CN204627449U - 带螺纹结构、适配器和联接装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及带螺纹结构、适配器和联接装置，具有第一直径的无螺纹的非锥形的第一圆柱形部分；具有大于第一直径的第二直径的无螺纹的非锥形的第二圆柱形部分；在第一圆柱形部分和第二圆柱形部分之间延伸的带螺纹的锥形部分；和环形应力消除切口，提供带螺纹的锥形部分与第一圆柱形部分和第二圆柱形部分中的一个之间的过渡。地下钻孔操作通常需要将钻具(例如，钻头、回扩钻头等)连接至钻柱。理想的是将钻具以有利于快速简单的装配和拆卸的方式连接至钻柱。低扭矩联接装置，通常被称为“无扭矩”连接，可以提供这种功能。从而可以改善这种连接的使用寿命和强度。本实用新型公开内容提供了一种具有改善的强度和耐用性的低扭矩联接装置。

Description

带螺纹结构、适配器和联接装置

本申请是2011年11月29日提交的PCT/US2011/062356的分案申请。

本申请案作为以美国本土公司维米尔制造公司(被指定为除了美国以外的所有国家的申请人)以及美国公民Michael D.Langenfeld和Randy R.Runquist(被指定为仅美国的申请人)的名义于2011年11月29日提交的PCT国际专利申请案，并且要求了2010年12月1日提交的美国临时专利申请案系列号61/418,783和2011年1月24日提交的美国临时专利申请案系列号61/435,689的优先权，其通过参考的方式在此并入。

技术领域

本发明公开内容提供一种用于将钻具连接至钻柱的联接装置以及相关方法。

背景技术

地下钻孔操作通常需要将钻具(例如，钻头、回扩钻头等)连接至钻柱。理想的是，将钻具以有利于快速简单的装配和拆卸的方式连接至钻柱。

发明内容

本实用新型旨在提供一种带螺纹结构、联接装置、适配器，以便降低安装成本，缩短安装时间。

根据本实用新型的一方面，提供一种用于在钻柱的连接部件中使用的带螺纹结构，包括：具有第一直径的无螺纹的非锥形的第一圆柱形部分；具有大于第一直径的第二直径的无螺纹的非锥形的第二圆柱形部分；在第一圆柱形部分和第二圆柱形部分之间延伸的带螺纹的锥形部分；和环形应力消除切口，提供带螺纹的锥形部分与第一圆柱形部分和第二圆柱形部分中的一个之间的过渡。

根据本实用新型的一方面，其中所述第一圆柱形部分、第二圆柱形部 分和带螺纹的锥形部分由公连接结构的外部限定。

根据本实用新型的一方面，其中所述环形应力消除切口设置在所述带螺纹的锥形部分和所述第二圆柱形部分之间。

根据本实用新型的一方面，其中所述公连接结构为设置在适配器本体的第一端处的第一公连接结构，其中所述适配器本体具有限定第二公连接结构的第二端，其中所述第二公连接结构限定具有大外直径和小外直径的带螺纹的锥形部分，其中所述适配器本体在第一公连接结构和第二公连接结构之间限定中间区域，并且其中多个扳手扁平部或扳手平面设置在中间区域处。

根据本实用新型的一方面，其中所述第一公连接结构的带螺纹的锥形部分上的螺纹是非对称的，一些具有在1.25至3.0之间的牙宽和牙高比。

根据本实用新型的一方面，其中所述第一圆柱形部分、所述第二圆柱形部分和所述带螺纹的锥形部分由母连接结构的内部限定。

根据本实用新型的一方面，其中所述环形应力消除切口设置在所述带螺纹的锥形部分和所述第一圆柱形部分之间。

根据本实用新型的一方面，母连接结构设置在启动杆的端部。

根据本实用新型的一方面，其中所述带螺纹的锥形部分上的螺纹是非对称的，一些具有在1.25至3.0之间的牙宽和牙高比。

根据本实用新型的一方面，其中带螺纹的锥形部分上的螺纹是非对称的，其中相邻的谷部之间的距离是峰部和谷部之间的径向距离限定的螺纹的高度的1.25至3倍。

根据本实用新型的一方面，提供一种在钻柱中使用的适配器，包括：具有第一接合区的远端，被配置成为具有第一直径的非锥形的圆柱形部分；具有第二接合区的近端，被配置成为具有比第一直径大的第二直径的非锥形的圆柱形部分；在远端和近端之间的锥形部分，所述锥形部分具有带螺纹的部分以及邻近第二接合区的应力消除区。

根据本实用新型的一方面，其中所述应力消除区包括位于第二接合区和锥形部分之间的环形切口。

根据本实用新型的一方面，其中所述圆锥部分上的螺纹是非对称的，一些具有在1.25至3.0之间的牙宽和牙高比。

根据本实用新型的一方面，提供一种用于将探头外壳连接至导引钻杆的联接装置，包括：第一端部分，包括位于第一无螺纹部分和第二无螺纹部分之间的带螺纹的锥形部分；与第一端部分相对的第二端部分，包括带螺纹的锥形部分；其中第一端部分的第一无螺纹部分具有非锥形圆柱形形状；其中第一端部分的第二无螺纹部分具有非锥形的圆柱形状并且具有大于第一无螺纹部分的直径；和其中带螺纹的锥形部分上的螺纹是不对称的并且至少一些具有1.25至3.0之间的牙宽和牙高比。

根据本实用新型的一方面，其中带螺纹的锥形部分上的螺纹配置成接合匹配构件上的螺纹以使得相对地转动带螺纹的锥形部分和匹配构件将带螺纹的锥形部分连接至匹配构件。

根据本实用新型的一方面，其中所述带螺纹的锥形部分上的螺纹被配置成接合匹配构件上的螺纹以使得在带螺纹的锥形部分上的螺纹和匹配构件上的螺纹之间的中径偏移至少0.030英寸。

根据本实用新型的一方面，提供一种用于在钻柱和钻头之间传递扭矩、张力、推力和弯曲力的适配器，所述钻柱和钻头能够由操作者用手工工具连接和断开连接，所述适配器包括：本体，包括第一圆柱形突出部、第二圆柱形突出部和位于第一圆柱形突出部和第二圆柱形突出部之间的中央部分；其中，本体的第一圆柱形突出部配置成可滑动地容纳在匹配构件的第一圆柱形孔洞内并且配置成在本体和匹配构件之间传递至少弯曲力；和其中本体的中央部分被容纳在匹配构件的内部孔洞之内并且配置成在第一构件和匹配构件之间传递至少张力；其中，本体的第二圆柱形突出部配置成可滑动地容纳在匹配构件的第二圆柱形孔洞内并配置成在本体和匹配构件之间传递至少弯曲力；其中本体的中央部分是锥形的且带螺纹；和其中，中央部分包括位于其上的不对称的螺纹。

根据本实用新型的一方面，其中中央部分上的至少一些螺纹具有1.25至3.0之间的牙宽和牙高比。

本实用新型的低扭矩联接装置，通常被称为“无扭矩”连接，可以提供这种功能。本实用新型的带螺纹结构、联接装置以及适配器使用寿命和强度增加，具有改善的强度和耐用性的优点。

附图说明

图1是在操作中的一种钻机的示意图；

图2是根据本发明公开内容的原理的一种联接装置的立体图；

图3是图2中的联接装置的一部分的剖面图；

图4是图3中所示的联接装置的可选实施例的剖面图；

图5是图2中的联接装置的一部分的剖面图，显示处于完全接合位置；

图6是沿图5中的线6-6的剖面图；

图7是图6中标号为7的部分的放大图；

图8是图6中标号为8的部分的放大图；

图9是图7中的对象在所述联接装置被图示处于部分接合位置情况下的视图；

图10是图2中的联接装置的可选实施例的剖视图；

图11是图2中的联接装置的可选实施例的剖视图；

图12是图11中的联接装置沿线12-12的剖面图；

图13是图11中的联接装置的一部分的侧视图；和

图14是图13中所示的联接装置的部分的备选实施例的侧视图。

具体实施方式

参见图1，显示了一种钻机10，驱动钻柱20进入地面中。钻柱的远端包括钻具组件100。在图2-9中更详细地显示了钻柱20的端部和钻具组件100之间的联接装置。

概括地，参见图2-9，显示了起动杆12和探头外壳14之间的联接装置。起动杆12，又被称为导引杆或者笼统地第一构件，经扭矩连接(torque connection)螺纹连接至最远端(最下面的孔)的钻杆16。探头外壳14配置成将探头容纳在其中并且在其远端24支撑钻头(未显示)。

在所描述的实施例中，适配器18经扭矩连接螺纹连接在探头外壳14的近端22中。适配器18和探头14在此又被笼统地称为第二构件。提供套圈26在起动杆12的远端28和适配器18的一部分和上滑动，以防止起动杆和适配器之间的相对转动(并且因而也防止起动杆12和探头外壳14之间的相对转动)。

在所描述的实施例中，套圈26的内表面被配置成接合在起动杆12的远端28上和在适配器18的外表面上的结构特征。在所描述的实施例中，套圈包括与起动杆12的远端28上的扁平部32以及适配器18的外部上扁平部68接合的内扁平部30。在下面更加详细地描述起动杆12的远端28和适配器18的近端36之间的连接。

在所描述的实施例中，联接装置包括具有驱动端和被驱动端的第一构件。在所描述的实施例中，第一构件显示为起动杆12。驱动端显示为远端28而被驱动端被显示为近端34。近端34经扭矩连接螺纹连接至最下面的孔的钻杆16。

在所描述的实施例中，第一构件的驱动端(例如，起动杆12的远端28)包括在其上具有螺纹的锥形部分(图3中所示的凹部36或者图4中所示的突出部38)。驱动端包括邻接锥形部分(例如凹部36或者突出部38)的远端的第一接合区40(图6)和邻接锥形部分(凹部36或者突出部38)的近端的第二接合区42(图6)。

在所描述的实施例中，第二构件(适配器18)包括驱动端44和被驱动端46。驱动端44包括用于连接至切削工具(例如，支撑钻头的探头外壳14)的螺纹连接部。被驱动端46适于与第一构件12的驱动端28连接。被驱动端46包括在其上具有螺纹的锥形部分(例如，图4中所示的凹部或者图6中所示的突出部50)。被驱动端46包括邻接锥形部分(例如凹部48或者突出部50)的远端的第三接合区部分52(图6)。驱动端46还包括邻接锥形部分的近端的第四接合区部分54(图6)。

在所描述的实施例中，当第一构件28上的锥形螺纹与第二构件18上的锥形螺纹接合时，第一接合区40配置成接合第四接合区54并且第二接合区42配置成接合第三接合区52。在所描述的实施例中，第一接合区40和第四接合区54之间的间隙以及第二接合区42和第三接合区52之间的间隙足以允许使用者用手滑动地接合第一和第二构件。在所描述的实施例中，第一接合区和第四接合区为彼此直径相差至少0.003英寸(例如，彼此之差在0.003英寸至0.006英寸(0.076至0.150毫米)之内)的圆柱形。换言之，在径向方向(径向间隙)上接合区的表面之间的间隙在0.0015英寸至0.003英寸(0.038至0.076毫米)之内。应该理解的是，在可选实施例中，接合区可 以具有不同几何构造并且在它们之间具有不同间隙。

在一些实施例中，第二构件的锥形部分的螺纹峰部58和第一构件的螺纹谷部60即便在螺纹接合时也偏移至少0.030英寸(0.76毫米)。在所描述的实施例中，在第一和第二构件上的带螺纹部分之间的中径偏移至少0.030英寸。在如那些所示的锥形螺纹上，在螺纹轴线上的给定位置处的中径为在那个位置处的中径圆锥(pitch cone)的直径。应该理解的是，当螺纹的牙顶超出中径线被截断时，中径和中径圆柱或中径圆锥会以螺纹面的理论扩展为基础。

正如上面所讨论的，第二构件被描述为适配器18。然而，应该理解的是，在可选实施例中，第一构件可以是不同部件，包括，例如钻头或者探头外壳。

在所描述的实施例中，锥形凹部上的螺纹和锥形突出部上的螺纹是不对称的，具有在1.25至3之间的牙宽W和牙高H比(图9)。不对称的短螺纹有利于自我对准并且保持相应的螺纹的峰部和谷部之间的上述偏移。

在所描述的实施例中，第一构件28包括与第二构件18上的结构抵接的结构，以限制锥形凹部上的螺纹峰部和锥形突出部的螺纹谷部之间的偏移。第一构件上的该结构被示为前端面62而第二构件上的所述结构被示为环形肩部64。

在所描述的实施例中，在锥形凹部远端的一部分66(图8)被放大并且不包括其上的螺纹。在所描述的实施例中，锥形凹部在其近端的一部分也被放大(图7中的部分67)并且不包括其上的螺纹。这些部分配置成接收外部物质(例如石粒和粉尘)并且从而防止这些物质阻塞第一构件和第二构件之间的连接。另外，这些部分还用作应力消除区，应力消除区在过渡处分布或分摊负载，从而避免应用集中，这加强了联接装置18的耐用性。在所描述的实施例中，扩大部分包括作为锥形凹部的一部分的环形切口。应该理解的是，在可选实施例中，扩大部分(例如切口)可以是锥形突出部的一部分或者是锥形凹部和锥形突出部两者的一部分。还应该理解的是，可选实施例可以配置成不包括这些扩大部分。

在所描述的实施例中，联接装置18(例如适配器)的被显示为螺纹连接至探头外壳14的近端包括锥形的带螺纹部分，该锥形的带螺纹部分配置 成接合探头外壳的匹配螺纹达到超出50英尺磅的扭矩级别。如上所述的，远端包括在第一无螺纹部分和第二无螺纹部分之间的锥形部分。第一无螺纹部分和第二无螺纹部分包括恒定的最大截面尺寸。如上所讨论的，联接装置包括接合第一构件的端面以阻止螺纹完全接合(即，保持上述限定的偏移)的止动部。止动部位于第二无螺纹部分的预定位置上，从而确保在锥形的带螺纹部分的螺纹峰部与锥形的带螺纹部分被配置以接合的螺纹谷部之间至少0.030英寸的偏移。在所描述的实施例中，第一构件和第二构件上的带螺纹部分之间的中径偏移至少0.030英寸。

本发明公开内容还提供一种将钻具连接至钻杆的方法。该方法包括如下步骤：使位于钻具构件的近端处的螺纹与位于钻杆构件的远端处的螺纹接触；通过相对地转动钻杆构件和钻具构件而将钻具构件螺纹连接至钻杆；以及，将钻具构件的外表面上的结构特征与钻杆构件的外表面上的结构特征对准。在所描述的实施例中，对准结构特征的步骤包括在一至九十度之间相对于钻具反向转动钻杆组件。

该方法还包括在钻杆构件和钻具构件的一部分上滑动套圈的步骤，其中套圈配置成接合钻杆构件和钻具构件的外表面上的结构特征，从而防止钻具构件和钻柱构件之间的相对转动。

在所描述的实施例中，将钻具构件螺纹连接至钻杆构件的步骤同时将钻具构件的远端上的凸台插入钻杆构件上的孔洞中并且将钻具构件的近端上的凸台插入钻杆构件远端上的孔洞中。该方法还包括，至少在钻具构件的外表面上的结构特征与钻杆构件的外表面上的结构特征对准的时候，将位于钻具构件的近端上的螺纹峰部和位于钻杆构件的远端上的螺纹谷部之间的偏移保持在至少0.030英寸(0.76毫米)的步骤。在所描述的实施例中，钻具上的螺纹与钻杆上的匹配螺纹之间的中径偏移至少0.030英寸。

在所描述的实施例中，螺纹连接步骤由通过在保持钻杆构件静止的同时转动钻具构件而完成。应该理解的是，可选地，在钻具保持静止的同时可以转动钻杆。在所描述的实施例中，螺纹连接步骤包括相对地转动钻杆构件和钻具构件一至四整圈之间。在可选实施例中，螺纹连接步骤可以包括更多或者更少圈旋转。

在所描述的实施例中，将钻杆组件从钻具组件螺纹松脱开所需的扭矩 小于50英尺磅。将钻具组件螺纹连接钻杆组件的步骤包括转动钻具构件直至钻具构件的一部分(例如环形肩部)抵接钻杆构件的一部分(例如端面)并且限制进一步的旋转。在所描述的实施例中，在钻具组件的一部分抵接钻柱组件的一部分时保持至少0.030英寸的偏移。即便在螺纹连接步骤中在钻杆构件和钻具构件之间的连接应用多达50英尺磅的扭矩，也保持至少0.030英寸的偏移。

在所描述的实施例中，钻具的远端上的凸台包括不超出钻杆组件的孔洞的最大截面尺寸的0.0015至0.03英寸(0.038-0.76毫米)的最大截面尺寸

参见图10，显示了一种可选实施例。所描述的实施例类似于上面所描述的实施例，但是，去除了锥形突出部上的螺纹以及孔洞。反之，销100、102将锥形突出部紧固在锥形孔洞之内并且抵抗适配器18和起动杆12之间的张力。销100、102延伸通过起动杆的远端28的一部分以及适配器18的被驱动端46。套圈26在这些销的端部上滑动并且将它们保持在适当位置处。

参见图11-13，显示了另一种可选实施例。在所描述的实施例中，锥形孔洞124和突出部126没有螺纹。替代的是，锥形突出部126包括与销112、114、116、118、120、122接合的凹槽106、108、110，这些销保持在延伸通过锥形孔洞124的一部分的销容纳孔洞中。上述销配置在操作期间(例如，通过孔将钻拄拔回时)克服被施加在连接上的张力将锥形孔洞124紧固至突出部126。在所描述的实施例中，在去除套圈26之后经由通过延伸至销容纳孔洞的后侧的更小孔洞驱动打孔器可以移除这些销。应该理解的是，虽然显示锥形孔洞和突出部具有渐变的锥度，但是它们可以可选地具有台阶状轮廓，或者锥度可以是非线性的。

参见图14，显示了另一种可选实施例。在所描述的实施例中，锥形突出部130包括螺旋槽132，该螺旋槽132配置成与类似于图11-13中所示的那些锁定销匹配，它们被保留在以与螺旋槽相交的方式延伸通过锥形孔洞124的一部分的销容纳孔洞中。在此实施例中，凹槽131用作将锥形孔洞和锥形突出部紧固在一起的单个扩大的螺纹构件。这种配置提供了锥形孔洞和锥形突出部之间的快速连接和松脱。与锥形孔洞和所述锥形孔洞124中的容纳孔洞中的螺旋槽匹配的锁定销抵抗被施加在该连接上的张力。套圈26防止锥形突出部相对于锥形孔洞转动。

应该理解的是许多更多的可选实施例是可能的。例如，虽然图10-14中所示的实施例显示包括类似于以上参考图7和8(部分66和67)所描述的那些的进入锥形突出部的凹进中的环形应力消除区，但是一些可选实施例不包括应力消除区。

上述说明、实例和数据提供了本发明的组成的制造和使用的完整描述。虽然在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以实现本发明的多种实施例，但是本发明归于以下所附的权利要求中。

Claims (18)

1.一种用于在钻柱的连接部件中使用的带螺纹结构，其特征在于，所述带螺纹结构包括：

具有第一直径的无螺纹的非锥形的第一圆柱形部分；

具有大于第一直径的第二直径的无螺纹的非锥形的第二圆柱形部分；

在第一圆柱形部分和第二圆柱形部分之间延伸的带螺纹的锥形部分；和

环形应力消除切口，提供带螺纹的锥形部分与第一圆柱形部分和第二圆柱形部分中的一个之间的过渡。

2.如权利要求1所述的带螺纹结构，其特征在于，其中所述第一圆柱形部分、第二圆柱形部分和带螺纹的锥形部分由公连接结构的外部限定。

3.如权利要求2所述的带螺纹结构，其特征在于，其中所述环形应力消除切口设置在所述带螺纹的锥形部分和所述第二圆柱形部分之间。

4.如权利要求3所述的带螺纹结构，其特征在于，其中所述公连接结构为设置在适配器本体的第一端处的第一公连接结构，其中所述适配器本体具有限定第二公连接结构的第二端，其中所述第二公连接结构限定具有大外直径和小外直径的带螺纹的锥形部分，其中所述适配器本体在第一公连接结构和第二公连接结构之间限定中间区域，并且其中多个扳手扁平部或扳手平面设置在中间区域处。

5.如权利要求4所述的带螺纹结构，其特征在于，其中所述第一公连接结构的带螺纹的锥形部分上的螺纹是非对称的，一些具有在1.25至3.0之间的牙宽和牙高比 。

6.如权利要求1所述的带螺纹结构，其特征在于，其中所述第一圆柱形部分、所述第二圆柱形部分和所述带螺纹的锥形部分由母连接结构的内部限定。

7.如权利要求6所述的带螺纹结构，其特征在于，其中所述环形应力消除切口设置在所述带螺纹的锥形部分和所述第一圆柱形部分之间。

8.如权利要求7所述的带螺纹结构，其特征在于，母连接结构设置在 启动杆的端部。

9.如权利要求8所述的带螺纹结构，其特征在于，其中所述带螺纹的锥形部分上的螺纹是非对称的，一些具有在1.25至3.0之间的牙宽和牙高比。

10.如权利要求1所述的带螺纹结构，其特征在于，其中带螺纹的锥形部分上的螺纹是非对称的，其中相邻的谷部之间的距离是峰部和谷部之间的径向距离限定的螺纹的高度的1.25至3倍。

11.一种在钻柱中使用的适配器，其特征在于，所述适配器包括：

具有第一接合区的远端，被配置成为具有第一直径的非锥形的圆柱形部分；

具有第二接合区的近端，被配置成为具有比第一直径大的第二直径的非锥形的圆柱形部分；

在远端和近端之间的锥形部分，所述锥形部分具有带螺纹的部分以及邻近第二接合区的应力消除区。

12.如权利要求11所述的适配器，其特征在于，其中所述应力消除区包括位于第二接合区和锥形部分之间的环形切口。

13.如权利要求11所述的适配器，其特征在于，其中所述圆锥部分上的螺纹是非对称的，一些具有在1.25至3.0之间的牙宽和牙高比 。

14.一种用于将探头外壳连接至导引钻杆的联接装置，其特征在于，所述联接装置包括：

第一端部分，包括位于第一无螺纹部分和第二无螺纹部分之间的带螺纹的锥形部分；

与第一端部分相对的第二端部分，包括带螺纹的锥形部分；

其中第一端部分的第一无螺纹部分具有非锥形圆柱形形状；

其中第一端部分的第二无螺纹部分具有非锥形的圆柱形状并且具有大于第一无螺纹部分的直径；和

其中带螺纹的锥形部分上的螺纹是不对称的并且至少一些具有1.25至3.0之间的牙宽和牙高比 。

15.如权利要求14所述的联接装置，其特征在于，其中带螺纹的锥形部分上的螺纹配置成接合匹配构件上的螺纹以使得相对地转动带螺纹的 锥形部分和匹配构件将带螺纹的锥形部分连接至匹配构件。

16.如权利要求15所述的联接装置，其特征在于，其中所述带螺纹的锥形部分上的螺纹被配置成接合匹配构件上的螺纹以使得在带螺纹的锥形部分上的螺纹和匹配构件上的螺纹之间的中径偏移至少0.030英寸。

17.一种用于在钻柱和钻头之间传递扭矩、张力、推力和弯曲力的适配器，所述钻柱和钻头能够由操作者用手工工具连接和断开连接，其特征在于，所述适配器包括：

本体，包括第一圆柱形突出部、第二圆柱形突出部和位于第一圆柱形突出部和第二圆柱形突出部之间的中央部分；

其中，本体的第一圆柱形突出部配置成可滑动地容纳在匹配构件的第一圆柱形孔洞内并且配置成在本体和匹配构件之间传递至少弯曲力；和

其中本体的中央部分被容纳在匹配构件的内部孔洞之内并且配置成在第一构件和匹配构件之间传递至少张力；

其中，本体的第二圆柱形突出部配置成可滑动地容纳在匹配构件的第二圆柱形孔洞内并配置成在本体和匹配构件之间传递至少弯曲力；

其中本体的中央部分是锥形的且带螺纹；和

其中中央部分包括位于其上的不对称的螺纹。

18.如权利要求17所述的适配器，其特征在于，其中中央部分上的至少一些螺纹具有1.25至3.0之间的牙宽和牙高比 。