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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schraubverbindung zum
Aufstecken durch endseitiges Verschrauben von Elementen eines
Bohrgestänges, von denen das eine an wenigstens einem Ende mit
einem paternellen, konischen, helixförmigen Gewinde versehen ist,
das einen Konus-Öffnungswinkel zwischen 1 und 3º aufweist, wobei
ein trapezförmiger oder runder Gewindegang mit einer konstanten
Ganghöhe eine Neigung der abnehmenden Schraubenlinie bestimmt,
und von denen das andere mit einem entsprechenden maternellen,
konischen, helixförmigen Gewinde versehen ist, das einen
doppelten Verschraubungsanschlag, einen Stand-off und ein
Verhältnis zwischen dem Öffnungswinkel des Konus und dem
Neigungswinkel der Schraubenlinie am Eingang des Gewindes größer
als 0,3 und kleiner als 2 aufweist.
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Es ist unerläßlich, daß die Widerstandskraft eines Bohrgewindes
wenigstens den statischen und dynamischen Belastungen des
Gestängezuges im Bohrloch und den zusätzlichen, beim Arbeiten
geforderten Beanspruchungen entspricht.
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Daher ermöglicht die Kenntnis des Sicherheitskoeffizienten bei
der Bergung des Gestängezuges, den Gewindegang bis zu seiner
äußersten Grenze ohne Störung auszunutzen.
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Die aktuellen Bohrungen können eine Tiefe von 14 000 m erreichen.
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Die vorliegende Erfindung schlägt ein Gewinde vor, das besser den
oben genannten Anforderungen entspricht, indem sie insbesondere
bessere Leistungen beim Drehmoment, Druck, Schub und Ermüdung bei
einfachen und kombinierten Belastungen aufweist.
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Das Auftreten bei Bohrmaschinen von neuen Schneidwerkzeugen, wie
diamantbesetzte Scheiben oder polykristalline, diamantbesetzte
Schnittelemente hat zur Verwendung von leistungsstärkeren
Bohrtischen geführt, die höhere Drehmomente, sowohl in der Größe
als auch in den Drehgeschwindigkeiten, übertragen können,
und dies trotz der großen, durch die gesteuerten Bohrungen
erzeugten Abweichungen.
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Durch diese neuen Anforderungen werden den Bohrgestängen und
insbesondere den Schraubverbindungen extrem harte Belastungen
auferlegt, sowohl was die Höhe der Scher-, Torsions-, Zug-,
Biegungs- und Druckspannungen, als auch Ermüdungserscheinungen
des Gewindekörpers anbelangt.
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Wie in der europäischen Patentanmeldung Nr. 0153224 beschrieben,
werden gängigerweise bei Ölbohrungen Gestängeelemente verwendet,
die mit kegelstumpfartigem Gewinde versehen sind, das wenigstens
einen Schraubbegrenzungsanschlag aufweist, gegen den beim
Anziehen das Ende eines paternellen Elements anschlägt.
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Der zwischen dem Begrenzungsanschlag des paternellen, äußeren
Gewindes und dem Begrenzungsanschlag des maternellen, äußeren
Gewindes nach dem manuellen Anziehen des paternellen
Gewindeganges beobachtete Abstand bildet den Stand-off. Das Ende
des Gewindeganges ist gegebenenfalls mit einer
Entlastungsvertiefung versehen, die dazu bestimmt ist, die
Kraftlinien abzuleiten.
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Dieser Abstand ist so bemessen, daß ein Überdrehen beim Anziehen
eine steife Verbindung liefert, ohne eine ständige Verformung,
und zwar weder im paternellen Ansatz noch im maternellen Element,
hervorzurufen.
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Ein Gewinde mit geringer Konizität ermöglicht einen großen Stand-
off in Bezug zum Konuswinkel.
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Die kegelstumpfartigen Gewinde des paternellen Elements und des
einen Stand-off aufweisenden, maternellen Elements wirken
versteifend. Dadurch, daß diese Elemente ineinander geschraubt
werden, werden radiale Belastungen auf der Höhe des Gewindes
ausgeübt, die dazu neigen, den Gewindedurchmesser des paternellen
Elements zu reduzieren und den Gewindedurchinesser des maternellen
Elements zu vergrößern. Verschiedene Faktoren beeinflussen das
Torsionsmoment, das man auf das Gestänge ausüben muß, um die
Schraubbegrenzungsanschläge in Kontakt zu bringen, beispielsweise
die zulässigen Betriebstoleranzen, die mechanischen Eigenschaften
des Schmiermittels und die Länge der Stand-offs.
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Durch das Dokument GB-A-2119044 ist eine Schraubverbindung zum
Aufstecken durch Schrauben am Ende von Elementen eines
Bohrgestänges bekannt. Ein erstes Element ist an einem Ende mit
einem paternellen, konischen, helixförmigen Gewinde versehen, das
einen Öffnungswinkel des Konus zwischen 1 und 3º und einen
Gewindegang mit konstanter Ganghöhe aufweist. Ein zweites Element
ist mit einem entsprechenden maternellen, konischen,
helixförmigen Gewinde ausgestattet. Die beiden paternellen und
maternellen Gewinde weisen einen doppelten
Verschraubungsanschlag, einen Stand-off und ein Verhältnis
zwischen dem Öffnungswinkel des Konus und dem Neigungswinkel der
Schraubenlinie am Eingang des Gewindes größer als 0,3 und kleiner
als 2 auf.
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Ein solches Gewinde weist nur eine einzige tote, nicht mit
Gewinde versehene Zone aufs die zwischen dem Anschlag und dem
letzten Gewindegang am Ende des paternellen Ansatzes liegt.
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Da keine tote, nicht mit Gewinde versehene Zone zwischen dem
Anschlag und dem letzten Gewindegang in der Einführungszone des
maternellen Ansatzes liegt und der Anschlag nicht geneigt ist,
kann die Bildung einer Verdickung der Einführungszone beim
Anziehen der Schraubverbindung nicht verhindert werden.
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Das empfohlene Anziehdrehmoment ist dasjenige, das die
Möglichkeit eröffnet, die Schraubbegrenzungsanschläge mit einem
gewünschten Druck gegeneinander zu führen.
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Diese bekannten, ebenso wie alle genormten heutzutage beim Bohren
zur Übertragung eines Moments verwendeten Gewinde berücksichtigen
einfach die vom A.P.I., American Petroleum Institute,
vorgegebenen Konzepte.
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Verschiedene Typen sind den Ölbohrern besonders bekannt, speziell
die Typen REGULAR, FULL HOLE und INTERNAL FLUSH, die etwa 4 bis 6
Gewindegänge pro Inch (T.P.I.) zählen. Sie widerstehen großen
Zugbelastungen und weisen einen einfachen Anschlag und einen
Konusöffnungswinkel von etwa 8 bis 15º sowie eine relativ geringe
Ganghöhe auf, die so gewählt ist, daß das Verhältnis des
Konusöffnungswinkels zum mittleren Neigungswinkel der
Schraubenlinie zwischen 8/1 und 18/1 beträgt. Diese API-genormten
Gewinde weisen den Nachteil auf, daß sie die
übertragungsbelastungen des Drehmoments auf einen
Materialabschnitt konzentrieren, dessen Länge zwei Ganghöhen
nicht übersteigt.
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Es ist anzumerken, daß bei den Öl- und Bergbaubohrungen auch
andere Gewinde existieren, insbesondere die bei Kernbohrern
verwendeten. Diese halten sich an die Empfehlungen der API, die
größtmögliche mit der Gestängestärke vereinbare Konizität und
eine relativ geringe Ganghöhe aufzuweisen. Um diese Empfehlung
der API zu wahren, haben die Konstrukteure Ganghöhen zwischen 6
und 8 TPI gewählt.
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Die von der API genormten Gewinde weisen ebenso wie die Gewinde
für Kernbohrer das wichtige Merkmal auf, daß sie untereinander
austauschbar sind. Soweit das kommerzielle Kriterium der
Austauschbarkeit überwiegt, ist es die einzige Möglichkeit, die
Widerstandsleistungen gegenüber einem Drehmoment eines
Standardgewindes zu erhöhen, einen Stahl zu wählen, der eine
bessere Widerstandskraft, d.h. eine höhere Elastizitätsgrenze und
eine höhere Bruchgrenze aufweist. Aber diese Wahl bringt nur eine
geringe Verbesserung und zieht als Folge eine Verringerung der
Dehnung und somit eine deutlich reduzierte Ermüdungsbeständigkeit
nach sich, d.h. in anderen Worten ausgedrückt, das Gestänge
akzeptiert geringere Abweichungen und wird eine kürzere
Lebensdauer haben.
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Die meisten Zerstörungen, die bei Gestängezügen mit API-Gewinde
unter harten Verwendungsbedingungen gemäß den neuen Bohrtechniken
festgestellt werden, liegen in unmittelbarer Nähe der
Schraubbegrenzungsanschläge und weisen eine der folgenden Formen
auf:
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1. Verdickung der Bohrzone des inaternellen Elements in der Nähe
des äußeren Anschlags und gleichzeitige ringförmige
Verstärkung des paternellen Ansatzes durch Kriechen;
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2. reine Bruchstelle vom zerbrechlichen Typ des Körpers des
paternellen Ansatzes auf Höhe des letzten Schraubenganges
oder der an diesen Schraubengang angrenzenden Bohrzone und
am äußeren Anschlag;
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3. reine Bruchstelle der Hülse des maternellen Elements auf der
Höhe des Eingangs-Schraubenganges des Gewindes, oder des an
den äußeren Anschlag angrenzenden, ausgebohrten Röhrenteils;
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4. reine Bruchstelle des paternellen Ansatzes auf der Höhe des
Gewindeanfangs;
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5. reine Bruchstelle des maternellen Elements auf der Höhe der
ausgebohrten Zone am Gewindeboden;
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6. Verformung der Gewindegangböden, hervorgerufen durch
übermäßige Spannungen oder Ermüdung.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, den oben genannten
Nachteilen abzuhelfen. Zu diesem Zweck offenbart sie eine
konische Schraubverbindung der im ersten Absatz dieses Dokuments
genannten Art. Diese Verbindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
der doppelte Verschraubungsanschlag kegelstumpfartig ist, und daß
die Entlastungsvertiefungen in den nicht mit Gewinde versehenen,
toten Zonen vorgesehen sind.
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Diese konische Schraubverbindung besitzt unerwartete Leistungen.
Der Gewinn an Torsionsfestigkeit resultiert aus dem Vorhandensein
einer doppelten toten Zone, d.h. eine an jedem Ende des Gewindes,
und aus der Konizität der Anschläge, die eine Verdickung des
maternellen Elements unter der Anziehwirkung verhindert.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung umfaßt die
nicht mit Gewinde versehene, tote Zone zwischen dem Anschlag und
dem letzten Gewindegang eine Ausdehnung wenigstens gleich einem
Abstand von zwei Ganghöhen.
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Ebenso umfaßt die nicht mit Gewinde versehene Einführungszone
zwischen dem Anschlag und dem ersten Gewindegang auch einen
Abstand von zwei Ganghöhen.
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Es wird darauf geachtet, daß der Tangens der Schraubenlinie
kleiner ist als der Reibungskoeffizient 0,08, der im allgemeinen
vom American Petroleum Institute API nahegelegt wird, um die
Nichtlösbarkeit der Teile zu gewährleisten und den zulässigen
Wert des Anziehdrehmoments der Verbindungsstelle zu vergrößern.
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Die Erfindung beruht auf der Tatsache, daß bei einer Erhöhung der
Neigung des Gewindes auch der Beitrag des Gewindes bei der
Übertragung eines Drehmoments erhöht wird, da die Anschläge
weniger belastet werden.
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Durch eine Erhöhung der Neigung eines Gewindes läßt man ein
größeres Materialvolumen für ein gegebenes Gewindeprofil
arbeiten.
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Die inneren und äußeren Profile der Gewindegänge umfassen einen
Scheitel und einen Schraubengangboden, die einen
Versteifungseffekt beim Schrauben bewirken, und in einem Winkel
geneigte Flanken, der so gewählt ist, daß dem Anziehdrehmoment
ein Gegenmoment entgegengesetzt wird und auf die gesamte Länge
des Gewindes eine Druckvorspannung bewirkt wird, die die
Ermüdungserscheinungen verhindert.
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Diese und andere Besonderheiten und Details der Erfindung ergeben
sich im Laufe der folgenden genauen Beschreibung unter Bezugnahme
auf die folgende Zeichnung, die eine besondere Ausführungsform
der Erfindung zeigt und als nicht beschränkendes Beispiel gilt.
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Bei diesen Zeichnungen
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ist Figur 1 ein Teillängsschnitt eines Elements eines
Bohrgestänges, das mit einem erfindungsgemäßen,
kegelstumpfartigen Gewinde mit einem einzigen Eingang versehen
ist und
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Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gewindes.
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Indem man sich von der vom API vorgegebenen Theorie entfernt hat
und einer den heutigen Anforderungen des Bohrens näher liegenden
Logik gefolgt ist, hat man mit derselben Stärke des Gestänges 1
ein Gewinde 2 geschaffen, das ein deutlich höheres Torsionsmoment
und einen ebenfalls höheren Widerstand gegen Ermüdung aufweist,
wobei die anderen Eigenschaften (Pull capacity, Dichtigkeit,
etc...) auf wenigstens gleich ihrem jetzigen Niveau gehalten
werden.
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Die erfindungsgemäßen Gewinde können Gewinde mit beliebigem
Profil sein, beispielsweise trapezförmig oder rund. Die
trapezförmigen Gewinde garantieren ein besseres Zentrieren durch
die Neigung der Seiten.
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Die Kombination eines kleinen Öffnungswinkels α und einer großen
Ganghöhe p in bezug auf den Durchmessers D des Gestänges 2
verhilft dem Gewinde zu unerwarteten, bezüglich des Gewichts der
Gestänge bemerkenswerten Leistungen.
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p/D = tg β
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β = 1 bis 3º
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Sie ermöglicht das Schrauben am Ende der Elemente der Gestänge
mit dem empfohlenen Anziehdrehmoment in nur zwei oder drei
Umdrehungen.
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Sie erlaubt es auch, Anschläge 3 mit einer Auflagefläche, die
genügt, um die Belastungen von großen Drücken aufzunehmen, zu
schaffen. Eine geringe Konusneigung ermöglicht ein besseres
Beherrschen der durch den Versteifungseffekt verursachten Drücke
des Stand-off, der auf die Flanken der Profile der Gewindegänge
drückt.
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Eine fachgerechte Wahl des Profils, das Flanken 4, einen
Schraubengangboden 5 und einen Scheitel 9 umfaßt, wie in Figur 1
gezeigt, ermöglicht es den Gewindegängen, sich mehr auf die
Flanken 4 und für bestimmte Anwendungen auf den Boden 5 der
Gewindegänge zu stützen. In der Tat wird auf die Oberseite des
Profils beim Schrauben ein Versteifungseffekt bewirkt, während
man Druckeffekte auf die Anschläge durch die Flanken des Profils
erzeugt. Die den Anschlägen entgegengesetzten Flanken 4 tragen so
dazu bei, das Anziehdrehmoment zu übertragen. Dieses
Anziehdrehmoment bewirkt über die gesamte Gewindelänge eine
Druckvorspannung, die die sich durch wiederholtes Biegen der
Gestänge ergebenden Ermüdungserscheinungen verhindert.
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So ist leicht zu verstehen, daß bei einem gleichen Drehmoment
eine große Ganghöhe eine geringere Belastung der Anschläge 3
ermöglicht.
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Durch die Kombination eines kleinen Öffnungswinkels α und einer
großen Ganghöhe können die härteren Leistungen erzielt werden,
die bei den heutigen Bohrungen verlangt werden.
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Außerdem hat die Wahl eines doppelten Anschlags 3, der auf beiden
Seiten des Gewindes hergestellt ist, in den Grenzen der von den
heutigen Werkzeugmaschinen gesicherten Bearbeitungsgenauigkeit
und der Gewindeelastizität zum Ziel, die Fläche der
Schraubbegrenzungsanschläge zu verdoppeln, um an erster Stelle
die mechanischen Leistungen von Gestängezügen, insbesondere das
von den Gestängezügen übertragene Drehmoment, nicht aber die
Undurchlässigkeit des Gestängezuges zu erhöhen.
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Durch die oben genannte Kombination eines Öffnungswinkels α im
Bereich von 1 bis 3º und einer Neigung der Schraubenlinie im
Bereich von 1 bis 3º am Eingang des Gewindes kann der Wert der
Torsionsfestigkeit erhöht werden durch fachgerechtere Verwendung
des für das Gewinde verfügbaren Materials und durch Verteilung
der Belastungen auf ein größeres Materialvolumen. So werden die
Leistungen von neuen erfindungsgemäßen Gewinden gegenüber den
bekannten Gewinden erhöht, und zwar in einem Verhältnis, das 270
% erreichen kann, wie durch das folgende Vergleichsbeispiel
gezeigt.
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Als Beispiel wird folgende Vergleichstabelle für ein neues
Gewinde 6 3/4 gegeben.
GENORMTES GEWINDE
NEUES GEWINDE
VERGLEICHSFAKTOR
eine einzige Öffnung
empfohlenes Anziehdrehmoment
Bruchmoment
Maximum Pull
=270 % des Genormten
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Diese Tabelle erlaubt eine Bewertung der neuen Leistungen. Die
Messungen sind das Ergebnis von Untersuchungen, die einen
Vergleich der Studie und der Versuche (Analysen durch finite
Elemente, Dehnungs- und Verformungsmeßgeräte...) ermöglichen. Die
genauesten und aussagefähigsten Messungen wurden auf einer
Drehmoment-Versuchsbank durchgeführt.
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Die Wahl einer nicht mit Gewinde versehenen Einführungszone 6 mit
einer Länge von wenigstens zwei Ganghöhen zwischen dem ersten
Gewindegang und dem Anschlag ermöglicht eine Erhöhung der auf
einem hohen Belastungspegel arbeitenden Stahlmenge, der große
dynamische Probleme und wesentliche ungewollte Blockierungen mit
sich bringt.
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Was die in der Einführungszone 6 und der nicht mit Gewinde
versehenen, toten Zone 7 und in den neben den Verbindungsstücken
liegenden Gestängen vorgesehenen Entlastungsvertiefungen 8, von
denen in den Figuren 1 und 2 nur eine gezeigt ist, anbelangt, so
ermöglichen sie ein Filtern der Ermüdungsbelastungen und den
Schutz des Gewindes, wenn sie fachgerecht bemessen sind.