CN112272729A

CN112272729A - 用于冲击钻进的连接器

Info

Publication number: CN112272729A
Application number: CN201980017817.0A
Authority: CN
Inventors: 约翰·哈马尔格伦; 安德烈亚斯·诺尔曼
Original assignee: Sandvik Mining and Construction Tools AB
Current assignee: Sandvik Mining and Construction Tools AB
Priority date: 2018-03-09
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2021-01-26
Anticipated expiration: 2039-02-22
Also published as: JP7273069B2; US20200408048A1; CN112272729B; EP3536893B1; PL3536893T3; EA202091853A1; MX2020009352A; AU2019230533A1; WO2019170437A1; JP2021516304A; AU2019230533B2; PT3536893T; ZA202005182B; EA039253B1; KR20210028600A; CA3091534A1; KR102628069B1; BR112020018256A2; EP3536893A1; CL2020002281A1

Abstract

一种用于冲击钻进中的连接器包含阳型联接器和阴型联接器。每个联接器包含主体和形成在相应的所述主体的相应内表面或外表面上的相应螺纹。每个螺纹具有包含牙顶、牙底、接触牙侧和非接触牙侧的螺纹形式。每个螺纹形式具有相对于位于其相应的小直径或大直径处的相应基线倾斜的接触牙侧角和非接触牙侧角。每个非接触牙侧角大于相应的接触牙侧角。每个螺纹形式的牙顶从相应的所述接触牙侧倾斜到相应的所述非接触牙侧，以使得限定相应的所述螺纹形式的相应的小直径或大直径的相应的所述螺纹形式的顶点被定位成邻近于相应的所述非接触牙侧。

Description

用于冲击钻进的连接器

技术领域

本公开总的来说涉及一种用于冲击钻进中的耐磨连接器。

背景技术

CN103015913涉及钻杆的技术领域，具体地说涉及具有12又3/4英寸超大口径的勘探钻杆螺纹结构。该勘探钻杆螺纹结构包含外螺纹和内螺纹，其中外螺纹由外螺纹单元构成，内螺纹由内螺纹单元构成，外螺纹单元由第一牙底和外螺纹牙构成，内螺纹单元由第二牙底和内螺纹牙构成，外螺纹牙和内螺纹牙的形状相互对应，并且外螺纹牙和内螺纹牙呈异常不对称结构。

EP 0 009 398/US 4,295,751公开一种用于冲击钻元件的联接螺纹结构，其包含具有外螺纹的杆和具有内螺纹的套筒，当套筒和杆联接时，螺纹具有邻接牙侧和非邻接牙侧，并且这些牙侧通过底部部分和牙顶部分连结，其中螺纹具有至少两个起点；邻接牙侧沿着其整个邻接接触部分是基本上直的，并且与钻轴线形成在10°与25°之间、优选15°到20°的角度；螺纹的螺距角处于9°到20°、优选11°到16°的范围中；牙顶部分是基本上直的，并且在明确限定的边缘处与邻接牙侧部分相交；非邻接牙侧具有比邻接牙侧的牙侧角大得多的牙侧角；相对于钻轴线，非邻接牙侧的牙侧角处于50°到80°、优选65°到75°的范围中；并且螺纹的底部部分是弯曲的。

EP 0 253 789/US 4,861,209公开一种用于高频冲击钻组件的螺纹联接器，其包含分别具有外螺纹和内螺纹的杆和套筒。螺纹是不对称类型的，并且沿着仅设置在每个冠部部分的一侧上的相对的肩部部分进行接触。螺纹具有30mm到40mm的最大直径、7mm到11mm的螺距以及1.2mm到1.6mm的高度。被定位成紧挨邻近接触肩部部分的牙底和冠部部分的部分具有3mm到5mm的半径。

EP 0 324 442/US 4,799,844公开一种用于阳型螺纹和阴型螺纹的螺杆结构，该螺杆结构具有至少一个螺纹，该至少一个螺纹以间隔开的螺纹圈(thread turns)沿着圆柱形支撑构件螺旋延伸。牙底部分在相邻的螺纹圈之间延伸，并具有由椭圆的一部分限定的曲率，用于在严重负载的时间段期间提供改善的应力降低。

EP 2 710 217/US 2014/0083778公开一种用于冲击岩石钻进的钻柱部件中的装置，该装置包含螺纹，用于与包含互补螺纹的另一钻柱部件螺纹连接在一起。该螺纹包含由两个螺纹牙侧和中间螺纹底部形成的螺纹凹槽。在操作中，牙侧中的一个牙侧形成压力牙侧。螺纹凹槽沿其轴向延伸部具有基本上相同形状的截面形式。螺纹底部展现具有部分圆形形状的至少三个表面部分，如在轴向截面中所见。如从每个螺纹牙侧到螺纹底部的中间表面部分所见，具有部分圆形形状的表面部分具有增大的半径。此外，公开了螺纹接头和钻柱部件。

US 4,040,756公开一种用于联接冲击钻进延伸杆的螺纹结构，该螺纹结构将使这种延伸杆断开所需的扭矩减到最小。这是通过对协作配合的螺纹结构的牙顶部分进行斜切来实现的。斜面的方向使得牙顶部分到协作配合的螺纹结构的互补部分中的最大程度侵入发生在紧挨邻近其邻接牙侧处。接着，邻接牙侧磨损，以此方式使得基本上避免了楔入。此外，牙底部分由连续弯曲表面限定，该连续弯曲表面平滑地延伸到限定螺纹牙侧的平坦表面中，以使得疲劳应力被最小化。

现有技术通常没有考虑螺纹变得磨损时的性能。因此，希望的是提供一种用于冲击岩石钻进的改进的钻柱螺纹，该钻柱螺纹不会遭受现有技术的缺点。

发明内容

本公开总的来说涉及一种用于冲击钻进的耐磨连接器。在一个实施例中，一种用于冲击钻进的连接器包含阳型联接器和阴型联接器。每个联接器包含主体和形成在相应的主体的相应内表面或外表面上的相应螺纹。每个螺纹具有包含牙顶、牙底、接触牙侧和非接触牙侧的螺纹形式。每个螺纹形式具有相对于位于其相应的小直径或大直径处的相应基线倾斜的接触牙侧角和非接触牙侧角。每个非接触牙侧角大于相应的接触牙侧角。每个螺纹形式的牙顶从相应的接触牙侧倾斜到相应的非接触牙侧，以使得限定相应的螺纹形式的相应的大直径或小直径的该相应的螺纹形式的顶点被定位成邻近于相应的非接触牙侧。

有利地是，与上文论述的现有技术相比，由于螺纹形式的倾斜牙顶，接触牙侧响应于联接器的磨损而变大。此外，由于磨损，可移除掉在邻近于接触牙侧的区域中形成的凹痕。

CN’913申请没有标识接触牙侧和非接触牙侧。EP’398专利公开螺纹具有直牙顶的主要实施例以及牙顶下倾的替代例。EP’789专利公开具有半圆形牙顶的螺纹。EP’442专利公开具有直牙顶的螺纹。EP’217专利公开具有直牙顶的螺纹。US’756专利公开具有下倾牙顶的螺纹，并且其强调需要下倾牙顶来避免螺纹在磨损状况下的楔入，这教导了不要倾斜牙顶。

在上述实施例的一个方面中，每个接触牙侧角的范围在15度与50度之间，并且每个非接触牙侧角等于相应的接触牙侧角加上5度到30度。

在所述实施例的另一方面中，每个牙顶的倾斜是弧形的，半径大于阳型联接器的外径的10％。在所述实施例的另一方面中，每个牙顶的倾斜是线性的。

在所述实施例的另一方面中，邻近于相应的非接触牙侧的每个牙顶的高度比邻近于相应的接触牙侧的相应牙顶的高度大5％到20％。

在所述实施例的另一方面中，每个牙底是第一圆弧，并且每个接触牙侧由相应第二圆弧连接到相应牙底。可选地是，每个第一圆弧的第一半径大于相应的第二圆弧的第二半径。可选地是，每个第一半径比相应的第二半径大至少50％，并且每个第二半径大于阳型联接器的外径的5％。上文所论述的现有技术参考文献都没公开这种双圆弧构造。

在所述实施例的另一方面中，阳型螺纹形式的面积比阴型螺纹形式的面积大至少2％。

在所述实施例的另一方面中，每个非接触牙侧由相应圆弧连接到相应牙顶。

在所述实施例的另一方面中，联接器的外径的范围在2cm与16cm之间。

在所述实施例的另一方面中，每个直径是恒定的。

在所述实施例的另一方面中，一种用于冲击钻进的钻杆包含：杆主体；阴型联接器，其与杆主体的第一端一体地形成或被焊接到杆主体的第一端；以及阳型联接器，其与杆主体的第二端一体地形成或被焊接到杆主体的第二端。

在所述实施例的另一方面中，一种钻柱包括钻杆。

在所述实施例的另一方面中，一种用于冲击钻进的钻杆包含：杆主体；阴型联接器，其一体地形成在杆主体的第一端中；以及阳型联接器，其一体地形成在杆主体的第二端中。

附图说明

现将仅通过实例并参照附图来描述本发明的具体实施方案，在附图中：

图1A和图1B图示根据本公开的一个实施例的用于冲击钻柱的阳型联接器和阴型联接器，每个联接器包含耐磨螺纹；

图2图示拧紧在一起的阳型联接器和阴型联接器；

图3A图示阴型螺纹的螺纹形式。图3B图示阳型螺纹的螺纹形式；

图4图示根据本公开的另一实施例的具有第二阳型联接器和第二阴型联接器的钻杆，每个联接器包含第二耐磨螺纹；

图5图示拧紧在一起的第二阳型联接器和第二阴型联接器；

图6A图示在新状况下拧紧在一起的第二联接器的阳型螺纹形式和阴型螺纹形式。图6B图示磨损状况下的阳型螺纹形式和阴型螺纹形式。

具体实施方式

图1A和图1B图示根据本公开的一个实施例的用于冲击钻柱的阳型联接器1和阴型联接器2，每个联接器包含耐磨螺纹1t、2t。冲击钻柱可通过将多根钻杆一起连同位于一端处的冲击钻头3和位于另一端处的柄适配器(未示出)拧紧在一起而形成(图4)。钻杆可使用阳型联接器1和阴型联接器2而拧紧在一起。钻柱可用于用顶锤(未示出)或潜孔锤(未示出)进行冲击岩石钻进。如果使用潜孔锤，那么锤可具有耐磨螺纹1t、2t中的每一个，以用于作为钻柱的一部分进行组装。

阳型联接器1可被附接(诸如，焊接)到中间杆主体，以便形成钻杆的纵向端部。阴型联接器2可与冲击钻头3一体地形成。阳型联接器1可具有管状主体，该管状主体具有用于连接到杆主体的下端的外径上部部分、具有形成在其外表面中的外部阳型螺纹1t的直径减小下部部分，以及连接上部部分和下部部分的肩部1s。阳型螺纹1t可在距肩部1s的第一间隔距离处开始。阳型螺纹1t可在距其底部的第二间隔距离处结束。导引部分(诸如，圆锥形表面)可以在阳型联接器1的下部部分的外表面中形成在阳型螺纹1t的终点与其底部之间。阳型联接器1的上部部分可具有形成在其外表面中的多个扳手扳平部(未示出)。阳型联接器1可具有穿过其形成的流动孔。联接器1、2的外径的范围可在2cm与16cm之间。

阴型联接器2可充当冲击钻头3的柄。冲击钻头3可还包含头部。头部可具有限定切割面的最外端。切割面在该切割面中可以形成有多个插口(仅示出一个)，用于接纳破碎器(未示出)。每个破碎器可以是通过干涉配合或铜焊而安装到相应插口中的预成型插入件。每个切割器可以由金属陶瓷材料(诸如，硬质合金)制成。插口和切割器可以是围绕切割面间隔开的。

图2图示拧紧在一起的阳型联接器1和阴型联接器2。阴型联接器2可以具有管状主体。阴型联接器2可以具有邻近于其流动孔形成在其内表面中的内部阴型螺纹2t。流动孔可以设定大小，以接纳阳型联接器1的直径减小下部部分。阳型联接器1可拧紧到阴型联接器2中，直到肩部1s邻接阴型联接器的顶部2p为止，从而形成金属对金属密封，以用于隔离流动孔并将两个构件紧固在一起。阴型螺纹2t可以在距顶部2p的第一间隔距离处开始。阴型螺纹2t可以在距阴型联接器2的底部的第二间隔距离处结束。阴型联接器2的流动孔可以与穿过钻头的头部形成的流动端口流体连通。阳型螺纹1t和阴型螺纹2t中的每一个可以是单螺纹。

图3A图示阴型螺纹2t的螺纹形式4f。图3B图示阳型螺纹1t的螺纹形式4m。每个螺纹形式4m、4f可以在点X_B处开始，并且可以包含牙底A₁。每个牙底A₁可以是具有相应半径R₁的凹圆弧，并且可以延伸到相应的第二圆弧A₂。每个第二圆弧A₂可以是凹入的，具有相应半径R₂，并且可以从相应的第一牙顶A₁延伸到相应的接触牙侧E₁。每个牙底半径R₁可以大于相应的第二半径R₂，诸如，比相应的第二半径大至少50％。每个第二半径R₂可以大于阳型联接器1的外径的5％。这种双弧形构造可以在相应的螺纹形式4m、4f的牙底区域中显著产生应力。每个接触牙侧E₁可以是相对于相应基线BL以相应的第一牙侧角α倾斜的直线。基线BL可以是纵向的，并且位于相应螺纹1t、2t的相应的大直径D_J或小直径D_N处。每个第一牙侧角α的范围可以在15度与50度之间。每个接触牙侧E₁可从相应的第二圆弧A₂延伸到相应的第三圆弧A₃。每个第三圆弧A₃可以是凸出的，并具有相应的半径R₃。

每个第三圆弧A₃可从相应的接触牙侧E₁延伸到相应的牙顶A₄。每个牙顶A₄可以邻近于相应的第三圆弧A₃具有相应的第一高度H₁并且邻近于相应的第五圆弧A₅具有相应的第二高度H₂。每个高度H₁、H₂可从相应基线BL测量。每个牙顶A₄可从相应的接触牙侧E₁倾斜到相应的非接触牙侧E₂，以使得限定相应的大直径D_J或小直径D_N的相应的螺纹形式4m、4f的相应顶点X_A定位成邻近于相应的非接触牙侧。每个螺纹形式4m、4f可以具有相应的峰线PL，该峰线可以是纵向的，并且位于相应的螺纹1t、2t的相应的大直径D_J或小直径D_N处。相应螺纹1t、2t的每个直径D_N、D_J可以是恒定的。由于每个牙顶A₄的倾斜，相应的第二高度H₂可大于相应的第一高度H₁。每个倾斜可以通过相应的牙顶A4是具有相应半径R₄的凸圆弧来实现。每个牙顶半径R₄可以大于阳型联接器1的外径的10％。每个牙顶A₄可以从相应的第三圆弧A₃延伸到相应的第五圆弧A₅。每个第二高度H₂可比相应的第一高度H₁大5％到20％。

作为替选，每个牙顶A₄可以是线性倾斜的。

每个第五圆弧A₅可以是凸出的，可以具有相应半径R₅，并且可以从相应牙顶A₄延伸到相应的非接触牙侧E₂。每个非接触牙侧E₂可以是相对于相应的基线BL以相应的第二牙侧角β倾斜的直线。每个第二牙侧角β可以大于相应的第一牙侧角α，诸如，比相应的第一牙侧角大5度到30度，从而导致相应的不对称螺纹形式4m、4f。每个非接触牙侧E₂可从相应的第五圆弧A₅延伸到相应的第六圆弧A₆。每个第六圆弧A₆可以从相应的非接触牙侧E₂延伸到相应的终点X_E。每个第六圆弧A₆可以是凹入的，并具有相应半径R₆。每个螺纹形式4m、4f可以具有由相应的起点X_B与相应的终点X_E之间的纵向距离限定的相应螺距P。每个螺距P可以大于阳型联接器1的外径。

阳型螺纹形式4m的面积可比阴型螺纹形式4f的面积大至少2％或甚至大至少5％。阳型螺纹形式4m的这种扩大可增大钻杆的使用寿命，这是因为阳型螺纹形式通常是决定性的。

图4图示根据本公开的另一实施例的具有阴型联接器6和阳型联接器9的钻杆5，各联接器包含相应的耐磨螺纹6t、9t。钻杆5可由金属或合金(诸如，钢)制成。钻杆5也可以是表面硬化的(诸如，通过渗碳)。每个联接器6、9可以被附接(诸如，焊接7)到中间杆主体8，以便形成钻杆5的纵向端部。钻杆5可具有穿过其形成的流动孔。钻杆5可具有6米的长度。联接器6、9的外径的范围可在5cm与15cm之间。

钻柱可通过将多根钻杆5一起连同位于一端处的钻头和位于另一端处的柄适配器拧紧在一起而形成(图5)。钻头和柄适配器也可具有耐磨螺纹6t、9t中的任一种。钻柱可用于用顶锤(未示出)或潜孔锤(未示出)进行冲击岩石钻进。如果使用潜孔锤，那么锤可具有耐磨螺纹6t、9t中的每一个，以用于作为钻柱的一部分进行组装。

作为替选，钻杆5可具有一对阳型联接器9，并且具有一对阴型联接器6的套筒(未示出)可用于将一对钻杆连接在一起。作为替选，钻头可使用联接器1、2而连接到底部钻杆。作为替选，每个联接器6、9可以与杆主体8一体地形成，而不是焊接到杆主体。

阳型联接部9可具有管状主体，该管状主体具有用于连接到杆主体8的下端的外径上部部分、具有形成在其外表面中的外部阳型螺纹9t的直径减小下部部分，以及连接上部部分和下部部分的肩部9s。阳型螺纹9t可在距肩部9s的第一间隔距离处开始。阳型螺纹9t可在距其底部的第二间隔距离处结束。导引部分(诸如，圆锥形表面)可在阳型联接器9的下部部分的外表面中形成在阳型螺纹9t的终点与其底部之间。阳型联接器9的上部部分可具有形成在其外表面中的多个扳手扳平部(未示出)。上部部分中的流动孔可包含喷嘴以及喉部的一部分。喉部可延伸穿过肩部4s和下部部分。

图5图示拧紧在一起的阳型联接器9和阴型联接器6。阴型联接器6可具有管状主体，该管状主体具有用于连接到杆主体8的上端的下部部分。阴型联接器6可具有邻近于其流动孔形成在其内表面中的内部阴型螺纹6t。流动孔可被设定大小，以接纳另一钻杆的阳型联接器9的直径减小下部部分。阳型联接器9可拧紧到阴型联接器6中，直到肩部9s邻接阴型联接器的顶部6p为止，从而形成金属对金属密封，以用于隔离流动孔并将两根钻杆紧固在一起。阴型螺纹6t可在距顶部6p的第一间隔距离处开始。阴型螺纹6t可在距阴型联接器6的底部的第二间隔距离处结束。阴型联接器6的流动孔可包含定位成邻近于阴型螺纹6t的下端的扩散器。阴型螺纹6t和阳型螺纹9t中的每一个可以是双螺纹。

作为替选，阴型螺纹6t和阳型螺纹9t中的每一个可以是单螺纹或三线螺纹。作为替选，阳型联接器9可连接到杆主体8的上端，并且阴型联接器6可连接到杆主体的下端。在此替代例中，阳型联接器9的喷嘴将是扩散器，并且阴型联接器6的扩散器将是喷嘴。作为替选，螺纹1t、2t、6t、9t中的任一个可用于连接钻柱的非管状构件。

图6A图示在新状况下拧紧在一起的第二联接器6、9的阳型螺纹形式10m和阴型螺纹形式10f。相应的第二联接器6、9的每个螺纹形式10m、10f可类似于相应的螺纹形式4m、4f，即包含牙底、牙顶、接触牙侧、非接触牙侧以及连接这些构件的各种圆弧。在上文所论述的参数范围内，每个第二螺纹形式10m、10f可包含相应螺纹形式4m、4f的倾斜牙顶和不对称结构。每个第二螺纹形式10m、10f的螺距可小于相应螺纹形式4m、4f的螺距，并且每个第二螺纹形式10m、10f的顶点的高度可大于相应螺纹形式4m、4f的高度。

图6B图示磨损状况下的阳型螺纹形式10m和阴型螺纹形式10f。由于每个第二螺纹形式10m、10f的倾斜牙顶，故而接触牙侧E₁可响应于第二联接器6、9的磨损而变大。此外，由于磨损，邻近于接触牙侧E₁的区域G中形成的凹痕可被移除掉。扩大的牙侧可减小接触压力，并且结合所移除掉的凹痕，可降低故障风险。

Claims

1.一种用于冲击钻进的连接器，包括：

阳型联接器(1、9)，所述阳型联接器包括：

主体；以及

阳型螺纹(1t、9t)，所述阳型螺纹形成在所述主体的外表面上，

以及

阴型联接器(2、6)，所述阴型联接器包括：

主体；以及

阴型螺纹(2t、6t)，所述阴型螺纹形成在所述主体的内表面中，

其中：

每个螺纹具有包含牙顶(A₄)、牙底(A₁)、接触牙侧(E₁)和非接触牙侧(E₂)的螺纹形式(4m、4f、10m、10f)，

每个螺纹形式(4m、4f、10m、10f)具有相对于位于其相应的小直径(D_N)或大直径(D_J)处的相应基线(BL)倾斜的接触牙侧角(α)和非接触牙侧角(β)，

每个非接触牙侧角(β)大于相应的所述接触牙侧角(α)，

每个螺纹形式(4m、4f、10m、10f)的所述牙顶(A₄)从相应的所述接触牙侧(E₁)倾斜到相应的所述非接触牙侧(E₂)，以使得限定相应的所述小直径(D_N)和所述大直径(D_J)的相应的所述螺纹形式(4m、4f、10m、10f)的顶点(X_A)定位成邻近相应的所述非接触牙侧(E₂)。

2.根据权利要求1所述的连接器，其中每个接触牙侧角(α)的范围在15度与50度之间，并且每个非接触牙侧角(β)等于相应的所述接触牙侧角加上5度到30度。

3.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其中每个牙顶(A₄)的所述倾斜是弧形的，半径(R4)大于所述阳型联接器(1、9)的外径的10％。

4.根据权利要求1或2所述的连接器，其中每个牙顶(A₄)的所述倾斜是线性的。

5.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其中邻近于相应的所述非接触牙侧(E₂)的每个牙顶(A₄)的高度(H₂)比邻近于相应的所述接触牙侧(E₁)的相应的所述牙顶(A₄)的高度(H₁)大5％到20％。

6.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其中：

每个牙底(A₁)是第一圆弧，并且

每个接触牙侧(E₁)由相应的第二圆弧(A₂)连接到相应的所述牙底(A₁)。

7.根据权利要求6所述的连接器，其中每个第一圆弧的第一半径(R₁)大于相应的所述第二圆弧(A₂)的第二半径(R₂)。

8.根据权利要求7所述的连接器，其中：

每个第一半径(R₁)比相应的所述第二半径(R₂)大至少50％，并且

每个第二半径(R₂)大于所述阳型联接器(1、9)的外径的5％。

9.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其中所述阳型螺纹形式(4m、10m)的面积比所述阴型螺纹形式(4f、10f)的面积大至少2％。

10.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其中每个非接触牙侧(E₂)由相应的圆弧(A₅)连接到相应的所述牙顶。

11.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其中所述联接器(1、2、6、9)的外径的范围在2cm与16cm之间。

12.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其中每个直径(D_J、D_N)是恒定的。

13.一种用于冲击钻进的钻杆(5)，包括：

杆主体(8)；

根据前述权利要求中任一项的阴型联接器(6)，所述阴型联接器(6)与所述杆主体(8)的第一端一体地形成或者被焊接(7)到所述杆主体(8)的第一端；以及

根据前述权利要求中任一项的阳型联接器(9)，所述阳型联接器(9)与所述杆主体(8)的第二端一体地形成或者被焊接到所述杆主体(8)的第二端。

14.一种钻柱，包括根据权利要求13所述的钻杆(5)。