DE10201225A1 - Schraubverbindung für ein Bohrgestänge - Google Patents

Abstract

Eine Schraubverbindung für ein mit einem Dreh- und Schubantrieb verbundenes Bohrgestänge besteht aus einer geschlitzten Gewindemuffe und einer Spannhülse zum Schließen der Gewindemuffe. Beim Schließen gleiten komplementäre kegelförmig verlaufende Spannflächen aufeinander und bewirken eine so feste Verbindung zwischen der Gewindemuffe und dem in die Gewindemuffe eingeschraubten Gewinde eines benachbarten Gestängeabschnitts, daß es im Betrieb trotz hoher überragener Drehmomente nicht zu einem Nachschrauben kommt und dennoch ein leichtes Lösen der Schraubverbindung möglich ist.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Schraubverbindung für ein Bohrgestänge, das aus einzelnen jeweils miteinander verschraubten Gestängeabschnitten besteht.
• Derartige Schraubverbindungen müssen in der Lage sein, hohe mechanische Leistungen zu übertragen und den beim Bohren im Erdreich auftretenden statischen, schwellenden und wechselnden Belastungen gewachsen sein. Diese Belastungen ergeben sich aus der Druckbeanspruchung beim Herstellen von Erdbohrungen, einer Zugbeanspruchung bei der Verwendung des Bohrgestänges mit einem Verdrängungskörper zum Aufweiten einer Pilotbohrung und zum Einziehen eines Produktrohrs. Hinzukommt die Torsionsbeanspruchung des Gestänges beim Übertragen des für das Bohren erforderlichen Drehmoments unter Berücksichtigung der mit zunehmendem Bohrfortschritt zunehmenden Erdreichreibung sowie hohe Biegebeanspruchungen beim Richtungsbohren. Handelt es sich um ein Hohlgestänge, durch das Spülflüssigkeit zum Bohrkopf geleitet werden soll, dann kommt hinzu, daß die Schraubverbindung auch hinreichend druckdicht sein muß.
• Die Zahl der Schraubverbindung eines Bohrgestänges hängt von dessen Länge und den örtlichen Gegebenheiten ab. Beim Bohren aus Startgruben bestimmt der Durchmesser der Startgrube die Länge der miteinander zu verschraubenden Gestängeabschnitte. Da Startgruben üblicherweise sehr eng sind und aus wirtschaftlichen Gründen auch sehr eng sein sollten, ist für eine bestimmte Bohrlänge eine entsprechend hohe Zahl von Gestängeabschnitten erforderlich, um die notwendige Gestängelänge bis zur Zielgrube zu erreichen.
• Schraubverbindungen haben sich an sich bewährt, erfordern jedoch einen erheblichen Zeitaufwand und ein hohes Anzugsmoment, um ein Nachschrauben bei der Drehmomentübertragung im Betrieb zu vermeiden. Ein solches Nachschrauben ist insbesondere dann mit Nachteilen verbunden, wenn der Bohrkopf mit einer Exzentrizität, beispielsweise einer Schrägfläche zum Richtungsbohren versehen ist, wie sie beispielsweise aus der US-Patentschrift 4 694 913 bekannt ist. Bei solchen Bohrköpfen muß sich die Lage der Schrägfläche im Erdreich antriebsseitig anhand der Winkellage des Gestänges feststellen lassen, sofern der Bohrkopf nicht mit einem die Rotationslage der Schrägfläche übertragenden Sender versehen ist.
• Die hohe Festigkeit der Schraubverbindung erfordert andererseits bei der Demontage des Gestänges in der Zielgrube oder auch - im Anschluß an ein Aufweiten - in der Startgrube einen entsprechend hohen Kraftaufwand beim Lösen, der häufig ein maschinelles Lösen erforderlich macht.
• Zwar kennt die Praxis auch formschlüssige Gestängeverbindungen, wie sie beispielsweise in der DE 196 08 980 C1 beschrieben sind. Solche Gestängeverbindungen besitzen jedoch ein insbesondere beim schlagenden Bohren nachteiliges axiales Spiel und eignen sich zumeist nicht für die Verwendung bei Hohlgestängen für einen Transport von Spülflüssigkeit zum Bohrkopf.
• Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine Gestängeverbindung zu schaffen, die verhältnismäßig geringe Anzugs- und Lösekräfte erfordert und sich gegebenenfalls auch für ein Hohlgestänge eignet.
• Die Lösung dieses Problems besteht in einer Schraubverbindung aus einer einmal oder mehrfach geschlitzten Gewindemuffe und einer Spannhülse, mit deren Hilfe sich die Muffe unter Verringerung der Schlitzbreite zusammenziehen bzw. radial stauchen läßt. Die Schraubverbindung eignet sich insbesondere zum Verbinden von Bohrgestängeabschnitten untereinander oder zum Verbinden eines Bohrgestänges mit einem Werkzeug oder mit dem Gestängeantrieb. Des weiteren lassen sich mit der erfindungsgemäßen Schraubverbindung auch die Teile eines mehrteiligen Werkzeugs miteinander verbinden.
• Der Schlitz kann achsparallel oder winklig zur Muffenlängsachse verlaufen. Die Länge des Schlitzes kann der Muffenbreite in Richtung der Längsachse entsprechen, so daß sich ein von einer Stirnseite zur anderen Stirnseite durchgehender Schlitz ergibt.
• Die Gewindemuffe und die Spannhülse besitzen vorzugsweise komplementäre, beispielsweise kegelförmig verlaufende Spannflächen, die beispielsweise mit Hilfe einer als Überwurfmutter mit einem Innengewinde ausgebildeten Spannhülse einer Relativbewegung unterliegen, die mit hohen, die Schlitzbreite bzw. den Muffendurchmesser verringernden Radialkräften verbunden sind.
• Um das Anziehen zu erleichtern, kann die Spannhülse mit Schlüsselflächen versehen sein.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:
• Fig. 1 einen Gestängeabschnitt mit einer erfindungsgemäßen geschlitzten Muffe in perspektivischer Darstellung,
• Fig. 2 die zugehörige Spannhülse,
• Fig. 3 einen axialen Schnitt durch die Spannhülse der Fig. 2,
• Fig. 4 einen axialen Schnitt durch eine zweiteilige Spannhülse,
• Fig. 5 einen axialen Schnitt durch den Gestängeabschnitt der Fig. 1,
• Fig. 6 eine perspektivische Darstellung der Schraubverbindung gemäß Fig. 1 mit der Spannhülse im montierten Zustand,
• Fig. 7 die komplette Schraubverbindung zwischen zwei Rohrenden in einem axialen Längsschnitt.
• Die Schraubverbindung besteht aus einer Muffe 1 am Ende eines Gestängeabschnitts 2 und besitzt zwei einander gegenüberliegende, beiderseits geschlossene Längsschlitze 3 sowie eine äußere Kegelfläche 4, deren kleiner Durchmesser in den Gestängeabschnitt 2 übergeht. Des weiteren ist die Muffe mit einem Innengewinde 5 versehen, in welches das Außengewinde eines anderen Rohrabschnitts eingeschraubt wird (vgl. Fig. 7). Der Rohrabschnitt 2 ist im Abstand von der Muffe 1 mit einem Außenwinde 6 versehen, dem ein Innengewinde 7 einer Spannhülse 8 entspricht, die im Innern mit einer bezüglich der äußeren Kegelfläche 4 der Muffe 1 komplementären bzw. zusammenwirkenden inneren Kegelfläche 9 sowie mit vier Schlüsselflächen 10 versehen ist.
• Die Spannhülse 8 braucht nicht einstückig zu sein, sondern kann gemäß Fig. 4 auch aus zwei Teilen bestehen, einem Gewindeteil 13 und einem Kegelflächenteil 14.
• Beim Herstellen der Schraubverbindung wird zunächst das Außengewinde 11 eines dem Gestängeabschnitt 2 benachbarten Gestängeabschnitts 12 in das Innengewinde der Muffe 1 geschraubt (Fig. 7). Dies geschieht mit erheblich geringerem Kraftaufwand als bei bekannten Schraubverbindungen, weil die das Ende des benachbarten Gestängeabschnitts 12 aufnehmende Muffe 1 infolge ihrer Schlitze 3 nachgiebig ist bzw. sich daher aufweiten kann. Dabei hängt die Elastizität der Muffe 1 von der Anzahl der Schlitze 3 ab. Im allgemeinen genügt jedoch ein einziger Schlitz, wenngleich mehrere Schlitze das Einschrauben und das Lösen erleichtern.
• Um trotz der durch die Längsschlitze 3 bedingten Nachgiebigkeit der Muffe 1 eine feste, insbesondere auch fluiddichte und allen mechanischen Beanspruchungen gewachsene Schraubverbindung zu gewährleisten, wird nach dem Einschrauben des benachbarten Gestängeabschnitts 12 in die Muffe 1 die auf das Außengewinde 6 des Gestängeabschnitts 2 geschraubte Spannhülse 8 mit Hilfe eines an den Schlüsselflächen 10 angreifenden Schlüssels in Richtung auf den benachbarten Gestängeabschnitt 12, d. h. in Fig. 6 nach links über die Muffe 1 geschoben, wobei die beiden komplementären Kegelflächen 4, 9 miteinander in Berührung kommen und zentripetale Kräfte wirksam werden, welche die Muffe 1 radial zusammenpressen und die Schraubverbindung gegen ein unbeabsichtigtes Lösen auch unter dem Einfluß starker Vibrationen sichern. Es liegt auf der Hand, daß das Aufschrauben der kurzen Spannhülse 8 weitaus weniger Kraft erfordert als das Herstellen einer herkömmlichen Schraubverbindung zwischen zwei Rohrabschnitten ohne die erfindungsgemäße geschlitzte Muffe 1.
• Bei der Verwendung einer zweiteiligen Spannhülse gemäß Fig. 4 schiebt der mit dem Innengewinde versehene Teil 13 das mit der inneren Kegelfläche versehene Teil 14 vor sich her auf die Muffe 1 bzw. auf deren äußere Kegelfläche 4.
• Insgesamt gewährleistet die Erfindung infolge des Zusammenwirkens der radial nachgiebigen Muffe und der Spannhülse eine allen Anforderungen gewachsenen Schraubverbindung, die sich mit geringem Kraftaufwand, beispielsweise von nur noch 25% herstellen und auch lösen läßt.

Claims (13)

1. Schraubverbindung für ein Bohrgestänge oder ein Werkzeug (2, 12), gekennzeichnet durch eine geschlitzte Muffe (1) und eine die Muffe übergreifende Spannhülse (8).

2. Schraubverbindung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen einseitig offenen Längsschlitz (3).

3. Schraubverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindemuffe (1) und die Spannhülse (8) mit komplementären Spannflächen (4, 9) versehen sind.

4. Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannhülse mit einem Innengewinde versehen ist.

5. Schraubverbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengewinde (7) mit einem komplementären Außengewinde (6) am Gestängeabschnitt (2) zusammenwirkt.

6. Schraubverbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Außengewinde (6) im Abstand von der Gewindemuffe (1) angeordnet ist.

7. Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannflächen (4, 9) als Kegelflächen ausgebildet sind.

8. Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannflächen als Zylinderflächen ausgebildet sind.

9. Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannhülse (8) zweiteilig ausgebildet ist und aus einem mit einem Innengewinde (7) versehenen Teil (13) und einem mit der inneren Kegelfläche (9) versehenen Teil (14) steht.

10. Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannhülse (8) mit Schlüsselflächen (10) versehen ist.

11. Bohrgestänge mit einer Schraubverbindung (1, 8) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.

12. Werkzeug mit einer Schraubverbindung (1, 8) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.

13. Verwendung eines Bohrgestänges nach Anspruch 11 für ein Bohrgerät mit einem Dreh- und Schubantrieb.