了螺纹钻柱组件的可选方面。下文特别详细地描述了可在接合螺纹钻柱组件的同时避免或减低错扣或卡住的风险。如图1所示,第一钻柱组件102可包括主体103和公连接件或销接端104。第二钻柱组件106可包括主体107和母连接件或套接端108。第一钻柱组件106的销接端104可被构造为连接至第二钻柱组件106的套接端108。
在一个或多个方面,每个钻柱组件102、106可包括具有延伸通过其的中心轴线126的中空主体,如图1和图2所示。在替代方面,一个或多个钻柱组件102、106可包括实心主体(诸如,冲击钻杆或钻头)或部分中空的主体。
销接端104可包括公螺纹110(即,从销接端104的外表面径向向外突出的螺纹)。另一方面,套接端108可包括母螺纹112(即,从套接端108的内表面径向向内突出的螺纹)。公螺纹110和母螺纹112可具有大体上对应的特征(例如,导程、螺距、每英寸螺纹、螺纹头数、中径等)。在一个或多个方面,公螺纹110和母螺纹112包括直螺纹,在替代方面,公螺纹110和母螺纹112成锥形。因此,虽然公螺纹110和母螺纹112可具有对应特征,但是螺纹110、112没必要沿其整个长度都是均匀的。事实上,公螺纹110可具有与母螺纹112的特征对应的特征,尽管这些特征沿销接端104或套接端108各自的长度变化。
在一个或多个方面,公螺纹110和母螺纹112可包括与在美国专利号5,788,401中描述的特征相同或相似的特征,所述专利的全部内容以引用的方式并入本文。例如,在一个或多个方面,公螺纹110和母螺纹112可包括单头、螺旋成锥形的螺纹。公螺纹110和母螺纹112可具有截头圆锥形牙顶和牙底,其中锥度为约0.75度至1.6度。公螺纹110和母螺纹112的螺距可为约2.5至4.5个螺纹/英寸。
公螺纹110和母螺纹112还可具有相对于垂直于钻柱中心轴线的约7.5度至15度的负压牙侧角以及角度为至少45度的非承载牙侧,以在联接甚至是过载情况下帮助保持接头,并且促进接头上紧。此外,套接端和销接端可具有锥度约为5度至10度的肩部。此外,销接牙顶可与套接牙底过盈配合,而套接牙顶与套接牙底径向隔开以提供刚性接头,同时为碎屑和加压润滑剂留出空间。根据本文的公开内容,应理解以上描述仅是公螺纹110和母螺纹112的一种构造。在替代方面,公螺纹110和母螺纹112的构造可与以上描述不同。
如图1和图2所示,螺纹110、112被图示为具有大体上为矩形的螺纹牙型。这种螺纹牙型仅是可使用的一种可能的螺纹牙型。然而,符合本文公开内容的螺纹可具有其它螺纹牙型。举例来说,螺纹牙型可包括方形、三角形、梯形或其它形状。
在一个或多个方面,销接端104和/或套接端108可包括直螺纹或锥形螺纹。举例来说,套接端108包括锥形螺纹112。由于母螺纹112成锥形,因此处于或接近套接端108的尾缘120的螺纹112的尺寸可大于公螺纹110的尺寸,并且母螺纹112可成锥形以减小至与公螺纹110的尺寸更相似的尺寸。
公螺纹110可在紧邻销接端104的前缘114处开始。例如,图1和图2图示了公螺纹110可从销接端104的前缘114偏离一定距离(示为具有直线距离116)。偏离距离116可根据需要变化,并且可基于钻柱组件102的尺寸、螺纹110的构造或其它因素而具体地不同。在至少一个方面,偏离距离116是公螺纹110的宽度118的约一半至约两倍。替代地,偏离距离116可更大或更小。例如,在一个或多个方面,偏离距离116为零,使得公螺纹110从销接端104的前缘114处开始。
类似地,母螺纹112可在紧邻套接端108的尾缘120处开始。例如,图1和图2图示了母螺纹112可从套接端108的尾缘120偏离一定距离(示为具有直线距离122)。偏离距离122可根据需要变化,并且可基于钻柱组件106的尺寸、母螺纹112的构造或其它因素而具体地不同。在至少一个方面,偏离距离122是母螺纹112的宽度124的约一半至约两倍。替代地,偏离距离122可更大或更小。例如,在一个或多个方面,偏离距离122为零,使得母螺纹112从销接端104的尾缘120处开始。
此外,偏离距离116可等于偏离距离122,如图1所示。在替代方面,偏离距离122可大于或小于偏离距离116。在任何情况下,在销接端104的前缘114插入套接端108并旋转时,公螺纹110可与母螺纹112接合,且销接端104可沿套接端108的中心轴线126线性前进。
更具体而言,公螺纹110和母螺纹112可相对于各自的销接端104和套接端108螺旋地安置。换言之,公螺纹110和母螺纹112中的每个均可包括沿各自的钻柱组件102、106延伸的多个螺旋圈。在公螺纹110和母螺纹112配合时,螺纹可因此相对于彼此旋转,并且适配在对应螺纹之间的间隙内。在图1和图2中,公螺纹110通常以角度128缠绕于销接端104上,也可相对于销接端114的前缘114测量角度128。
在各个方面,如前面所提及,公螺纹110可包括螺纹宽度118,且母螺纹112可包括螺纹宽度124。如文中所用,术语"螺纹宽度"可包括螺纹牙顶两缘之间的直线距离,该直线距离是沿垂直于螺纹牙顶两缘的线测量的。应理解,螺纹宽度118、124可根据螺纹110、112的构造而变化。在一个或多个方面,公螺纹110的螺纹宽度118等于母螺纹112的螺纹宽度124。在替代方面,公螺纹110的螺纹宽度118大于或小于母螺纹112的螺纹宽度124。
在进一步的方面,公螺纹110可包括螺纹深度130,且母螺纹112可包括螺纹深度132。如文中所用,术语"螺纹深度"可包括从螺纹从其延伸的表面(即,销接端104的外表面或套接端108的内表面)至螺纹牙顶上径向最远的点的直线距离,该距离是沿垂直于螺纹从其延伸的表面的线测量的。应理解,螺纹深度130、132可根据螺纹110、112的构造和/或钻柱组件102、106的尺寸而变化。在一个或多个方面,公螺纹110的螺纹深度130等于母螺纹112的螺纹深度132。在替代方面,公螺纹110的螺纹深度130等于母螺纹112的螺纹深度132。
在一个或多个方面,每个螺纹110、112的螺纹宽度118、124大于每个螺纹110,112的螺纹深度130、132。例如,在一个或多个方面,每个螺纹110、112的螺纹宽度118、124至少是每个螺纹110,112的螺纹深度130、132的两倍。在替代方面,每个螺纹110、112的螺纹宽度118、124约等于或小于每个螺纹110,112的螺纹深度130、132。
如以上所暗示,公螺纹110和母螺纹112两者均可包括前端或螺纹头。例如,图1和图2图示了公螺纹110可包括螺纹头或前端134。类似地,母螺纹112可包括螺纹头或前端136。
在一个或多个方面,公螺纹110的前端134可包括从销接端104的外表面延伸的平面表面。例如,公螺纹110的前端134可包括从销接端104的外表面径向向外延伸的平面表面,从而形成正表面。在可选择的方面,前端134在垂直于销接端104的外表面的方向上延伸。另一方面,前端134在基本上垂直于销接端104的外表面的方向上(即,在定向成与垂直于销接端104的外表面的方向成小于大约15度的角度的方向上)延伸。在再进一步的方面,前端134可包括沿其一个或多个高度或宽度的至少一部分弯曲的表面。
此外,在一个或多个方面,公螺纹110的前端134可延伸公螺纹110的全部螺纹宽度118。换言之,公螺纹110的前端134可从公螺纹110的前缘140延伸至尾缘138。因此,形成前端134的平面表面可跨越公螺纹110的整个螺纹宽度118。可选择地预期,前端134可跨越小于公螺纹110的整个螺纹宽度118的宽度。
此外,在一个或多个方面,公螺纹110的前端134可延伸公螺纹110的全部螺纹深度130。换言之,公螺纹110的前端134的高度可等于螺纹深度130。因此,形成前端134的平面表面可跨越公螺纹110的整个螺纹深度130。同样,前端134或螺纹头可包括至公螺纹110的全部深度和/或宽度的陡然转变。换言之,在一个或多个方面,公螺纹110不包括在公螺纹110的全部深度逐渐成锥形的尾端。然而,可选择地预期,形成前端134的平面表面跨越小于公螺纹110的整个螺纹深度130的深度。
沿类似的线,母螺纹112的前端136可包括从套接端108的内表面延伸的平面表面。例如,母螺纹112的前端136可包括从销接端108的外表面径向向外延伸的平面表面,从而形成正表面。在一个或多个方面,前端136在垂直于销接端108的内表面和/或外表面的方向上延伸。在替代方面,前端136在基本上垂直于套接端108的内表面或外表面的方向上(即,在定向成与垂直于套接端108的内表面和/或外表面的方向成小于大约15度的角度的方向上)延伸。在再进一步的方面,前端136可包括沿其一个或多个高度或宽度的至少一部分弯曲的表面。例如,前端134和前端136可包括配合的弯曲表面。
此外,在一个或多个方面,母螺纹112的前端136可延伸母螺纹112的全部螺纹宽度124。换言之,母螺纹112的前端136可从母螺纹112的前缘142延伸至尾缘144。因此,形成前端136的平面表面可跨越母螺纹112的整个螺纹宽度124。
此外,在一个或多个方面,母螺纹112的前端136可延伸母螺纹112的全部螺纹深度132。换言之,母螺纹112的前端136的高度可等于螺纹深度132。因此,形成前端136的平面表面可跨越母螺纹112的整个螺纹深度132。同样,前端136或螺纹头可包括至母螺纹112的全部深度和/或宽度的陡然转变。换言之,在一个或多个方面,母螺纹112不包括在母螺纹112的全部深度逐渐成锥形的尾端。在图示的方面,母螺纹112的前端或螺纹头136被图示为由在用于形成螺纹的机械加工或另一种工艺后仍保留的材料形成。因此,前端或螺纹头136可相对于套接端108的内表面浮凸而非凹陷。
在一个或多个方面,公螺纹110的前端134可具有与母螺纹112的前端136相等的尺寸和/或形状。在替代方面,公螺纹110的前端134的尺寸和/或形状可不同与母螺纹112的前端136的尺寸和/或形状。例如,在一个或多个方面,公螺纹110的前端134可大于母螺纹112的前端136。
在一个或多个方面,公螺纹110的前端134和母螺纹112的前端136每个均可具有离轴的定向。换言之,公螺纹110的前端134和母螺纹112的前端136的平面表面每个均可在偏离或不平行于钻柱组件102、106的中心轴线126的方向上延伸。例如,如图1所示,公螺纹110的前端134的平面表面可面向相邻的公螺纹110的圈。类似地,母螺纹112的前端136的平面表面可面向相邻的母螺纹112的圈。可选择地,如图2所示,公螺纹110的前端134的平面表面可面向销接端104的前缘114。类似地,母螺纹112的前端136的平面表面可面向套接端108的后缘120。在进一步的方面,可预期,公螺纹110的前端134的平面表面可面向销接端104的前缘114,而母螺纹112的前端136的平面表面可面向相邻的母螺纹112的圈。类似地,在仍另一个方面,可预期,公螺纹110的前端134的平面表面可面向相邻的公螺纹110的圈,而母螺纹112的前端136的平面表面可面向套接端108的尾缘120。
更具体而言,公螺纹110的前端134的平面表面可相对于销接端104的前缘114或中心轴线126以一定角度延伸。举例来说,在图1和图2中,公螺纹110的前端134的平面表面相对于钻柱组件102的中心轴线126以角度146被定向,然而该角度还可相对于前缘114而测量。当与传统螺纹相比时,所图示的前端134的平面表面的定向和存在尤其明显,所述传统螺纹逐渐成锥形至一点,使得螺纹的前缘与尾缘之间几乎不存在距离,从而无正表面。
与前端134相似,母螺纹112的前端136可相对于销接端104的尾缘120或中心轴线126以一定角度延伸。举例来说,在图1中,母螺纹112的前端136的平面表面相对于钻柱组件106的中心轴线126以角度148被定向,然而该角度还可相对于尾缘120而测量。
角度146、148可根据本公开变化且可包括任何数量的不同角度。角度146、148可基于螺纹110、112的其它特征,或基于独立于螺纹特征的值而变化。在一个或多个方面,角度146等于角度148。在替代方面,角度146可与角度148不同。
在一个或多个方面,角度146、148每个均为锐角。例如,角度146、148中的每个可介于约10度至80度之间、约15度至约75度之间、约20度至约70度之间、约30度至约60度之间、约40度至约50度之间。在进一步的方面,角度146、148可包括约45度。根据本文的公开内容,应理解一旦两个配合前端134、136之间或螺纹头面之间以增大的角度146、148进行冲击时,动量损失和摩擦阻力减小,从而使螺纹110、112进入完全配合的状态。在任何情况下,公螺纹110的前端134可与母螺纹112的前端136配合,以帮助在第一钻柱组件102与第二钻柱组件106之间形成接头。
通过除去螺纹头的长尾部并将尾部替换成至螺纹110、112的全部高度的更陡的转变,可因此提供前端134、136或螺纹头面。此外,虽然前端134、136可相对于轴线126成角度或以其它方式定向,但螺纹头面也可垂直于对应销接端104和套接端108的圆柱表面的大直径和/或小直径。这种几何形状除去了可充当楔子的尾型螺纹头,从而除去了一旦销接端104与套接端108配合时便导致楔入的几何形状。
此外,随着销接端104和套接端108被拧到一起,前端134、136或螺纹头可具有相应的表面,当这些表面一起配合时,便在接近螺纹联接状态下产生了滑动界面。举例来说,在前端134、136每个均以锐角被定向时,前端134、136或螺纹头面可彼此接合,并配合地使螺纹进入完全螺纹联接的状态。通过举例的方式,在钻杆总成上紧期间,随着销接端104被拧入套接端108中,前端134、136可接合并引导彼此进入螺纹之间的相应凹陷中。这可能发生在钻柱组件102、106二者或其中之一的旋转和拧入期间。此外,由于除去了螺纹头尾部,因此对用于配合的旋转位置的限制很少(如果有的话)。因此,销接端104和套接端108的整个周长可用于配合,而无易于发生卡住的位置。
在一个或多个方面,可使用传统机械加工工艺形成带有尾部的螺纹110。可至少部分地移除尾部以形成前端134。在这方面,尾部可围绕给定销接端104的周长的大约一半延伸。因此,如果移除螺纹110的整个尾部,那么螺纹110的前端134可与轴线126对准。然而,如果移除更多螺纹110而非仅移除尾部,那么前端134相对于轴线126偏离。可通过分离的机械加工工艺移除尾部。
虽然本实例图示了移除尾部以形成螺纹头,但是在其它实施方案中,螺纹头面可在未形成和/或随后未移除尾型螺纹头的情况下形成。例如,使用电火花加工而非传统的机械加工工艺形成螺纹。电火花加工可允许形成前端134,这是因为在加工期间可消耗金属。可替代地,电火花加工或消耗材料的其它工艺也可用于形成螺纹110、112的前端134、136。
如前面所提到的,在一个或多个方面,钻柱组件102、106可包括中空主体。更具体而言,在一个或多个方面,钻柱组件可为薄壁。具体而言,如图1所示,钻柱组件106可包括外径150、内径152以及壁厚154。壁厚154可等于外径150的一半减去内径152。在一个或多个方面,钻柱组件106的壁厚154介于外径150的大约近5%至15%之间。在进一步的方面,钻柱组件106的壁厚154介于外径150的大约6%至8%之间。应理解,这种薄壁钻柱组件可限制螺纹112的几何形状。然而,尽管存在这些限制,但是薄壁钻柱组件仍然可包括如上所述的前端134、136。
现在参考图3,钻柱组件102、106可包括任何数量的不同类型的工具。换言之,在钻柱上使用的几乎任何螺纹构件可包括具有如结合图1和图2描述的前端或螺纹头的一个或多个套接端108和销接端104。例如,图3图示了钻柱组件可包括锁定联接件201、转接器联接件202、钻杆204以及钻孔器206,其每个均可包括带有抵抗或减少如以上结合图1所描述的卡住和错扣的前端134、136的销接端104和套接端108二者。图3进一步图示了钻柱组件可包括稳定件203、联顶环205和钻头207,其每个均包括带有抵抗或减少以上结合图1所描述的卡住和错扣的前端136的套接端108。在仍进一步的方面,钻柱组件102、106可包括套管、钻孔器、岩芯提取器或其它钻柱组件。
现在参考图4,钻井系统300可用于钻入地层304中。钻井系统300可包括由多个钻杆204或其它钻柱组件201至207形成的钻柱302。钻杆204可以是刚性和/或金属材料,或替代地可由其它适合的材料构造。钻柱302可包括一系列连接的钻杆,所述钻杆可随着钻柱302进入地层304而逐段组装。钻头207(例如,开面式钻头或其它类型的钻头)可固定至钻柱302的远端。如本文所用,术语“向下”、“下部”、“前”和“远端”指的是钻柱302的端部,包括钻头207。而术语“向上”、“上部”、“尾”或“近端”指的是与钻头207相对的钻柱302的端部。
钻井系统300可包括钻机301,所述钻机301可将钻头207、钻杆204和/或钻柱302的其它部分旋转和/或推入地层304中。钻机301可包括驱动机构,例如旋转式钻头部306、滑撬总成308和井架310。钻头部306可联接至钻柱302,并且可旋转钻头207、钻杆204和/或钻柱302的其它部分。如果需要,旋转式钻头部306可被构造为改变其旋转这些组件的速度和/或方向。滑撬总成308可相对于井架310移动。当滑撬组件308相对于井架310移动时,滑撬总成308可提供抵接旋转式钻头部306的力,该力可在例如钻头207、钻杆204和/或钻柱302的其它部分被旋转的同时将其进一步推进至地层304中。
然而,应理解,钻机301不要求旋转式钻头部、滑撬总成、滑动框架或驱动总成,且钻机301可包括其它适合的组件。还应理解,钻井系统300不需要钻机,且钻井系统300可包括可将钻头207、钻杆204和/或钻柱302的其它部分旋转和/或推入地层304中的其它适合的组件。例如,可使用声波电机、冲击电机或井下电机。
如图4所示,钻井系统300可进一步包括钻杆夹紧装置312。进一步详细地说,驱动机构可使钻柱302(具体而言是第一钻杆204)前移,直至第一钻杆204的尾部紧邻由钻柱302形成的钻井口。一旦第一钻杆204处于所需深度时,钻杆夹紧装置312可夹持第一钻杆204,这样可有助于防止第一钻杆204和钻柱302在钻井下不慎丢失。通过钻杆夹紧装置312夹持第一钻杆204,驱动机构可与第一钻杆204断开。
然后,可使用如美国专利申请公开号2010/0021271中描述的钻柱装卸装置手动或自动地将另一个或第二钻杆204连接至驱动机构,该专利申请的整个内容通过引用并入本文。下一个驱动机构可自动地使第二钻杆204的销接端104前移进入第一钻杆204的套接端108。可通过将第二钻杆204拧入第一钻杆204中来形成第一钻杆204与第二钻杆204之间的接头。应理解,根据本文的公开内容,即便当钻杆204之间的接头由钻机301自动形成时,钻杆204的公螺纹110的前端134和母螺纹112的前端136也可防止或减少卡住和错扣。
在第二钻杆204连接至驱动机构和第一钻杆204之后,钻杆夹紧装置312可松脱钻柱302。驱动机构可将钻柱302进一步推进至地层中到达更大的所需深度。可重复进行夹持钻柱302、断开驱动机构、连接另一个钻杆204、松脱所述夹持以及将钻柱302推进至更大深度的过程以便越来越深地钻入地层之中。
相应地,图1至图4以及相应的内容提供了用于在钻柱组件之间形成接头同时减少或消除卡住和错扣的许多不同组件和机构。除上述之外,本发明的方面还可通过在完成特定结果的方法中的行为和步骤方面来描述。例如,参照图1至图4的组件和图示,以下描述了在钻柱中形成接头而不会卡住或错扣的方法。
该方法可涉及将第一钻柱组件102的销接端104插入第二钻柱组件106的套接端108中。该方法还可涉及相对于第二钻柱组件108旋转第一钻柱组件102。该方法可进一步涉及使第一钻柱组件102的销接端104上的公螺纹110的平面前端134抵接第二钻柱组件106的套接端108上的母螺纹112的平面前端136。
公螺纹110的平面前端134可相对于第一钻柱组件102的中心轴线26以锐角146定向。类似地,母螺纹112的平面前端136可相对于第一钻柱组件106的中心轴线26以锐角148定向。
该方法可进一步涉及使公螺纹110的平面前端134抵靠并沿母螺纹112的平面前端136滑动,以将公螺纹110引导入母螺纹112的各圈之间的间隙内。使公螺纹110的平面前端134抵靠并沿母螺纹112的平面前端136滑动可使得第一钻柱组件102相对于第二钻柱组件106旋转,这归功于公螺纹110和母螺纹112的平面前端134、136的锐角146、148。该方法可涉及使用钻机301使第一钻柱组件102相对于第二钻柱组件106自动旋转和前移,而无需手动处理钻柱组件106、108。
母螺纹112的平面前端136可沿母螺纹110的整个深度132延伸。公螺纹110的平面前端134可沿公螺纹110的整个深度130延伸。当使第一钻柱组件102相对于第二钻柱组件108旋转时,母螺纹112和公螺纹110的平面前端134、136的深度可防止公螺纹110和母螺纹112卡住或楔入。
因此,上述方面提供了各种理想特征。举例来说,通过包括可选地为螺纹的全部宽度的前端或头面,可除去尾型螺纹头,从而允许:(a)基本上全部周长旋转定位以进行拧入,以及(b)用于将配合螺纹放置入拧入位置的引导表面。举例来说,成角度的头面可与对应的螺纹或螺纹头面接合,并将对应的螺纹引入螺旋螺纹之间的拧入位置。此外,在对应螺纹的任何位置处,已除去了尾部以基本上消除易于发生楔入的几何形状。
无论拧入在本质上是同心还是偏心,均可获得相似益处。举例来说,在偏心布置中,与螺纹牙顶和螺纹头面相交的线可包括接合锥度。在进给时,螺纹头面可与配合螺纹牙顶以当交叉点和后续螺纹抵抗楔入、卡住和错扣时减少或消除楔入的方式进行配合。在这种实施方案中,接合锥度可足以将公螺纹较小端部处的大直径减少为小于母螺纹的较大端部处的小直径。因此,偏心拧入可用于锥形螺纹。
可预期,本公开的螺纹可以任何数量的合适方式而形成。举例来说,如前所述,车削装置(诸如,车床)可能在产生如本文所公开的那些陡螺纹头面方面具有难处。因此,在一些实施方案中,螺纹可形成为包括尾部。然后,可采用后续的磨削、铣削或其它工艺来除去尾部的一部分,并形成螺纹头,诸如本文所描述的或根据本文公开内容的综述可获知的那些。在其它实施方案中,可利用其它设备,包括车削和其它机械加工设备的组合。举例来说,车床可生产螺纹的一部分,而其它机械可进一步对公螺纹或母螺纹组件进行加工以增加螺纹头面。在再其它的实施方案中,模制、铸造、单点切削、丝锥和板牙、板牙头、铣削、磨削、滚压、研磨或其它工艺或上述的任意组合可根据本文的公开内容用于形成螺纹。
因此,在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下,本发明可以其它特定形成来体现。所描述的实施方案应视为在所有方面仅仅是示例性的而非限制性的。因此,本发明的范围由所附权利要求书而非上述描述来指示。权利要求的等效物的含义和范围内的所有变化都包含在权利要求的范围内。
Claims (25)
1.一种抗卡住和错扣的螺纹钻柱组件,其包括:
中空主体,其具有第一端、相对的第二端,和延伸通过所述中空主体的中心轴线;和
螺纹,其定位在所述中空主体的所述第一端;
其中:
所述螺纹包括沿所述中空主体的所述第一端延伸的多个螺旋圈,
所述螺纹具有螺纹深度和螺纹宽度,
所述螺纹包括紧邻所述中空主体的所述第一端的前端,
所述螺纹的所述前端相对于所述中空主体的所述中心轴线以锐角定向,以及
所述螺纹的所述前端面向所述中空主体的所述第一端。
2.根据权利要求1所述的钻柱组件,其中所述螺纹的所述前端包括垂直于所述中空主体延伸的平面表面。
3.根据权利要求2所述的钻柱组件,其中所述螺纹的所述前端的所述平面表面延伸全部螺纹宽度。
4.根据权利要求1所述的钻柱组件,其中所述螺纹的所述前端的高度等于所述螺纹深度。
5.根据权利要求4所述的钻柱组件,其中所述螺纹宽度大于所述螺纹深度。
6.根据权利要求5所述的钻柱组件,其中螺纹宽度是所述螺纹深度的至少两倍。
7.根据权利要求1所述的钻柱组件,其中所述锐角介于大约15度至大约75度之间。
8.根据权利要求7所述的钻柱组件,其中所述锐角介于大约30度至大约60度之间。
9.根据权利要求8所述的钻柱组件,其中所述锐角介于大约40度至大约50度之间。
10.根据权利要求1所述的钻柱组件,其中所述中空主体是薄壁主体,其壁厚介于所述中空主体的外径的大约5%至15%之间。
11.根据权利要求1所述的钻柱组件,其中所述第一端包括套接端且所述螺纹包括母螺纹。
12.根据权利要求11所述的钻柱组件,其还包括:
第二螺纹,其定位在所述中空主体的所述第二端;
其中:
所述第二螺纹包括沿所述中空主体的所述第二端延伸的多个螺旋圈,
所述第二螺纹包括紧邻所述中空主体的所述第二端的前端,
所述第二螺纹的所述前端相对于所述中空主体的所述中心轴线以锐角定向,而且
所述第二螺纹的所述前端面向所述中空主体的所述前端。
13.根据权利要求12所述的钻柱组件,其中所述第二端包括销接端且所述第二螺纹包括公螺纹。
14.根据权利要求1所述的钻柱组件,其中所述钻柱组件包括钻杆、套管、转接器联接件、钻孔器、钻头、岩芯提取器、锁定联接件、联顶环或稳定件中的一个。
15.根据权利要求1所述的钻柱组件,其中所述螺纹的所述前端从所述中空主体的所述第一端偏移等于或小于约所述螺纹宽度的距离。
16.一种抗卡住和错扣的螺纹钻柱组件,其包括:
主体、套接端、相对的销接端,和延伸通过所述主体的中心轴线;
母螺纹,其定位在所述主体的所述套接端,所述母螺纹具有深度和宽度;
公螺纹,其定位在所述主体的所述销接端,所述公螺纹具有深度和宽度;
其中:
所述母螺纹和所述公螺纹中的每个均包括前端,
所述母螺纹和所述公螺纹中的每个的所述前端包括垂直于所述主体延伸的平面表面,
所述母螺纹的所述前端的所述平面表面沿所述母螺纹的所述整个宽度和所述整个深度延伸,而且
所述公螺纹的所述前端的所述平面表面沿所述公螺纹的所述整个宽度和所述整个深度延伸。
17.根据权利要求16所述的钻柱组件,其中:
所述母螺纹和所述公螺纹中的每个均包括多个螺旋圈;
所述母螺纹的所述前端面向所述主体的所述套接端;而且
所述公螺纹的所述前端面向所述主体的所述销接端。
18.根据权利要求17所述的钻柱组件,其中所述母螺纹和所述公螺纹的所述平面表面每个均相对于所述主体的所述中心轴线以锐角延伸。
19.根据权利要求18所述的钻柱组件,其中所述锐角介于大约15度至大约75度之间。
20.根据权利要求19所述的钻柱组件,其中所述钻柱组件包括钻杆。
21.根据权利要求20所述的钻柱组件,其中所述钻杆是中空的且是薄壁的。
22.一种在钻柱中形成接头而不会卡住或错扣的方法,其包括:
将第一钻柱组件的销接端插入第二钻柱组件的套接端内;
使所述第一钻柱组件相对于所述第二钻柱组件旋转,从而使所述第一钻柱组件的所述销接端上的公螺纹的平面前端抵接所述第二钻柱组件的所述套接端上的母螺纹的平面前端;
其中所述公螺纹的所述平面前端相对于所述第一钻柱组件的中心轴线以锐角定向;
其中所述母螺纹的所述平面前端相对于所述第二钻柱组件的中心轴线以锐角定向;而且
使所述公螺纹的所述平面前端抵靠并沿所述母螺纹的所述平面前端滑动以将所述公螺纹引导入所述母螺纹圈之间的间隙内。
23.根据权利要求22所述的在钻柱中形成接头的方法,其中使所述公螺纹的所述平面前端抵靠并沿所述母螺纹的所述平面前端滑动使得所述第一钻柱组件相对于所述第二钻柱组件旋转,这归功于所述公螺纹和所述母螺纹的所述平面前端的所述锐角。
24.根据权利要求22所述的在钻柱中形成接头的方法,其还包括使所述第一钻柱组件相对于所述第二钻柱组件自动旋转和前移。
25.根据权利要求22所述的在钻柱中形成接头的方法,其中:
所述母螺纹的所述平面前端沿所述母螺纹的整个深度延伸;
所述公螺纹的所述平面前端沿所述公螺纹的整个深度延伸;
当使所述第一钻柱组件相对于所述第二钻柱组件旋转时,所述母螺纹和所述公螺纹的所述平面前端的所述深度防止所述公螺纹和母螺纹卡住或楔入。
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