DE10020388B4

DE10020388B4 - Bohrgestänge mit Gewindeverbindung

Info

Publication number: DE10020388B4
Application number: DE2000120388
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Putzer
Original assignee: Klemm Bohrtechnik Zweigniederlassung der Bauer Maschinen GmbH
Current assignee: Klemm Bohrtechnik GmbH
Priority date: 2000-04-26
Filing date: 2000-04-26
Publication date: 2012-03-29
Anticipated expiration: 2020-04-27
Also published as: DE10020388A1

Abstract

Bohrgestänge zur Herstellung von Bohrungen in nicht standfesten Formationen sowie stark wasserführenden Horizonten, insbesondere zum Überlagerungsbohren, mit Bohrstangen mit endseitigen Zapfen (2) mit Außengewinde (3) zwischen einer äußeren Schulter (4) und einer Zapfenstirnfläche (5) und gegenüberliegend endseitiger Buchse (7) mit einem Innengewinde (8) zwischen einer Buchsenstirnfläche (9) und einer inneren Schulter (10), wobei Außen- und Innengewinde (3, 8) mehrgängig und leicht konisch ausgebildet und mit einem gewindelosen Einführungsabschnitt (6, 11) ausgeführt sind und wobei dessen Gewindegänge (16, 17, 18) eine Sägezahngeometrie ergebend ausgeführt sind und eine hohe Steigung aufweisen und wobei an den muffenseitigen Flankenwinkeln (21) und damit im nicht beanspruchten Bereich Toträume (24) ausgebildet sind, die auch im verschraubten Zustand des Gewindes (15) ausreichend Hohlraum für das gezielte Ablagern von Migrationen (25) vorhaltend ausgeführt sind und dazu einen Durchmesser oder eine Breite (40) von 1 bis 4 mm aufweisen und wobei gleichzeitig die dem zapfenseitigen Flankenwinkel (20) zugeordneten Flanken...

Description

Die Erfindung betrifft ein Bohrgestänge nach dem Wortlaut der Einleitung des Anspruches 1.
Bei Bohrarbeiten in nicht standfesten Formationen sowie stark wasserführenden Horizonten müssen Bohrungen im Schutz einer Verrohrung niedergebracht werden. Bei dieser als Überlagerungsbohren benannten Technik wird häufig das so genannte Doppelkopfbohren oder auch das Duplex-Bohren angewandt, wobei gleichzeitig ein inneres Bohrsystem und ein äußeres Bohrsystem vorangetrieben werden. Das äußere Bohrsystem dient als Verrohrung, welches so lange im Boden oder in der Formation verbleibt, bis das Innensystem gezogen und Armaturen und Erdanker in das Bohrloch eingebracht und verpresst wurden. Die äußere Verrohrung hat nur eine geringe Wandstärke Von ca. 10 bis 12 mm, muss aber im Verbindungsbereich ein nach außen hin glattes und bündiges Zapfen- und Buchsengewinde aufweisen. Häufig werden beim Überlagerungsbohren schwere Hydraulikhämmer eingesetzt, die sowohl eine hohe Einzelschlagenergie als auch hohe Drehmomente aufweisen, um die ganz erhebliche Rohrmantelreibung zu überwinden. Folglich müssen die dünnwandigen Gewindeverbindungen starke Stoßbeanspruchungen sowie hohe Torsionsmomente aufnehmen können. Nach Beendigung der Bohrung wird die Außenverrohrung Stück für Stück gezogen und auseinandergeschraubt. Das Auseinanderschrauben von hoch belasteten und oftmals auch verschmutzten Gewindeverbindungen bedingt hohe Löse- und Brechmomente, die die Lebensdauer solcher Rohre stark beeinträchtigen. Entsprechende Bohrgestänge bzw. Gewindeverbindungen sind aus der DE 32 45 819 C2 bekannt. Das eine starke Konizität aufweisende Gewinde ist als Rundgewinde ausgebildet, wobei insbesondere der Figur zu entnehmen ist, dass die einzelnen Flanken der Gewindegänge dicht aneinander anliegen. Ziel ist es hier vor allem, eine Gewindeverbindung zu schaffen, die sehr hohe Drehmomente aufnehmen kann, ohne Zapfen und Buchse dicker zu bemessen. Die DE 198 03 304 A1 beschreibt ein Bohrgestänge mit einer Gewindeverbindung, bei der Innen- und Außengewinde eine größere, Last aufnehmende Flanke und eine kleinere, nicht Last aufnehmende Flanke aufweisen. Die Herstellung eines solchen Gewindes ist aufwendig, insbesondere weil die beiden Gewinde mit einer unterschiedlichen Geometrie ausgeführt sind, die natürlich korrespondieren, aber eine besonderen Bearbeitung bedürfen.
Die EP 0 292 464 B1 bzw. DE 38 73 414 T2 beschreibt ein Trapezgewinde mit vorgegebener Konizität, wobei Entlastungsvertiefungen außerhalb der nicht mit Gewinde versehenen Zonen angeordnet sind. 2 zeigt ein Gewinde vor Erreichen der Endposition, sodass der Eindruck erweckt wird, als ob Hohlräume im Bereich des Gewindes gegeben sind. Diese angedeuteten Hohlräume verschwinden mit Anziehen und Erreichen der Endposition von Zapfen und Buchse. Bei diesen bekannten Gewindeverbindungen werden mehr oder weniger hohe Stoß- und Torsionsmomente aufgenommen. Insbesondere nach Abschluss der Bohrarbeiten treten aber bei all diesen bekannten Gewindeverbindungen Probleme beim Lösen auf, weil aufgrund der hohen Belastung und der Verschmutzung das Haltemoment der Gewindeverbindung sehr hoch ist. Die für das Auseinanderschrauben aufzuwendenden Kräfte sind sehr hoch, sodass die Lebensdauer derartiger Rohre gering ist.
Aus der DE 12 90 106 A ist ein Bohrgestänge mit Bohrstangen mit endseitigen Zapfen mit einem Außengewinde zwischen der äußeren Schulter und einer Zapfenstirnfläche bekannt. Die gegenüber angeordnete Buchse hat ein Innengewinde zwischen einer Buchsenstirnfläche und einer inneren Schulter. Außen- und Innengewinde sind mehrgängig und leicht konisch und weisen ein Sägezahngewinde mit steilen kürzeren und flachen längeren Steigungen auf. Nur die kurzen, steilen Flanken haben Kontakt miteinander. Die übrigen Bereiche bleiben ohne Kontakt, wobei die Last nur auf den kleineren Flächen ruht, was zu unnötig hohen Flächenpressungen führt. Derartige Gewinde sind darüber hinaus nur mit hohem Kraftaufwand zu lösen. Auch bei dem Gewinde gemäß EP 0 703 396 A1 werden nur die steileren und kürzeren Flanken belastet, wobei ohne jede Erläuterung zwischen den flacheren Flanken geringe Abstände vorgesehen sind. Das gleiche trifft auf das Gewinde gemäß DE 37 51 617 C2 zu, bei dem wiederum die steilen Flanken die die Last tragenden sind, während die flacheren Flanken entlastet sind. Dies wird dadurch verdeutlicht, dass Spalte zwischen den flacheren Flanken dargestellt sind. Aus der Beschreibung ist erkennbar, dass man die flacheren Flanken mit dem Spalt gezeigt hat, um zu verdeutlichen, dass diese Flanken sich nicht berühren sollen. Demgegenüber sieht die EP 0 324 424 B1 vor, dass die längeren Flanken die Last tragenden sind, während die kürzeren Flanken entlastet sind. Zwischen den Last aufnehmenden und der keine Last aufnehmenden Flanke ist jeweils ein flacher Kammabschnitt vorgesehen, um so zu vermeiden, dass im Bereich der Grundabschnitte eine verringerte Tragwandstärke entsteht. Im Bereich der kürzeren Flanken entstehen Hohlräume, deren Funktion und Abmaße nicht erklärt sind, sodass auch hier davon auszugehen ist, dass damit deutlich gemacht wird, dass die Flanken sich nicht berühren, d. h. keine Laust aufnehmen sollen. Bei diesem Stand der Technik fehlen Hinweise auf eine Entlastung der steileren Flanken und die gezielte Schaffung von Hohlräumen im Bereich dieser steileren Flanken, um Verschmutzungen aufzunehmen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine im Koppelbereich durch Verschrauben und Lösen deutlich minderbelastete, hohe Stoß- und Torsionsbelastungen aufnehmende Gewindeverbindungen für Bohrstangen zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch ein Gewinde gemäß Anspruch 1 der Erfindung gelöst.
Solche Sägezahngewinde sind vom Prinzip her bekannt, doch bei derartigen Bohrstangen und Bohrgestängen unüblich. Aufgrund der hier gewählten leichten Konizität ist die Einbringung ausreichender Gewindegänge auch bei den geringen Wandstärken möglich. Die Sägezahngeometrie erleichtert das Lösen nach Abschluss der Bohrarbeiten und die hohe Steigung des Gewindes hält die beim Verschrauben auftretende axiale Verspannung und Flankenpressung vorteilhaft gering. Damit ist eine sehr leistungsfähige Gewindeverbindung geschaffen, die die beim Einbringen der Bohrung auftretenden hohen Kräfte sicher aufnehmen kann und dennoch die beim Lösen der einzelnen Bohrrohre benötigten Kräfte in Grenzen hält. An den muffenseitigen Flankenwinkeln und damit im nicht beanspruchten Bereich sind Toträume ausgebildet, die auch im verschraubten Zustand des Gewindes ausreichend Hohlraum für das gezielte Ablagern von Migrationen vorhaltend ausgeführt sind. Die Toträume weisen eine Breite oder einen Durchmesser von 1–4 mm auf. Die zapfenseitigen Flanken sind mit den zugeordneten Flanken des anderen Gewindes in Kontakt, sind somit die tragenden Flankenwinkel, während die muffenseitigen Flanken mit den Toträumen nicht belastet sind. Die Toträume sind vorgesehen, um die sich auf dem Gewinde zwangsweise ablagernden Verschmutzungen durch Sandkörner, Bohrklein, Zementrückstände usw. mit dem sie zum Teil aufnehmenden Fett aufzunehmen, wenn Zapfen und Buchse miteinander verschraubt werden. Können diese Verschmutzungen in die Toträume ”abgeschoben” werden, so kann es nicht zu den bisher immer wieder auftretenden Gewindefressern und starken Deformierungen der Gewindegeometrie kommen. Damit bleibt auch nach langen Standzeiten ein leichtgängiges Gewinde gewährleistet, weil die Verschmutzungen ohne jeden Einfluss bleiben. Sie werden gezielt in den Toträumen abgelagert, aus denen sie nach dem Wiederlösen des Bohrgestänges problemlos entfernt werden können. Aufgrund der Baustellengegebenheiten lässt es sich aber nicht vermeiden, dass die gefetteten Gewindeenden während der Lagerzeit und auch des Handlings Sandkörner, Bohrklein, Zementrückstände u. Ä. aufnehmen und dann eben mit in die Gewindeverbindung eintragen. Von daher wirkt sich diese erfindungsgemäße Ausbildung der Gewindeverbindung besonders vorteilhaft bei dem erwähnten Einsatzbereich in wasserführenden Horizonten und nicht standfesten Formationen besonders aus.
Es ist vorteilhaft wenn der zapfenseitige Flankenwinkel 0 bis 5° und der muffenseitige Flankenwinkel nahezu 45° betragend ausgebildet ist. Damit ist die schon angesprochene Sägezahngeometrie vorgegeben, wobei der zapfenseitige Flankenwinkel zweckmäßigerweise etwas über 0° und in Ausnahmefällen auch mal 10° betragen kann. Die jeweiligen Übergänge sind gerundet und erbringen so ein relativ leichtgängiges Gewinde.
Bei üblichen Bohrrohren werden die notwendigen Kräfte optimal übertragen, wenn das Gewinde als drei- bis siebengängiges Gewinde, vorzugsweise fünfgängiges Gewinde ausgebildet ist. Die notwendigen Kräfte können so sicher weitergeleitet werden, auch wenn Bohrungen von vielen Metern Länge hergestellt werden müssen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass den Toträumen am muffenseitigen Flankenwinkel zusätzliche Toträume zugeordnet sind. Dies hat unter anderem auch den Vorteil, dass die Herstellung des Gewindes völlig gleich ist, da praktisch an allen vorgesehenen Stellen der einzelnen Gewindegänge die Toträume und die zusätzlichen Toträume vorgegeben werden. Natürlich ist es auch möglich, nur einzelnen Gewindegängen solche Toträume zuzuordnen, wobei dies aber nicht einmal beim späteren Säubern des Gewindes Vorteile mit sich bringt. Es ist daher besonders vorteilhaft, wenn alle Gewindegänge Toträume aufweisen.
Die erwähnte Geometrie der Gewindeflanken bzw. der gesamten Gewindegänge bringt erhebliche Vorteile. Dabei ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die Gewindegänge bei kleinen, mittleren und großen Bohrdurchmessern eine gleiche Grundform aufweisen, sodass letztlich mit den gleichen Werkzeugen gearbeitet werden kann, wobei diese nur den unterschiedlichen Bohrdurchmessern entsprechend anzupassen sind.
Unter Berücksichtigung des Einsatzbereiches und der hier zu erwartenden Sorgfalt ist es gemäß der Erfindung vorteilhaft, wenn die Toträume einen Durchmesser oder eine Breite von 3 mm aufweisen. Da gemäß der Erfindung jedem Gewindegang ein solcher Totraum zugeordnet ist, können dann relativ große Mengen an Fett und Verschmutzungen ”abgelagert” werden, ohne dass eine Beeinträchtigung des Lösungsvorgangs oder aber auch der Festigkeit der Gewindeverbindung zu befürchten ist. Da das Fetten der Gewindeenden relativ schnell erfolgen muss und darauf auch nur wenig Sorgfalt verwendet werden kann, ist so die Möglichkeit gegeben, unabhängig von der jeweiligen Sorgfalt immer die gleichen Parameter vorzugeben, die bezüglich der Gewindeeigenschaften relevant sind.
Die vorliegende Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass durch die erfindungsgemäße Gewindeverbindung eine deutliche Minderbelastung der Bohrrohre durch Verschrauben und Lösen erreicht wird. Auch bei starker Verschmutzung der Gewinde kann die Gefahr von Fressern so stark gemindert bzw. gänzlich vermieden werden, dass die beim Lösen erforderlichen Lösemomente deutlich geringer als bisher sind. Diese Verringerung der Lösemomente entlastet die Klemm- und Brecheinrichtung des Bohrgerätes, sodass sowohl bezüglich dieser Klemm- und Brecheinrichtung wie auch der einzelnen Bohrrohre wesentlich bessere Standzeiten erreicht werden können. Da das häufig zeitaufwendige Lösen festsitzender Rohrverbindungen erheblichen Einfluss auf die Gesamtbohrzeit hat, kann bei Einsatz der erfindungsgemäßen Gewindeverbindung schneller, rationeller und deutlich kostengünstiger gearbeitet werden. Weiter ist als deutlicher Vorteil hervorzuheben, dass sich diese Gewindeverbindung für dünnwandige Rohre optimal eignet und bei kleinen, mittleren und großen Bohrdurchmessern sicher eingesetzt werden kann. Zu erwähnen ist weiter, dass die Gewinde von Muffen und Zapfen gleich ausgebildet sind und die erwähnten Toträume zur Aufnahme von Verschmutzungen und Fett so in das Gewinde eingearbeitet sind, dass Besonderheiten beim Gewinde nicht erforderlich sind bzw. nicht beachtet werden müssen. Damit wird auch die Herstellung derartiger Gewinde nicht belastet bzw. letztlich sogar erleichtert.
Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist. Es zeigen:
1 ein Bohrgestänge mit Gewindeverbindung im Längsschnitt,
2 ein Gewinde in vergrößerter Wiedergabe und
3 eine Gewindeverbindung mit Toträumen im Bereich der muffenseitigen Flankenwinkel.
Das Bohrgestänge 1 besteht aus mehreren Bohrrohren, die an einem Ende einen Zapfen 2 mit Außengewinde 3 und am anderen Ende eine Buchse 7 mit Innengewinde 8 aufweisen. 1 gibt den Verbindungsbereich zweier Bohrrohre wieder, wobei erkennbar ist, dass der Zapfen 2 entsprechend weit in die Buchse 7 eingeführt ist.
Das Außengewinde 3 ist zwischen der äußeren Schulter 4 und er Zapfenstirnfläche 5 ausgebildet, wobei ein Einführungsabschnitt 6 ohne entsprechenden Gewindegang vorgegeben ist.
Ähnlich ist auch bei der Buchse 7 das Innengewinde 8 zwischen der Buchsenstirnfläche 9 und der inneren Schulter 10 ausgebildet, wobei ein Gewinde freier Einführungsabschnitt 11 ebenfalls vorgegeben ist. An den muffenseitigen Flankenwinkeln 21 sind Toträume 24, 24', 24'', 24''', 24'''' ausgebildet, um eine Ablagerung oder besser gesagt eine Zwischenablagerung von im Fett gebundenen Sandkörnern, Bohrklein und Zementrückständen zu ermöglichen. Die gezeigten Toträume 24 weisen eine Breite 40 von 1–4 mm auf.
Das Außengewinde 3 und das Innengewinde 8 bilden das Gewinde 15 oder besser gesagt die Gewindeverbindung, die dafür sorgt, dass die einzelnen Teile des Bohrgestänges 1 wirksam miteinander verbunden sind, ohne dass das anschließende Wiederlösen zu großen Aufwand erfordert.
2 zeigt ein solches Gewinde 15 mit mehreren Gewindegängen 16, 17 und 18, wobei erkennbar ist, dass dieses Gewinde 15 ein sägezahnähnliches oder ein Sägezahngewinde ist. Dieses Gewinde 15 ist durch einen zapfenseitigen Flankenwinkel 20 von 0 bis 5° und einen muffenseitigen Flankenwinkel 21 von nahezu 45° gekennzeichnet. Außerdem weist das Gewinde 15 eine hohe Steigung auf, um die beim Schrauben auftretende axiale Verspannung und Flankenpressung gering zu halten.
Bei 3 ist angedeutet, dass die durch die Verschmutzungen und das Fett auftretenden Migrationen 25 vorzugsweise in Toträumen 24, 24', 24'', 24''', 24'''' gespeichert werden, die dem muffenseitigen Flankenwinkel 21 zugeordnet sind. Angedeutet sind außerdem Toträume 28 im Zwischenbereich zwischen zapfenseitigem Flankenwinkel 20 und muffenseitigem Flankenwinkel 21. Insbesondere bei der Ausbildung nach 3 kann es vorteilhaft sein, die zusätzlichen Toträume 28 vorzusehen, weil die aufzunehmenden Volumina wegen der Zuordnung zu den kurzen Flanken 21 kleiner sind, als sie bei einer Zuordnung zu den längeren Flanken 20 wären.
Mit 27 ist die Ganghöhe bezeichnet und mit 29 der Gewindefreiraum von 0,1 bis 0,3 mm, wie er zur Sicherung der Leichtgängigkeit vorgesehen ist.
Die Ganghöhe 27 von rund 2 mm wird durch ein entsprechendes Sägezahngewinde vorgegeben, bei dem die einzelnen Zähne ”abgeschnitten” sind.
Erkennbar ist in 2 sowie auch in 3, dass die entstehenden Kanten 30 dieses Gewindes abgerundet sind, wobei Radien von 0,5 bei einem dreigängigen bis fünfgängigen Gewinde von Vorteil sind.
Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen.

Claims

Bohrgestänge zur Herstellung von Bohrungen in nicht standfesten Formationen sowie stark wasserführenden Horizonten, insbesondere zum Überlagerungsbohren, mit Bohrstangen mit endseitigen Zapfen (2) mit Außengewinde (3) zwischen einer äußeren Schulter (4) und einer Zapfenstirnfläche (5) und gegenüberliegend endseitiger Buchse (7) mit einem Innengewinde (8) zwischen einer Buchsenstirnfläche (9) und einer inneren Schulter (10), wobei Außen- und Innengewinde (3, 8) mehrgängig und leicht konisch ausgebildet und mit einem gewindelosen Einführungsabschnitt (6, 11) ausgeführt sind und wobei dessen Gewindegänge (16, 17, 18) eine Sägezahngeometrie ergebend ausgeführt sind und eine hohe Steigung aufweisen und wobei an den muffenseitigen Flankenwinkeln (21) und damit im nicht beanspruchten Bereich Toträume (24) ausgebildet sind, die auch im verschraubten Zustand des Gewindes (15) ausreichend Hohlraum für das gezielte Ablagern von Migrationen (25) vorhaltend ausgeführt sind und dazu einen Durchmesser oder eine Breite (40) von 1 bis 4 mm aufweisen und wobei gleichzeitig die dem zapfenseitigen Flankenwinkel (20) zugeordneten Flanken beider Gewinde (3, 8) in Kontakt sind.
Bohrgestänge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Toträumen (24) am muffenseitigen Flankenwinkel (21) zusätzliche Toträume (28) zugeordnet sind.
Bohrgestänge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewinde (15) als fünfgängiges Gewinde ausgebildet ist.
Bahngestänge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Gewindegänge (16, 17, 18) Toträume (24) aufweisen.
Bohrgestänge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindegänge (16, 17, 18) bei kleinen, mittleren und großen Bohrdurchmessern eine gleiche Grundform aufweisen.
Bohrgestänge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Toträume (24) einen Durchmesser oder eine Breite (40) von 3 mm aufweisen.