CN1240871A - 直孔眼钻进系统 - Google Patents

Abstract

一个用于钻柱的钻杆,该钻杆在其每一端均具有一个螺纹,通过套筒与邻近的钻杆相连接。在套筒和钻杆上的螺纹的结构能够减少应力集中,在套筒上提供可牺牲的磨损体积。螺纹为单头螺纹,具有一个部分圆弧形的齿根,在套筒上的磨损体积小于在钻杆上磨损体积。钻杆的外径至少为其内孔的两倍。

Description

直孔眼钻进系统

本发明涉及一种钻柱。

钻柱通常用于把来自地面钻机的旋转力和冲击力传递给钻头。所钻的孔眼通常较深，典型的孔眼的深度可以达到50英尺，因此钻柱由一系列钻杆构成，这些钻杆通过连接件连接在一起。典型地，每一个钻杆的端部均具有螺纹，连接件是一个内部具有螺纹的套筒，该套筒用于容纳钻杆的端部。

当钻柱用于钻进例如钻炮眼时，炮眼尽可能笔直是非常重要的，使得孔眼保持所需要的炮眼形式。钻进时孔眼的偏斜将会导致孔眼底部的形式与孔眼地面的形式不同，因此导致爆炸结果不均匀。钻柱的偏移主要是由于给进钻柱时产生的垂向载荷以及以及作用在钻柱上的冲击力导致钻柱弯曲所形成的。在某些情况下，这种偏移可能非常大，一个50英尺的孔眼可能偏移几英尺远。其结果增加了生产费用，因为爆炸所导致的矸石或者矿堆非常不均匀，它们可能需要进一步的二次破碎以适合运输设备的尺寸。钻孔作业的目标就是维持偏移在1.0％以内，但是这一直没有实现。

一个减少偏移的办法是使用管式钻孔。在管式钻孔中，一个薄壁金属管子用于提供所需要的弯曲刚度，该该薄壁金属管子的外径与井眼的尺寸接近。然而，这种薄壁管子限制了螺纹的形式，这样的螺纹用于连接薄壁管，结果钻杆的寿命不能令人满意。

一个可以选择的方法是把冲击锤安装到井下(DTH系统)从而不通过连接的钻柱传递冲击力波而避免冲击载荷作用在螺纹上。然而这个方法造价高昂。

因此本发明的一个目标是减少和克服上述缺点。

根据本发明的一个方面，一个钻柱包括一组钻杆，这些钻杆连接成一个系列，每一个钻杆至少在钻杆的一端形成螺纹，用于与邻近的钻杆相连接。每一个钻杆包括一个具有外表面的圆柱体和一个在钻杆的端部之间延伸的内孔。钻杆的直径大于或者等于65mm，圆柱体的直径与内孔的直径之比至少为2∶1，最好等于或者大于3∶1。

通过增加钻杆的外径，钻杆的弯曲刚度增加，同时维持外径与内孔的比值在规定范围内，并提供一个合适形式的螺纹。

钻杆外径的增加通常被认为是有害于用于连接钻杆的螺纹的寿命，因为由于直径的增加导致较高的应力集中，因此降低了钻杆的疲劳寿命。如果在起出钻柱时钻柱产生摩擦而放松连接件将使得纵向载荷显著增加。这种摩擦快速地把反向的垂向载荷作用到钻柱上，所产生的应力可能导致螺纹特别是初始螺纹的破坏，因为初始螺纹比其它螺纹承受更多的载荷。

在现有技术中，人们通过对螺纹采取特定的剖面来减少应力集中。在美国专利5056611，5060740和5163523中，形成的螺纹具有一个部分椭圆形的齿根，根据这些专利，这些齿根提供了一个有效的较大齿根直径，因此减小了应力集中。然而在每一种情况下，由于螺纹剖面是非对称的，为了维持足够的磨损体积，用于形成公螺纹和母螺纹的齿根的椭圆具有不同的尺寸或者结构。这使得螺纹的制造过分复杂。而且在这样的螺纹机构中，疲劳寿命由最高的应力集中决定，因此一个齿根的较高应力集中将会极大限制接头的寿命。

因此需要提供一种带螺纹的接头，该螺纹接头能减少或者克服上述的缺点。

根据本发明的第二个方面，提供一种用于钻柱的带螺纹的连接件，该连接件带有一对配合的公螺纹件和母螺纹件。每一个这样的螺纹件分别具有一个螺纹，该螺纹具有一对在其齿顶和齿根区之间延伸的相背对的螺纹面。齿根区与齿顶相距一定距离，齿根区还具有一个部分圆形的母线，该螺纹面与该母线相切。

作为优先的一种选择，母螺纹件具有一个锥形的外表面，该锥形的外表面的直径向着母螺纹件的远端逐渐减少，延伸超过螺纹部分至少一个齿节。

作为优先的一种选择，锥形部分具有一个半角为3°到10°，特别是在4°到6°之间。

与螺纹的寿命有关的一个因素是磨损体积。该磨损体积是在两个螺纹面相交之前可以磨损的、在两个螺纹的螺纹面之间的材料的体积。该体积通过使用一个单头螺纹来实现，这样相邻螺纹面之间的距离增加。然而磨损不可避免发生，这可能导致需要过早的替换钻杆。

根据本发明的第三个方面，一个位于钻柱相邻构件之间的连接件包括一个公螺纹件和一个母螺纹件，两个螺纹件用于互相啮合。每一个螺纹均具有一个相背对的并会聚的螺纹面。这些螺纹面沿着螺纹件在纵向上分隔开。两个螺纹互相接触，在两个相背对的螺纹面之间至少一部分螺纹面形成磨损体积。在一个螺纹件上形成的磨损体积大于另一个螺纹件上的磨损体积。

作为优先的一种选择，母螺纹件是一个套筒，在母螺纹件上的磨损体积小于公螺纹件上磨损体积，因此，在替换钻杆之前需要替换套筒。

作为优先的一种选择，形成的螺纹应当使得：母螺纹的齿顶的纵向尺寸小于公螺纹的齿顶的纵向尺寸，以增加公螺纹的磨损体积。母螺纹的磨损体积最好为公螺纹的80％到95％之间，特别是89％到95％之间，典型为92％。

根据本发明的第四个方面，提供一种用于钻柱的螺纹连接件，该连接件具有一对配合的公螺纹件和母螺纹件。每一个所说的螺纹件具有一个单头螺纹。该单头螺纹的螺旋角在7°到10°之间，一对相背对的螺纹面在其齿顶和齿根区之间延伸。齿根区由一个部分圆形的母线包围，而该螺纹面与该母线相切。每一个螺纹面由一个平行于螺纹纵轴的齿顶来定界。沿着径向方向测量，每一个螺纹的深度大于5mm，母螺纹和公螺纹的螺纹面在径向方向上相互至少重叠3.7mm。

作为优先的一种选择，在母螺纹和公螺纹的齿顶上的轴线尺寸是不同的，作为更优先的一种选择，母螺纹的齿顶的轴向尺寸小于公螺纹的齿顶的轴向尺寸。

参照附图以例子的形式对本发明的一个实施例进行描述。

(附图描述)

图1是一个钻柱的正视图。

图2是图1中的钻柱的一个接头的剖面图。

图3是图2中的螺纹的放大的视图。

图4类似于图3中，表示构件分离开的视图。

图5是图2中的一个套筒的剖面图。

图6是图2中所示的一个钻杆的一端的剖面图。

参考图1，一个钻柱10包括许多钻杆12，钻杆12的的端部通过套筒14连接到接头13上。钻杆和套筒由合适的材料制成，典型的为钢例如AHT-28或者公知的“标枪(Javelin)”型，这些都是公知技术。钻柱10的一端通过一个撞针杆15连接到一个钻机(未示出)上。钻柱10从钻机给钻头传递旋转和冲击载荷而进行钻孔。

从图2和图6可以更清楚地看出，每一个钻杆12为一个具有外径d的圆柱形，在其相对的两端17、19具有两个公螺纹16、18，用于与套筒14相连接。每一个端部17、19是相同的，因此参照图6只对其中的一个进行说明。螺纹16在钻杆的外圆周面上形成，该螺纹从一个平的端面21延伸到一个腰部23。端面21轴向伸出超过螺纹16，形成一个直径小于螺纹16的圆柱头25。腰部23的直径小于螺纹的直径，为一个均匀成形的圆弧形，形成一个从钻杆表面延伸到螺纹16的切向腹面。一个内孔27在钻杆12内部延伸，其直径为d₂。

参考图5，套筒14具有一对互补的母螺纹20、22，用于容纳邻近的钻杆12的螺纹端17、19。母螺纹20、22在套筒14的管体24的内壁26上形成。母螺纹20、22中止于一对互相分开的环形槽28、30，这两个环形槽由一个向内伸入到管体24内的一个平台32分离。管体24的外表面34具有一个中央的圆柱形部分36，在最佳实施例中，在其相对的两端具有两个锥形部分38、40。这两个锥形部分的直径从中央部分36向着套筒14的远端逐渐减少。

螺纹的形状最好如图3和4所示，公螺纹和母螺纹具有具有类似但不同的形状，因此类似的符号用于指示类似的部件。该螺纹是一个单头螺纹，每一个螺纹16、18、20、22(图2)具有齿根42，一个具有线性螺纹面44的部分圆弧形母线包围该齿根，该线性螺纹面44相对于钻杆12的纵轴线一角度α从齿根切向伸出。该线性螺纹面44由一个平的齿顶46切断，该齿顶46在邻近的两个线性螺纹面之间延伸，均匀地形成尺寸为6mm倒角从而与线性螺纹面44相连接。从图3中可以注意到，当组装时，齿顶46与齿根42相分隔开一定距离，因此只有公螺纹和母螺纹的线性螺纹面44互相接触从而传递载荷。每一个螺纹具有一个磨损体积48，用虚点划线表示，该磨损体积48在邻近的两个螺纹面44之间形成，该磨损体积表示与另外一个螺纹相接触的螺纹面的部分与相背对的螺纹面之间的最小距离，这个最小距离内包围的材料在螺纹面44相交之前可以被除去。

在一个特别的例子中，钻杆12的外径是68mm，通常应该大于65mm以减少施加垂向载荷导致的偏移。内孔27具有一个内径22mm，提供一个大于3∶1的内外径比。更一般来讲，该比例应当大于2∶1以提供所需要的刚度而保证螺纹16的成形。

套筒14的每一个锥形部分38、40均延伸超过螺纹16几个齿节，最好延伸超过至少一个齿节，典型为2.5到3.5齿节。选择锥形部分的角度例如半角从而把载荷分布在螺纹上。套筒14的锥形部分38、40的纵向弹性与螺纹16相匹配，因此作用在螺纹剖面上的最大应力被减少。在一个例子中，人们发现一个4.2度的锥形部分是非常有利的，这样的角度特别为3°到10°，最好在4°到6°之间。上述的锥形角是一个平面与纵轴之间的角度，为一个所包括的圆锥角的一半。尽管套筒上的一个锥形部分对于减少应力集中的优化是最佳的，该锥形部分也可以省略而连接件的操作也能获得满意的结果。

所选择的螺纹可以为任何合适的形状，但螺纹面的角度最好为35°、齿节最好为1.179in(大约30mm)、螺旋角最好在7°到10°之间而最好为8.9°时对于通常为68mm外径的钻杆能够获得令人满意的效果。

通常使用公螺纹的外径为2.660in(大约为68mm)，使用一个具有合适弧度的圆形齿根剖面。从齿顶到齿根的螺纹深度大于0.2in(5mm)能够获得令人满意的效果。

从图3和图4可以看出，公螺纹和母螺纹的齿顶46的纵向尺寸不同，分别用l₁、l₂表示。母螺纹20、22的齿顶46的尺寸(l₂)比公螺纹16的齿顶46的尺寸(l₁)短至20％。母螺纹20、22的齿顶尺寸46可以在公螺纹的16的齿顶46尺寸(l₁)的80％到100％之间，典型在89％到95％之间，最好为92％。齿顶46的长度的差别与套筒14与钻杆12之间的可以利用的磨损体积成正比，因此在套筒14上具有较少的磨损体积。在这种方式下，在替换钻杆12之前需要替换套筒14。螺纹的深度大于5mm(大约0.2in)，最好大于5.3mm(例如0.21in)。为了提供所需要的磨损体积，公螺纹和母螺纹应当互相重叠3.8mm(亦即3.8in)，最好大于3.8mm(亦即3.8in)，尤其应当大于0.43mm(亦即0.17in)。

为了连接一对钻杆12，套筒14的螺纹连接到钻杆端部17的螺纹端16直到螺纹端的端部与平台32的侧面接触。在这个位置上，圆柱头25与平台32重叠。下一个这个12的端部19螺纹连接到套筒14上，直到该钻杆与平台32的侧面接触。在这个位置上，端面21互相接触。当扭矩施加给钻柱10时，接头13压紧从而施加一个纵向应力给螺纹。

当母螺纹和公螺纹配合后，圆弧成形的齿根42与所啮合的螺纹的齿顶46分离开一定距离，因此螺纹面44之间不互相接触。齿根42提供一个最大应力集中区，而该区与接触区分离开一定距离，因此被认为是有利的。通过使得套筒14的纵向弹性与螺纹上的应力分布相匹配，套筒14的锥形部分有助于减少最大应力。

如上简述的钻柱10和使用广泛应用的螺纹形状例如HM51相比具有显著的优点。特别是，磨损体积分别增加2.9和3.5倍。对于给定的冲击载荷，在临界位置的最大拉应力比实际应用的螺纹和套筒组合所构成的接头小10％。有限元分析表明，即使冲击载荷比试验的HM51高50％，在临界点的最大拉应力仍然比以前所使用的接头小22％。当然，应力的降低意味着接头10寿命的延长。

因此能够看出，提供一个锥形的套筒，使得其纵向弹性与螺纹上应力分布相匹配确实可以降低临界位置的应力水平，齿顶与圆弧成形的齿根之间相分离保证最大应力集中区远离接触区。因此一个大直径的这个可以增加其刚度，提高该钻杆的直线钻进性能。由于齿顶的不同长度所导致的不同的磨损体积实现构件的一部分上优先磨损，因此更昂贵构件的寿命可以被延长。

应该能够理解，接头13被说明为一个套筒，母螺纹的母螺纹件可以与钻杆的一端制成一体。然而，提供分离的套筒可以在不牺牲整个钻杆的寿命的前提下，在套筒寿命中止时替换该套筒。

Claims (28)

1.一个钻杆，用于系列地连接成一个钻柱，所说的钻杆至少在其一端形成螺纹，用于与邻近的钻杆相连接，每一个钻杆包括一个具有外表面的圆柱体和一个在钻杆的端部之间延伸的内孔，所说的钻杆的外表面的的直径大于或者等于65mm，至少为所说的内孔直径的两倍。

2.权利要求1的钻杆，其中所说的外表面的所说的直径至少等于或大于所说的内孔的直径的3倍。

3.权利要求2的钻杆，其中在所说的钻杆的每一端上形成螺纹。

4.权利要求1的钻杆，其中，所说的螺纹具有一对在其齿顶和与齿顶径向分离的齿根区之间延伸的螺纹面，所说的齿根区还具有一个部分圆形的母线，该螺纹面与该母线相切。

5.权利要求4的钻杆，其中所说的螺纹的螺旋角在7°到10°之间。

6.权利要求4的钻杆，其中所说的齿根区所说的齿顶之间的径向距离大于5mm。

7.一种螺纹连接件，用于连接钻柱中的邻近的构件，所说的连接件包括一个公螺纹件和一个母螺纹件，每一个所说的螺纹件均具有一个螺纹，每个螺纹具有一对在齿顶和与齿顶相分离的齿根区之间径向延伸并互相背对的螺纹面，所说的齿根区还具有一个部分圆形的母线，该螺纹面与该母线相切。

8.权利要求7的螺纹连接件，其中所说的母螺纹件具有一个锥形的外表面，该外表面的直径在向着所说的螺纹件的远端的方向上逐渐减少。

9.权利要求8的螺纹连接件，其中所说的锥形的外表面延伸超过所说的螺纹至少一个齿节。

10.权利要求9的螺纹连接件，其中所说的锥形的外表面延伸超过所说的螺纹2.5到3.5齿节之间。

11.权利要求8的螺纹连接件，其中所说的锥形外表面具有一个半角在3°到10°之间。

12.权利要求11的螺纹连接件，其中所说的锥形外表面具有一个半角在4°到6°之间。

13.权利要求7的螺纹连接件，其中所说的一个螺纹件的齿根区与所说的另一个螺纹件的齿顶径向分离一定距离。

14.权利要求13的螺纹连接件，其中所说的一个螺纹件的齿顶的轴向尺寸大于所说的另一个螺纹件的齿顶的轴向尺寸。

15.权利要求14的螺纹连接件，其中所说的公螺纹件的齿顶的轴向尺寸大于所说的母螺纹件的齿顶的轴向尺寸。

16.权利要求15的螺纹连接件，其中所说的母螺纹件的所说的齿顶的轴向尺寸大于所说的公螺纹件的齿顶的轴向尺寸的80％。

17.权利要求16所说的螺纹连接件，其中所说的母螺纹件的所说的齿顶的轴向尺寸为所说的公螺纹件的齿顶的轴向尺寸的89％到95％。

18.一种螺纹连接件，用于连接钻柱中的邻近的构件，所说的连接件包括一个公螺纹件和一个母螺纹件，两个螺纹件用于互相啮合以互相连接所说的螺纹件，每一个所说的螺纹具有沿着所说的螺纹件的纵向分隔并相背对的螺纹面，所说的螺纹与所说的螺纹面的至少一部分接触，从而在所说的相背对的螺纹面之间形成磨损体积，所说的一个螺纹件上的磨损体积大于另一个螺纹件上的磨损体积。

19.权利要求18螺纹连接件，其中所说的母螺纹件是一个套筒，其磨损体积小于所说的母螺纹件的磨损体积。

20.权利要求19的螺纹连接件，其中所说的母螺纹件具有的磨损体积为所说的公螺纹件的齿顶的磨损体积的80％到95％。

21.权利要求20的螺纹连接件，其中所说的母螺纹件具有的磨损体积为所说的公螺纹件的磨损体积的89％到95％。

22.权利要求19螺纹连接件，其中所说的螺纹面在一个齿根区和齿顶之间延伸，所说的螺纹件的所说的一个螺纹的所说的齿顶与所说的另一个螺纹件的螺纹的齿根区径向分离开一定的距离。

23.权利要求22的螺纹连接件，其中所说的齿顶通常平行于所说的螺纹的纵轴。

24.权利要求24的螺纹连接件，其中所说的齿根区有一个半圆形的母线围成，所说的螺纹面与该母线相切。

25.一种用于钻柱的螺纹连接件，所说的连接件包括一个公螺纹件和一个母螺纹件，所说的每一个螺纹件具有一个单头螺纹，该单头螺纹的螺旋角为7°到10°，每个所说的螺纹具有一对在齿顶和与齿顶相分离的齿根区之间径向延伸并互相背对的螺纹面，所说的齿顶通常平行于所说的螺纹的一个纵轴，所说的齿根区还被一个部分圈形的母线所限定，该螺纹面与该母线相切，每一个螺纹的所说的齿顶与齿根区径向分离的距离大于5mm，所说的螺纹径向互相重叠的距离大于3.7mm。

26.权利要求25的螺纹连接件，其中在所说的母螺纹件上的所说的齿顶的轴向长度不同于所说的公螺纹件上的所说的齿顶的轴向长度。

27.权利要求26的螺纹连接件，其中所说的母螺纹件上齿顶的轴向尺寸小于所说的公螺纹件上的齿顶的轴向尺寸。

28.权利要求25的螺纹连接件，其中所说的螺纹面的母线是直线，与一个径向平面等同倾斜。

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