CN105593455B - 具有抗弯联接器的钻柱 - Google Patents

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Abstract

一种用以形成钻柱的组成部分的钻柱钻杆，其具有一个端部，该端部被构造具有用以容纳在对应的钻杆阴型套筒端部中的阳型套管部分。为了使阳型螺纹和阴型螺纹联接器内的应力集中最小化，阳型套管被构造具有至少等于主长度部分的横截面积或直径的大的直径或横截面积。

Description

具有抗弯联接器的钻柱
技术领域
本发明涉及形成具有抗弯端部联接器的钻柱的组成部分的钻柱钻杆，并且特别地但不唯一地，涉及一种具有阳型套管部分的钻杆，所述阳型套管部分具有螺纹部分和中间柄部，中间柄部的外径、宽度和/或横截面积被优化，以在钻柱遭受弯矩时提供期望刚度。
背景技术
冲击钻进用于经由通过外螺纹端部和内螺纹端部的相互连接而端到端联接在一起的多个伸长的钻柱钻杆产生长钻孔。该建井技术通过由安装在钻柱一端的岩石钻头向钻孔底部的岩石传递锤击冲击来破碎岩石。典型地，破碎岩石所需的能量由液压驱动活塞生成，液压驱动活塞接触钻柱的端部(经由柄部转接器)，以制造应力(或冲击)波，应力波穿过钻柱传播并最终达到底部岩石层。常规的阳型和阴型螺纹联接器描述在US 4,332,502；US4,398,756；US 4,687,368；和DE 2800887中。
当相邻钻杆的外螺纹端部和内螺纹端部联接以形成钻柱时，接头在钻进期间通常遭受弯曲力。这些弯矩会使联接器疲劳并导致接头的螺纹部分内的损坏。典型地，阳型螺纹套管受损并决定联接器的使用寿命。US 6,767,156公开了一种位于两个冲击钻杆之间的螺纹接头，其具有设置在阳型部分和阴型部分的引导轴向端部处的圆锥形引导面，从而试图获得牢固联接并避免螺纹受损。
然而，常规螺纹联接器以及特别是现有的钻杆的相应的螺纹端部包括联接器的阳型部，所述阳型部的直径小于钻杆的主长度部分的直径。这提供的钻柱具有一致的外径，但也具有折中的联接器强度，该联接器强度在弯曲期间通常是较弱的。即使没有弯曲(这是不常见的)，入射的压缩冲击波也会由于阳型部的自由端中的反射而在联接器中产生张力，这会造成最高应力区域中出现裂纹。因此，需要一种解决这些问题的钻杆。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种钻柱钻杆，该钻柱钻杆提供这样的联接器区域，该联接器区域在弯曲区间表现出增强刚度并且在使用时能够承受显著的弯矩。进一步的目的是提供一种钻柱钻杆联接器，该联接器被构造用以承受当在钻孔底部冲击岩石时作用在钻柱且特别是钻头上的非对称负载力。进一步的目的是提供一种用于钻杆的联接器，其可以抵抗由驱动活塞在最后端的钻杆或柄部转接器处的非中心撞击导致的钻柱中的弯曲波。
这些目的通过提供一种用于具有主长度部分和阳型螺纹套管部分的钻杆的联接器实现，所述阳型螺纹套管部分的外径、横截面积或宽度(在垂直于钻杆的纵向轴线的平面中)至少等于钻杆的主长度部分的外径。特别地，本发明的钻杆包括在中空伸长的主长度部分的一端设置的阳型套管部分，该阳型套管部分包括从无螺纹柄部延伸的外螺纹部分。沿着柄部的全部轴向长度，柄部的外径、宽度或横截面积特别被构造成至少等于主长度部分的对应的外径或横截面积。其优势是提供了“不易弯曲”联接器，从而使联接器的阳型套管部分之内的应力和应力集中最小化。有利地，柄部的横截面积或直径不会在轴向方向上从外螺纹部分至主长度部分减小，并且相反，朝向与主长度部分的连接处方向，直径和横截面积会增大。特别地，在与主长度部分的连接处(或者主长度部分的端部设置的环形台肩处)，柄部径向向外展开，从而优化弯曲阻力。因此，本发明并且特别是阳型套管构造适合于“台肩接触式”联接器布置。
根据本发明的第一方面，提供了一种用来形成钻柱的组成部分的钻柱钻杆，该钻杆包括：在第一端和第二端之间轴向延伸的中空伸长的主长度部分；设置在第二端的阳型套管部分，其具有外螺纹部分和位于外螺纹部分与台肩的轴向之间的无螺纹柄部；外螺纹部分包括至少一个从柄部轴向延伸的螺旋脊部和螺旋沟槽；台肩将主长度部分和阳型套管部分轴向分开并且相对于主长度部分和阳型套管部分径向向外突出，柄部从台肩的环形侧表面轴向延伸，阳型套管部分的轴向长度被构造成使得环形侧表面能够邻接钻柱中的相邻的钻杆的阴型端部部分的环形端部表面；其特征在于：沿着柄部和螺旋脊部的全部轴向长度，包括柄部和螺旋脊部的套管部分在垂直于钻杆轴纵向线方向上的外径或宽度等于或者大于主长度部分的外径。
优选地，内孔轴向延伸穿过主长度部分和阳型套管部分，该内孔的内径沿着主长度部分和阳型套管部分的全部轴向长度保持一致。优选地，环形侧表面垂直于轴线。可选地，外螺纹部分在对应于螺旋沟槽的径向位置的外径小于主长度部分的外径。这种构造用于进一步增加联接接头弯曲期间的刚度并且有助于使疲劳与损坏风险最小化。可选地，外螺纹部分在径向对应于螺旋脊部的径向位置的外径至少等于主长度部分的外径。
可选地，第二端部包括相对于主长度部分径向向外突出的台肩，柄部从该台肩的一侧轴向延伸。
替代地，第二端部缺少或者大体上缺少径向展开的台肩，使得在柄部和主长度部分的端部之间的连接处大体上光滑且无异形。在本发明的钻杆包括的台肩时，从台肩的侧面延伸的柄部的端部包括这样的直径，该直径从外螺纹部分至台肩的方向上增大。优选地，柄部的外部形状轮廓是弯曲的，以径向向外展开，接触台肩。
可选地，柄部的至少一个轴向部分的外表面与钻杆的纵向轴线大体上平行对齐。有利地，柄部(在沿着其轴向长度的区域)的大体上圆柱状外形轮廓的横截面积或外径不小于主长度部分的横截面积或外径。优选地，柄部在沿着柄部的长度的区域处的外径大体上等于外螺纹部分在与螺旋脊部对应的径向位置处的外径。
优选地，外螺纹部分的轴向长度大于柄部的轴向长度。这种构造有利于得到期望的联接器强度，从而承受通过联接器的拉应力与弯矩。优选地，柄部在与外螺纹部分的一侧紧挨的轴向部分处的横截面积至少等于主长度部分的横截面积。
优选地，主长度部分的第一端部包括阴型中空部分，该阴型中空部分具有内螺纹部分，以与钻柱的相邻的钻杆的阳型套管部分的外螺纹部分接合。这种结构的优势是使相邻的钻杆之间的联接器强度最大化。通过将阴型部分的内螺纹部分的内径构造成大体上等于主长度部分的外径，在拉应力和弯曲力方面进一步优化了联接器强度。
优选地，在钻杆包括位于主长度部分与阳型套管端部之间的连接处的环形台肩时，阴型部分的外径大体上等于台肩的外径。
根据本发明的进一步的方面，提供一种包括根据这里所述的钻柱钻杆的钻柱。
附图说明
现在将仅通过举例的方式并参见附图描述本发明的特定实施，在附图中：
附图1是根据本发明的特定实施例的由通过内外螺纹联接器的配合而端到端连接的多个伸长的钻杆形成的钻柱的外侧视图；
附图2是根据本发明的特定实施例的图1中的钻柱的钻杆的第二端部的外侧透视图，其中，阳型螺纹套管端部包括被加强以抵抗弯曲和拉应力的柄部；
附图3是图1中的钻柱的钻杆之间的联接器区域的外侧视图，其中内螺纹联接器部分相对于钻杆的主长度部分的外径增大，以形成总体在径向方向增大的联接器区域。
具体实施方式
参见附图1，钻柱包括多个相互连接的钻柱钻杆100。每个钻杆100包括具有第一端部105和第二端部106的主长度部分101。主长度部分101的外径在每个端部105、106增大，以分别形成径向扩张的端部联接器区域103、104。每个联接器端部103、104的一部分具有螺纹部分，以允许端部103、104彼此之间接合并形成牢固的螺纹联接器102，从而使多个钻杆100相互连接形成钻柱。特别地，阳型端部103包括环形台肩110，阳型套管108从环形台肩110轴向突出。阳型套管108在轴向上被分成末端外螺纹部分107和轴向上位于外螺纹部分107和台肩110之间的无螺纹柄部109。内孔113轴向延伸穿过具有一致内径的主长度部分101和阳型套管108。阴型端部104包括中空套筒111，其具有形成于套筒111的内表面的配合螺纹112，从而与外螺纹部分107的螺纹圈相配合。当阳型端部103和阴型端部104联接时，阴型套筒111的轴向末端的环形表面115邻接抵靠台肩110，使得阳型套管108的环形端面114完全容置在套筒111内。
参见附图2，阳型套管108被构造成总体具有与沿着阳型套管108的轴向长度的主长度部分101的外径大约相等的外径。相似地，在主长度部分101的外表面200处，垂直于纵向轴线209的平面的横截面积大约等于与之平行的延伸穿过阳型套管108并通常位于外螺纹部分107的平面的横截面积。
主长度部分101的外表面200在区域208处径向向外呈锥形，从而形成具有环形外表面201的环形台肩110，环形外表面201限定出一个轴向较短的圆柱部分。台肩110在区域208的相反侧终止，位于侧表面204上，该侧表面204垂直于纵向轴线209。套管208在轴向上从侧表面204突出，并且包括径向向外展开的、与侧表面204接触的第一过渡区域203和与外螺纹部分107接触的第二过渡区域202。即，在区域203，柄部109的横截面积(在垂直于纵向轴线209的平面中)和直径从侧表面204到第二过渡区域202减小。柄部109的横截面积和直径继而在第一过渡区域203和外螺纹部分107轴向之间的第二过渡区域202上大体一致。第二过渡区域202终止于轴向上从第二过渡区域202到套管的端面114延伸的至少一个螺旋圈205。因此，外螺纹部分107包括螺旋延伸的脊部207和相应的螺旋延伸的凹槽206。根据该特定实施，外螺纹部分107在与脊部207对应的轴向与径向位置处的横截面积(在垂直于纵向轴线209的平面中)和直径大约等于主长度部分101的横截面积和外径。相对于纵向轴线209，脊部207处的外表面的径向位置也大体上等于第二过渡区域202处的柄部的外表面的径向位置。如此，阳型套管108可被认为是主长度部分101在轴向上的轴向延伸，阳型套管108和主长度部分101由台肩110轴向分开。柄部109的轴向长度小于对应的外螺纹部分107的轴向长度。此外，第一过渡区域203的轴向长度大致等于第二过渡区域202的轴向长度，其中区域202、203都是相对无异形的(non-profiled)并且没有螺纹205。
参考附图3，径向增大的阳型套管108需要径向增大的阴型套筒111，该阴型套筒111的外径和横截面积大体上等于台肩110处的外径和横截面积(在垂直于纵向轴线209的平面中)。因此，当阳型端部103和阴型端部104配合在一起时，并且特别是当环形表面204邻接抵靠套筒111的环形端部表面115时，套筒111的外表面300与台肩110的外表面201齐平对准。更大直径的联接器(相对于常规联接器)在钻杆100之间的关键过渡区域提供增大的横截面积，这能够有效减小由活塞生成的入射压缩应力波所导致的联接器区域内的拉应力。此外，由于台肩110和柄部109处的外径之间的相对差别尽可能被最小化，同时提供了用于被套筒端部115邻接的接触面区域204，所以应力集中被最小化。从柄部的第二过渡区域202通过柄部的第一过渡区域203，逐渐增加横截面积，并与侧表面204接触，其优势是使弯曲期间的联接器的刚度最大化并且使响应于弯矩和拉应力的在阳型套管108中的应力集中最小化。
根据进一步的特定实施，阳型套管108的总体横截面积可大于主长度部分101的横截面区域的直径，以进一步增大在弯曲期间的联接器的刚度。

Claims (14)

1.一种用以形成钻柱的组成部分的钻柱钻杆(100)，所述钻杆(100)包括：
中空伸长的主长度部分(101)，所述主长度部分(101)在第一端(105)和第二端(106)之间轴向延伸；
阳型套管部分(108)，所述阳型套管部分(108)设置在所述第二端(106)，所述阳型套管部分(108)具有外螺纹部分(107)和轴向位于所述外螺纹部分(107)与台肩(110)之间的无螺纹的柄部(109)；
所述外螺纹部分(107)包括从所述柄部(109)轴向延伸的至少一个螺旋脊部(207)和螺旋沟槽(206)；
所述台肩(110)将所述主长度部分(101)和所述阳型套管部分(108)轴向分开并且相对于所述主长度部分(101)和所述阳型套管部分(108)径向向外突出，所述柄部(109)从所述台肩(110)的环形侧表面(204)轴向延伸，所述环形侧表面(204)垂直于纵向轴线(209)或所述钻杆(100)，所述阳型套管部分(108)的轴向长度被构造使得所述环形侧表面(204)能够邻接所述钻柱的相邻的所述钻杆(100)的阴型端部部分(104)的环形端部表面(115)；
其特征在于：
沿着所述柄部(109)的全部轴向长度，所述柄部(109)在垂直于所述钻杆的所述纵向轴线(209)的方向上的外径或宽度等于或者大于所述主长度部分(101)的外径；并且
所述柄部(109)的外部形状轮廓是弯曲的，以径向向外展开并且过渡到所述环形侧表面(204)。
2.根据权利要求1所述的钻杆(100)，其中，内孔(113)轴向延伸穿过所述主长度部分(101)和所述阳型套管部分(108)，且所述内孔(113)的内径沿着所述主长度部分(101)和所述阳型套管部分(108)的全部轴向长度是一致的。
3.根据权利要求1所述的钻杆(100)，其中，所述外螺纹部分(107)在与所述螺旋沟槽(206)对应的径向位置处的外径小于所述主长度部分(101)的外径。
4.根据权利要求1所述的钻杆(100)，其中，所述外螺纹部分(107)在与所述螺旋脊部(207)对应的径向位置处的外径等于或大于所述主长度部分(101)的外径。
5.根据任一项前述权利要求所述的钻杆(100)，其中，所述环形侧表面(204)垂直于所述纵向轴线(209)。
6.根据权利要求5所述的钻杆(100)，其中，从所述台肩(110)延伸的所述柄部(109)的端部包括直径，所述直径在从所述外螺纹部分(107)到所述台肩(110)的方向上增大。
7.根据权利要求1至4中的任一项所述的钻杆(100)，其中，所述柄部(109)的至少一个轴向部分的外表面与所述钻杆(100)的所述纵向轴线(209)平行对齐。
8.根据权利要求1至4中的任一项所述的钻杆(100)，其中，所述柄部(109)在沿着所述柄部(109)的长度的区域处的外径等于所述外螺纹部分(107)在与所述螺旋脊部(207)对应的径向位置处的外径。
9.根据权利要求1至4中的任一项所述的钻杆，其中，所述外螺纹部分(107)的轴向长度大于所述柄部(109)的轴向长度。
10.根据权利要求1至4中的任一项所述的钻杆(100)，其中，所述柄部(109)在与所述外螺纹部分(107)的一侧紧挨的轴向部分处的横截面积至少等于所述主长度部分(101)的横截面积。
11.根据权利要求1至4中的任一项所述的钻杆(100)，其中，所述主长度部分(101)的所述第一端(105)包括阴型中空部分(111)，所述阴型中空部分(111)具有内螺纹部分(112)，用以与所述钻柱的相邻的钻杆的所述阳型套管部分(108)的所述外螺纹部分(107)接合。
12.根据权利要求11所述的钻杆(100)，其中，所述阴型中空部分(111)的所述内螺纹部分(112)的内径等于所述主长度部分(101)的外径。
13.根据权利要求11所述的钻杆(100)，其中，所述阴型中空部分(111)的外径等于所述台肩(110)的外径。
14.一种包括根据任一前述权利要求所述的钻柱钻杆(100)的钻柱。
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