KR100743203B1

KR100743203B1 - 나사조인트 및 록드릴요소

Info

Publication number: KR100743203B1
Application number: KR1020027011360A
Authority: KR
Inventors: 린덴요한
Original assignee: 산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
Priority date: 2000-03-02
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2007-07-27
Also published as: MXPA02008332A; PL358010A1; RU2247219C2; ATE296393T1; AU3628701A; SE0000701L; CN1408046A; KR20020086592A; ZA200205332B; US6334493B2; CA2397154A1; CA2397154C; RU2002122739A; SE0000701D0; DE60111024D1; SE515195C2; WO2001065058A1; JP2003525373A; EP1259703B1; NO20024151D0

Abstract

본 발명은 충격 드릴링용 나사조인트 및 드릴요소에 관한 것으로서, 세척수가 사용되고, 적어도 하나의 실질적으로 원통형인 수나사와 함께 실질적으로 원통형인 암나사(12)도 포함하는 나사조인트 및 드릴요소에 관한 것이다. 수나사는 제1드릴스트링구성요소와 일체부를 구성하기 위한 목적의 스피것(13)상에 제공된다. 나사(12)는 나사플랭크(16,17;18,19) 및 상기 플랭크들 사이에 제공되는 나사루트(20;21)를 포함한다. 원통형 수나사의 나사루트(20)는 원통형 암나사(12)의 관련 크레스트(22)로부터 실질적으로 떨어져 제공된다. 니켈, 크롬, 구리, 주석, 코발트, 티타늄 또는 그것의 합금과 같이 기반강(underlying steel) 보다 더욱 높은 전극전위를 갖는 적어도 하나의 재료층으로 원통형 수나사의 나사루트(20)를 코팅하면, 나사연결부에 대하여 증가된 수명의 길이를 얻을 수 있다.

Description

나사조인트 및 록드릴요소{THREAD JOINT AND ROCK DRILL ELEMENT}

기술분야

본 발명은 첨부된 독립청구항의 서문에 따른 록 드릴링용 나사조인트 및 드릴요소에 관한 것이다.

배경기술

록 충격 드릴링시, 드릴요소, 즉, 비트, 로드, 튜브, 슬리브 및 섕크어댑터에는 부식작용(corrosive attack)이 일어나기 쉽다. 이러한 현상은, 특히, 세척매체로 물이 사용되거나 환경이 습한 지하에서의 드릴링에서 일어난다. 부식작용은 최대응력을 받는 부분, 즉, 나사저부 및 나사 클리어런스에서 특히 심각하다. 충격파 및 굽힘하중에 의하여 야기되는 편진응력(pulsating stress)과 함께, 소위 부식피로가 발생한다. 이는 드릴요소 파손의 공통적인 이유이다.

최근에는, 저합금의 표피경화(case hardened) 강이 드릴요소에 흔히 사용된다. 그 이유는, 일반적으로, 나사부의 마멸 및 마모가 수명의 길이를 제한하고 있기 때문이다. 드릴머신 및 드릴요소가 보다 효율적이 되어감에 따라, 이들 문제들은 줄어들고 부식피로는 한정적인 인자가 되었다.

표피경화는 표면에 압축응력을 가하여, 기계부품의 피로에 대하여 소정의 효과를 제공한다. 그럼에도 불구하고, 저합금강에서의 부식에 대한 저항성은 불량하며, 그러한 이유로 부식피로는 여전히 쉽게 발생한다.

미국특허출원 제4872515호 또는 제5064004호에서는, 나사부에 드릴요소의 강보다 더욱 연질의 금속재료가 제공되는 드릴요소를 제시하고 있다. 이는 다른 나사연결부와 상호작동하는 드릴요소의 나사의 적어도 일부를 피복하여(cover) 나사에서의 피팅의 문제를 해결하려는 목적이다.

본 발명의 목적

본 발명의 일 목적은 충격식 록 드릴링용 드릴요소의 부식피로에 대한 저항을 실질적으로 향상시키는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 충격식 록 드릴링용 드릴요소의 단면감소부의 부식피로에 대한 저항을 실질적으로 개선시키는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 충격식 록 드릴링용 드릴요소의 나사부의 나사루트에서의 부식피로에 대한 저항을 실질적으로 개선시키는 것이다.

도면의 간단한 설명

도 1은 부분적으로는 단면도로서, 본 발명에 따른 드릴요소의 측면도,

도 2는 드릴요소 일 끝단부의 측면도,

도 3은 상기 끝단부의 축선방향 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 나사조인트의 일 실시예의 축선방향 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 나사조인트의 대안적 실시예의 축선방향 단면도,

도 6은 본 발명에 따른 드릴요소의 대안적 실시예의 축선방향 단면도이다.

발명의 상세한 설명

도 1 내지 도 4에 나타낸 충격식 드릴링용 드릴요소, 즉, 제1드릴스트링요소(10)는 드릴튜브이며 일 끝단부에 원통형암나사, 즉, 원통형내부나사(12)를 구비한 암요소부(11) 또는 슬리브부가 제공된다. 암요소부(11)는 드릴튜브(10)와 일체로 되어 있다. 드릴튜브(10)의 다른 끝단부에는 원통형 수나사, 즉, 원통형외부나사(14)가 제공된, 본 발명에 따른 스피것 또는 수요소부(13)가 형성되어 있다. 이러한 나사를 소위 사다리꼴 나사라 칭하나 다른 나사형태로는, 예를 들어, 로프나사(rope thread)가 사용될 수도 있다. 또한, 드릴요소는 통상적으로 공기나 물인 세척매체가 전달되는 세척용관통채널(through-going flush channel)(15)을 구비한다. 수나사(14)는 나사플랭크(16, 17), 상기 플랭크들 사이에 배치된 나사루트(20)를 포함한다. 암나사(12)는 나사플랭크(18, 19) 및 상기 플랭크들 사이에 배치된 나사루트(21)를 포함한다. 도 4에 따른 체결된 상태의 조인트에서, 수나사(14)의 나사루트(20)는 암나사의 관련 크레스트(crest)(22)로부터 실질적으로 떨어진 거리에 제공된다.

본 발명에 따르면, 수요소부의 드릴요소의 나사루트(20)에는 적어도 하나의 표면개질용 부식보호층으로 구성된 코팅이 제공된다. 가장 많이 노출되는 부분, 즉, 나사루트(20), 제한부(restriction)(24) 및 클리어런스와 같은 단면감소부를 갖는 부분만 코팅된다. 최대 층두께는 0.002mm 내지 5mm, 바람직하게는 0.02mm 내지 2mm이다. 나사루트는 제1폭(W1)을 갖고, 나사 크레스트(23) 및 나사플랭크(16, 17)의 비코팅부는 제2폭(W2)(도 3)을 가지며, 여기서, W1/W2의 비는 0.02 내지 1.2, 바람직하게는 0.3 내지 0.8이다. 예를 들어, 로프나사(R35)는 5mm 두께의 코팅(W1)으로 피복된다. 나사피치는 12.7mm이며, 여기서 W2=12.7-5=7.7 및 W1/W2=0.65가 얻어진다.

본 발명에 따른 드릴요소의 코팅부의 상기 부식보호층은 지지(carrying) 또는 기반(underlying) 강보다 양전성(electro-positive)이고, 상기 층은 실제환경에서, 보다 양극의 전위, 적어도 50mV, 바람직하게는 적어도 100mV 및 가장 바람직하게는 적어도 250mV를 가지며, 따라서, 부식작용에 대하여 더욱 큰 저항을 갖는다. 이러한 보호재료의 예로는 니켈, 크롬, 구리, 주석, 코발트 및 티타늄과 이들의 합금이 있으며, 바람직하게는 내식강 또는 구리나 니켈계 합금을 들 수 있다. 나머지층은 코팅부와 강 사이의 결합성을 증가시키기 위하여 바인더층으로 구성될 수 있다.

예를 들어, 용융도금(hot dipping), 화학 또는 전해도금, 용사(thermal spraying), 용접(바람직하게는 레이저에 의한 용접)을 상기 층에 적용하는, 여러 상이한 코팅법이 이용될 수 있다. 나사루트, 제한부 또는 클리어런스와 같은 단면감소부의 소정범위를 초과하여 코팅되는 경우에, 불필요하게 코팅된 부분은 사용전에 기계가공을 하거나 단기간의 사용후 마모를 통하여 제거된다. 이는 후자의 경우, 충격(impact) 전달면을 코팅하는 것은 이롭지 않다는 것을 의미한다. 독립청구항에서는, 결과적으로 "단면감소부를 갖는 부분 중 적어도 하나는, 부분적으로, 보다 높은 전극전위를 갖는 재료층을 포함한다"는 것을 나타내며, 여기서, "부분적으로"란 단어는, 또한, 충격전달면상의 가능층(possible layer)이 매우 빨리 마모되는 경우를 포함한다.

실시예

소위 긴 구멍의 프로덕션 드릴링(production drilling)시, 긴 스트링으로 연장되는 대략 2m의 긴 드릴튜브가 사용된다(도 1). 튜브의 주요부는 수나사(14)의 저부(20)이다(도 2). 세척수(flushing water) 및 편진인장응력은 종종 파괴를 초래하는 부식피로를 가져온다.

저합금강으로 된 6개의 튜브를 갖는, 도 3에 따른 수나사의 나사루트는 레이저용접에 의하여 최대 0.6mm 내지 0.9mm 두께로 된 층으로 피복되었다. 아래와 같은 전극전위 및 조성을 갖는 2개의 상이한 합금이 사용되었다.

	%C	%Cr	%Ni	%Mo	%Fe	%Co	전극전위 (mV)^*
Test 1-4	0.25	27	2.5	6	1	잔량	+200
Test 5-6	0.03	21.5	5	2.7	잔량	-	+100

*10℃ 해수에서의 근사값.

저합금강에 대한 해당값은 500mV이다.

6개의 튜브가 동일 드릴 스트링에서 14개의 종래 튜브들과 함께 지하 프로덕션 드릴링(production drilling)용 리그(rig)에서 사용되었으며, 파괴되거나 튜브가 마모되어 버릴때까지 드릴링되었다. 본 발명에 따른 각각의 튜브에 대하여 드릴링된 미터로 측정된 다음의 수명의 길이가 얻어졌다.

Test 1 751m

Test 2 881m

Test 3 >1003m

Test 4 >1003m

Test 5 892m

Test 6 1193m

test 3 및 4에 대하여 수명의 길이를 구할 때는 파괴가 일어나기도 전에 드릴스트링이 암석에 들러붙었기 때문에 파괴에 이를때까지 시험되지 못했다. 결과적으로 상술된 시험에 대한 평균 수명의 길이는 954m 였다. 종래 드릴튜브에 대한 통상적인 수명의 길이는 대략 500m이며, 이는 본 발명에 따른 드릴요소의 코팅이 타격(striking)의 개선, 즉, 수명의 길이를 거의 두배로 만드는 결과를 가져왔다는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 나사조인트의 대안적 실시예에서는, 암요소부(11')의 나사(12') 또한 강보다 더 높은 전극전위를 갖는 재료층으로 코팅된다. 결과적으로, 단면감소부의 암요소부(11')의 적어도 하나의 표면개질용 부식보호층으로 구성된 코팅이 제공된다. 최대 노출부, 즉, 나사루트(21'), 제한부 및 클리어런스와 같은 단면감소부만 코팅된다. 코팅에 대하여 상술된 바는 암요소부(11')에 실시되는 경우에도 적용된다.

본 발명에 따른 드릴요소의 대안적 실시예에서, 나사루트, 예를 들어, 사다리꼴 나사의 나사루트로부터 플랭크로의 한쪽(도 6에서 오른쪽으로) 또는 양쪽(좌측으로) 천이부 중 최대응력을 받는 부분, 즉, 드릴요소가 최소반경을 갖는 부분만 코팅된다(도 6).

결과적으로, 본 발명은, 부식피로에 대한 저항을 실질적으로 개선하기 위하여 제한적인 부분이 부식보호층으로 코팅된 충격 드릴링용 나사조인트 및 드릴요소에 관한 것이다. 상기 층은 나사플랭크의 연화 및 그 위에서의 퇴적을 피하기 위하 여 축선방향으로는 불연속적인 것이 바람직하다.

Claims

세척수가 사용되는 충격 드릴링을 위한 강으로 된 나사조인트로서, 단면감소부(20;21';24)와, 하나 이상의 원통형 수나사(14) 및 원통형 암나사(12;12')를 포함하며,

상기 수나사(14)는 제1드릴스트링구성요소(10)와 일체로 형성된 스피것(spigot; 13)상에 제공되고, 상기 암나사 및 수나사(12, 14;12', 14)는 나사플랭크(16, 17;18, 19)와 이 나사 플랭크들 사이에 제공된 나사루트(20;21;21')를 포함하고, 상기 원통형 수나사(14)의 나사루트(20)는 상기 원통형 암나사(12;12')의 관련 크레스트(creast; 22)로부터 실질적으로 이격되어 제공되는 나사조인트에 있어서,

상기 단면감소부(20;21';24) 중 적어도 하나는, 강보다 더 높은 전극전위를 갖는 재료층을 부분적으로 포함하고, 상기 층은 니켈, 크롬, 구리, 주석, 코발트, 티타늄 또는 그것의 합금으로부터 만들어지는 것을 특징으로 하는 나사조인트.
제1항에 있어서,

상기 재료층은 상기 암나사 및 수나사(14;12') 중 하나 이상의 나사루트(20;21')에만 만들어지고, 상기 나사루트는 제1폭(W1)을 가지고 상기 암나사 및 수나사 중 하나 이상의 크레스트는 제2폭(W2)을 가지며, 여기서, W1/W2의 비는 0.02 내지 1.2인 것을 특징으로 하는 나사조인트.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 재료층의 재료는 강보다 50mV 이상 더 높은 전극전위를 갖는 것을 특징으로 하는 나사조인트.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 재료층은 0.002mm 내지 5mm 범위의 최대 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 나사조인트.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 재료층은 용융도금(hot dipping), 화학 또는 전해도금, 용사(thermal spraying), 용접, 및 레이저에 의한 용접 중 하나의 코팅법에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 나사조인트.
세척수가 사용되는 제1항에 따른 유형의 충격 드릴링을 위한 나사조인트용 드릴요소로서, 상기 드릴요소는 단면감소부(20;24) 및 하나 이상의 원통형 수나사(14)를 포함하고, 상기 수나사(14)는 제1드릴스트링구성요소(10)와 일체로 형성된 스피것(13)상에 제공되고, 상기 나사(14)는 나사플랭크(16,17) 및 이 플랭크들 사이에 제공되는 나사루트(20)를 포함하고, 상기 원통형 수나사(14)의 나사루트(20)는 원통형 암나사(12)의 관련 크레스트(22)로부터 실질적으로 이격되는 드릴요소에 있어서,

상기 단면감소부(20;24) 중 적어도 하나는, 강보다 더 높은 전극전위를 갖는 재료층을 부분적으로 포함하며, 상기 층은 니켈, 크롬, 구리, 주석, 코발트, 티타늄 또는 그것의 합금으로부터 만들어지는 것을 특징으로 하는 드릴요소.
제6항에 있어서,

상기 재료층은 상기 수나사(14)의 나사루트(20)에만 적용되며, 상기 나사루트는 제1폭(W1)을 가지고, 상기 수나사의 크레스트(23)는 제2폭(W2)을 가지며, 여기서, W1/W2의 비는 0.02 내지 1.2인 것을 특징으로 하는 드릴요소.
제6항 또는 제7항에 있어서,

상기 재료층의 재료는 강보다 50mV 이상 더 높은 전극전위를 갖는 것을 특징으로 하는 드릴요소.
제6항 또는 제7항에 있어서,

상기 재료층은 0.002mm 내지 5mm 범위의 최대 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 드릴요소.
제6항 또는 제7항에 있어서,

상기 재료층은 용융도금(hot dipping), 화학 또는 전해도금, 용사(thermal spraying), 용접, 및 레이저에 의한 용접 중 하나의 코팅법에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 드릴요소.
제2항에 있어서,

상기 W1/W2의 비는 0.3 내지 0.8인 것을 특징으로 하는 나사조인트.
제3항에 있어서,

상기 재료층의 재료는 강보다 100mV 이상 더 높은 전극전위를 갖는 것을 특징으로 하는 나사조인트.
제3항에 있어서,

상기 재료층의 재료는 강보다 250mV 이상 더 높은 전극전위를 갖는 것을 특징으로 하는 나사조인트.
제4항에 있어서,

상기 재료층은 0.02mm 내지 2mm 범위의 최대 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 나사조인트.
제7항에 있어서,

상기 W1/W2의 비는 0.3 내지 0.8인 것을 특징으로 하는 드릴요소.
제8항에 있어서,

상기 재료층의 재료는 강보다 100mV 이상 더 높은 전극전위를 갖는 것을 특징으로 하는 드릴요소.
제8항에 있어서,

상기 재료층의 재료는 강보다 250mV 이상 더 높은 전극전위를 갖는 것을 특징으로 하는 드릴요소.
제9항에 있어서,

상기 재료층은 0.02mm 내지 2mm 범위의 최대 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 드릴요소.