KR20230145568A - 응력이 감소된 다운홀 관형부들을 연결하기 위한 커플링 - Google Patents

응력이 감소된 다운홀 관형부들을 연결하기 위한 커플링 Download PDF

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KR20230145568A
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토마스 얀손
안데르스 노르드베리
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산드빅 마이닝 앤드 컨스트럭션 툴스 에이비
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Abstract

다운홀 관형부들을 연결하기 위한 커플링으로서, 관형 본체; 암형 커플링 부분; 수형 커플링 부분; 및 상기 본체의 외부 표면 상에 형성된 수형 스크류 스레드, 및 상기 본체의 내부 표면 내에 형성된 암형 스크류 스레드 중 적어도 하나를 포함하고, 적어도 하나의 스레드는 정상부, 루트, 및 한 쌍의 플랭크들을 포함하는 스레드-형태를 가지고, 상기 정상부 및 상기 루트는 상기 스레드-형태의 전체 길이를 따라서 각각의 제 1 캠버 반경 및 제 2 캠버 반경 (Rb, Rb-T) 을 중심으로 각각 캠버링되고, 각각의 캠버 반경 (Rb, Rb-T) 은 커플링의 외경보다 크고; 상기 수형 스크류 스레드는 캠버 반경 (Rbm) 을 가지고, 상기 암형 스크류 스레드는 캠버 반경 (Rbf) 을 가지며; 각각의 캠버 반경 (Rb, Rb-T) 은 700 ~ 1900 mm 사이인 것을 특징으로 한다.

Description

응력이 감소된 다운홀 관형부들을 연결하기 위한 커플링
본 발명은 일반적으로 드릴 스트링 커플링을 위한 캠버링된 스레드 (cambered thread) 에 관한 것으로, 특히 배타적이지는 않지만, 타격 암석 드릴링에 활용되는 드릴 스트링에 관한 것이다.
EP 1 511 911/US 8,066,307 은, 드릴 스트링을 형성하기 위해 함께 결합되는 요소들 상에 수형 스크류 스레드 및 암형 스크류 스레드를 포함하는 타격 암석 드릴링을 위한 드릴 런 또는 드릴 스트링을 위한 스크류 조인트를 개시하고, 수형 스레드 및 암형 스레드는 사다리꼴 형상을 갖고; 스레드들은 7 도 보다 작은 원뿔 각도를 갖는 스레드들의 길이를 따라 원뿔형 경사를 갖고, 스레드들의 플랭크들과 스레드들의 정점들과 접선인 라인 사이의 플랭크 각도는 45 도보다 작은 것을 특징으로 한다.
US 4121862 는 스레드의 입구 및 출구에서 테이퍼진 피치 직경들을 갖는 관형 연결부를 개시한다. US 2006/118340 은 사다리꼴 형상 및 약간의 원뿔형 경사를 갖는 스크류 조인트를 개시한다.
EP '911 특허의 원뿔형 스레드는, 그 길이에 걸쳐 균등하게 굽힘 하중을 분배하는데 최적이 아니거나, 원뿔형 스레드가 편리한 커플링 및 커플링해제 시간을 초래하지 않는다. EP '911 특허의 원뿔형 스레드의 내마모성은 개선을 위한 공간을 남긴다. EP 3536894 는 캠버링된 스레드를 개시하고, 이 스레드의 정상부 (crest) 및 루트 (root) 는 각각 스레드 형태의 전체 길이를 따라 각각의 제 1 캠버 반경 및 제 2 캠버 반경에 대해 캠버링되고, 각각의 캠버 반경은 커플링의 외경보다 크며, 이는 굽힘 하중을 받을 때 개선된 커플링 특성 및 강성을 제공한다. 그러나, 커플링에 감소된 응력 레벨을 제공하고, 조기 파손 위험이 감소되고, 수명이 증가될 필요가 있다.
본 발명은 일반적으로 드릴 스트링 커플링을 위한 캠버링된 스레드에 관한 것으로, 특히 배타적이지는 않지만, 타격 암석 드릴링에 활용되는 드릴 스트링에 관한 것이다.
일 실시형태에서, 다운홀 관형부들을 연결하기 위한 커플링은: 관형 본체; 암형 커플링 부분; 수형 커플링 부분; 및 본체의 외부 표면상에 형성된 수형 스크류 스레드 및 본체의 내부 표면에 형성된 암형 스크류 스레드 중 적어도 하나를 포함한다. 적어도 하나의 스레드는 정상부, 루트, 및 한 쌍의 플랭크들을 포함하는 스레드 형태를 가진다. 정상부 및 루트는 각각 각각의 제 1 캠버 반경 및 제 2 캠버 반경에 대해 캠버링된다. 각각의 캠버 반경은 커플링의 외경보다 크고, 각각의 캠버 반경 (Rb, Rb-T) 은 700 ~ 1900 mm, 바람직하게는 800 ~ 1700 mm, 더 바람직하게는 900 ~ 1500 mm, 훨씬 더 바람직하게는 1050 ~ 1400 mm, 훨씬 더 바람직하게는 1100 ~ 1300 mm 인 것을 특징으로 한다.
유리하게는, 이는 응력이 스레드의 길이를 따라 평균만큼 가능한 낮게 감소되는 나사가공된 커플링을 제공한다. 결과적으로, 굽혀지는 동안 접촉 압력의 균일한 분포로 인해 스레드의 길이를 따른 마모가 더 균일하게 발생하여 조기 파괴가 감소될 수 있다. 반경이 너무 작으면 응력 집중이 너무 커져서 조기 파괴/감소된 공구 수명이 초래되고, 캠버가 너무 작으면 드릴링하는 동안 함께 유지하기에 충분히 조밀하게 스레드들을 커플링하지 않을 것이다.
바람직하게는, 수형 스크류 스레드는 캠버 반경 (Rbm) 을 갖고, 암형 스크류 스레드는 캠버 반경 (Rbf) 을 갖고, 수형 스크류 스레드 캠버 반경 대 암형 스크류 스레드 캠버 반경의 비 (Rbm/Rbf) 는 1.0 초과 및 1.1 이하, 바람직하게는 1.01 내지 1.05, 더욱 더 바람직하게는 1.01 내지 1.03 이다. 유리하게는, 이는 응력이 스레드의 길이를 따라 평균만큼 가능한 낮게 감소되는 나사가공된 커플링을 제공한다. 더욱이, 이 비 내에서, 응력은 스레드의 길이를 따라 가장 균일하게 분포되고, 국부화된 영역에서 높은 응력의 콘크리션 피크 (concretion peaks) 의 존재가 방지된다. 결과적으로, 스레드의 길이를 따른 마모는 더 균일하게 발생하고, 따라서 조기 파괴가 발생할 가능성이 더 적으며, 따라서 부분들의 수명이 증가된다.
실시형태의 일 양태에서, 각각의 플랭크는 직선이고, 각각의 플랭크는 각각의 원호에 의해 인접한 정상부 및/또는 루트에 연결된다.
본 실시형태의 다른 양태에서, 각각의 캠버 반경의 원호에 수직인 스레드 형태의 중심선은, 적어도 하나의 스레드의 시작에 인접한 예각이고 거의 수직인 제 1 각도만큼 커플링의 종축에 대해 경사지고 적어도 하나의 스레드의 단부에 인접한 제 2 각도만큼 경사지며, 제 2 각도는 제 1 각도보다 작다.
실시형태의 다른 양태에서, 각각의 캠버 반경은 커플링의 외경보다 적어도 5 배 더 크다. 실시형태의 다른 양태에서, 스레드 형태는 비대칭이다. 실시형태의 다른 양태에서, 스레드 형태는 사다리꼴이다. 실시형태의 다른 양태에서, 적어도 하나의 스레드의 스위프 각도는 1 도 내지 10 도 범위이다. 실시형태의 다른 양태에서, 루트와 정상부는 동심이다. 실시형태의 다른 양태에서, 루트의 원호 길이와 정상부의 원호 길이는 동일하다. 실시형태의 다른 양태에서, 루트의 원호 길이와 정상부의 원호 길이는 동일하지 않다.
실시형태의 다른 양태에서, 연결부는 암형 스레드를 갖는 암형 커플링 부분; 및 수형 스레드를 갖고 암형 스레드에 나사결합되는 수형 커플링 부분을 포함한다. 커플링이 압축 상태에 있을 때 플랭크 중 하나는 접촉 플랭크이고 다른 플랭크는 비접촉 플랭크이다. 각각의 플랭크는 직선이다. 각각의 스레드 형태는 각각의 캠버 반경의 원호에 수직인 중심선을 갖는다. 각각의 플랭크는 각각의 중심선에 대해 경사진 플랭크 각도를 갖는다. 각각의 접촉 플랭크 각도는 각각의 비접촉 플랭크 각도보다 더 크다.
선택적으로, 각각의 비접촉 플랭크 각도는 45 도 미만이다. EP '911 특허는 스레드 정점으로부터 측정되는 플랭크 각도를 규정하므로, EP '911 교시는 45 도보다 큰 플랭크 각도로 해석된다. 비접촉 플랭크 각도를 최소화하는 것은 커플링해제를 용이하게 하고 커플링해제 동안 충격파의 송신을 용이하게 한다.
실시형태의 다른 양태에서, 각각의 커플링은 금속 또는 합금으로 제조된다. 수형 커플링 부분은 외경부, 수형 스레드를 갖는 축경부, 및 이 두 부분을 연결하는 숄더를 가진다. 숄더는 암형 커플링 부분의 단부에 체결되어 금속 대 금속 시일을 형성한다.
실시형태의 다른 양태에서, 타격 드릴링을 위한 드릴 로드는, 로드 본체; 암형 스레드를 가지고 로드 본체의 제 1 단부에 용접된 암형 커플링 부분; 및 수형 스레드를 가지고 로드 본체의 제 2 단부에 용접된 수형 커플링 부분을 포함한다. 선택적으로, 커플링들의 외경은 5 내지 20 센티미터의 범위이고, 각각의 캠버 반경은 1 미터보다 크다.
실시형태의 다른 양태에서, 드릴 스트링은 드릴 본체를 포함한다.
본 발명의 특정 구현은 지금부터 첨부된 도면을 참조하여 그리고 단지 예로써 설명될 것이다
도 1 은 본 개시의 일 실시형태에 따른 수형 커플링 및 암형 커플링을 갖는 드릴 로드를 도시하며, 각각의 커플링은 캠버링된 스크류 스레드를 포함한다.
도 2a 는 캠버링된 스레드들을 설계하기 위한 캠버링된 나선을 도시한다. 도 2b 는 캠버링된 스레드들의 매개변수들을 도시한다.
도 3a ~ 도 3g 는 캠버링된 나선에 대한 공식을 도시한다.
도 4 는 수형 캠버링된 스레드의 프로파일을 도시한다.
도 5a 및 도 5b 는 도 4 의 일부들의 확대도이다.
도 6 은 암형 캠버링된 스레드의 프로파일을 도시한다.
도 7a 및 도 7b 는 도 6 의 일부들의 확대도이다.
도 8 은 함께 나사결합된 수형 커플링 및 암형 커플링을 도시한다.
도 9a ~ 도 9c 는 로드 케이스로 회전 굽힘을 이용한 Dang van 기준을 이용하여 캡처된 안전계수 이미지를 도시한다. 도 9a 는 캠버 반경이 바람직한 범위 내에 있을 때의 Dang van 기준을 나타내는 반면, 도 9b 및 도 9c 는 이 반경이 각각 바람직한 범위 위 및 아래에 있을 때의 Dang van 기준을 도시한다.
도 1 은 본 개시의 일 실시형태에 따른 암형 커플링 (2) 및 수형 커플링 (4) 을 갖는 드릴 로드 (1) 를 도시하며, 각각의 커플링은 각각의 캠버링된 스크류 스레드 (2t, 4t) 를 포함한다. 드릴 로드 (1) 는 금속 또는 합금, 예컨대 강으로 제조될 수 있다. 드릴 로드 (1) 는 또한 침탄 등에 의해 케이스 경화될 수 있다. 각각의 커플링 (2, 4) 은 드릴 로드 (1) 의 종방향 단부들을 형성하도록 중간 로드 본체 (3) 에 부착, 예컨대 용접 (5) 될 수 있다. 각각의 용접부 (5) 는 마찰 용접부와 같이 이음매가 없을 수 있다. 드릴 로드 (1) 는 관통 형성된 유동 보어를 가질 수 있다. 드릴 로드 (1) 는 6 미터의 길이를 가질 수 있다.
일 단부에 드릴 비트 그리고 타 단부에 섕크 어댑터와 함께 복수의 드릴 로드들 (1) 을 함께 나사결합함으로써 (도 8) 드릴 스트링 (미도시) 이 형성될 수 있다. 드릴 비트 및 섕크 어댑터는 캠버링된 스크류 스레드들 (2t, 4t) 중 하나를 또한 가질 수 있다. 드릴 스트링은 탑 해머 (미도시) 또는 다운홀 해머 (미도시) 와 함께 타격 암석 드릴링에 사용될 수 있다. 다운홀 해머가 사용되는 경우, 이 해머는 드릴 스트링의 일부로서 조립을 위해 캠버링된 스크류 스레드들 (2t, 4t) 각각을 가질 수 있다.
대안적으로, 드릴 로드 (1) 는 한 쌍의 수형 커플링 (4) 을 가질 수 있고, 한 쌍의 암형 커플링 (2) 을 갖는 슬리브 (미도시) 가 한 쌍의 드릴 로드를 함께 연결하는데 사용될 수 있다. 대안적으로, 캠버링된 스크류 스레드 (2t, 4t) 는, 오일필드 드릴 파이프, 오일필드 케이싱 또는 라이너, 오일필드 생산 튜빙, 또는 오일필드 서커 로드와 같은 다른 유형의 다운홀 관형부들을 연결하는데 사용될 수 있다.
수형 커플링 부분 (4) 은 로드 본체 (3) 의 하단부와의 연결을 위한 외경 상부, 외부 표면에 외부 수형 스레드 (4t) 를 가진 축경 하부, 및 상부와 하부를 연결하는 숄더 (4s) 를 갖는, 관형 본체를 가질 수 있다. 수형 커플링 부분의 상부는 그의 외부 표면에 형성된 복수의 렌치 플랫들을 가질 수 있다. 상부의 유동 보어는 노즐 및 목 (throat) 부분을 포함할 수 있다. 목은 숄더 (4s) 및 하부를 통해 연장될 수 있다.
암형 커플링 부분 (2) 은 로드 본체 (3) 의 상단부에의 연결을 위한 하부를 갖는 관형 본체를 가질 수 있다. 암형 커플링 부분 (2) 은 그의 유동 보어에 인접한 그의 내부 표면에 형성된 내부 암형 스레드 (2t) 를 가질 수 있다. 유동 보어는 다른 드릴 로드의 수형 커플링 부분 (4) 의 축경 하부를 수용하는 크기일 수 있다 (도 8). 수형 커플링 부분 (4) 은 숄더 (4s) 가 암형 커플링의 상단 (2p) 에 접할 때까지 암형 커플링 부분 (2) 에 나사결합될 수 있으며, 이로써 유동 보어를 격리하고 2 개의 드릴 로드들을 함께 체결하기 위한 금속 대 금속 시일을 생성한다. 암형 커플링 부분 (2) 의 유동 보어는 암형 스레드 (2t) 의 하단부에 인접하게 위치된 디퓨저를 포함할 수 있다.
대안적으로, 수형 커플링 부분 (4) 은 로드 본체 (3) 의 상단부에 연결될 수 있고, 암형 커플링 부분 (2) 은 로드 본체의 하단부에 연결될 수 있다. 이 대안에서, 수형 커플링 부분 (4) 의 노즐은 디퓨저일 것이고, 암형 커플링 부분 (2) 의 디퓨저는 노즐일 것이다.
도 2a 는 캠버링된 스레드들 (2t, 4t) 을 설계하기 위한 캠버링된 나선 (6) 을 도시한다. 도 2b 는 캠버링된 스레드들 (2t, 4t) 의 매개변수들을 도시한다. 도 3a ~ 도 3h 는 캠버링된 나선 (6) 에 대한 공식을 도시한다. 캠버링된 스레드들 (2t, 4t) 을 설계하기 위해, 시작 직경 (D0), 종료 직경 (D1) 및 (선형) 길이 (L) 와 같은 하나 이상의 스레드 매개변수들은 드릴 로드 (1) 의 치수들을 이용하여 특정될 수 있다. 일단 스레드 매개변수들이 특정되었다면, 도 3a 의 공식을 이용하여 캠버 반경 (Rb) 이 계산될 수 있다. 캠버 반경 (Rb) 은 중심점 (CP) 으로부터 연장될 수 있고, 수형 스레드 (4t) 의 정상부들 및 암형 스레드 (2t) 의 루트들을 규정할 수 있다. 스레드 매개변수들은 캠버 반경 (Rb) 이 커플링 부분들 (2, 4) 의 외경보다, 예컨대 5 배 또는 10 배 더 크도록 특정될 수 있다. 커플링 부분들 (2, 4) 의 외경은 5 내지 20 센티미터의 범위일 수 있고, 캠버 반경 (Rb) 은 1.05 미터 내지 1.7 미터의 범위와 같이, 1 미터보다 클 수 있다.
일단 캠버 반경 (Rb) 이 계산되었다면, 스위프 각도 (γ) 는 도 3b 의 공식을 이용하여 계산될 수 있다. 스위프 각도 (γ) 는 1 도 내지 10 도의 범위일 수 있다. 일단 스위프 각도 (γ) 가 계산되었다면, 캠버링된 나선 (6) 은 도 3c ~ 도 3g 의 파라메트릭 공식을 사용하여 생성될 수 있다. 캠버링된 나선 (6) 은 캠버링된 스레드들 (2t, 4t) 의 윤곽을 규정하는데 사용될 수 있다. 파라메트릭 공식에서, R(t) 는 드릴 로드 (1) 의 종축 (GL) 에 대한 캠버링된 나선의 반경방향 좌표일 수 있다. 도 3e ~ 도 3g 의 공식들의 규칙은 왼손잡이 스레드에 대해 네거티브 (도시됨) 일 수 있고 오른손잡이 스레드에 대해 포지티브일 수 있다.
암형 스레드 (2t) 및 수형 스레드 (4t) 는, 하나의 드릴 로드 (1) 의 수형 스레드가 다른 드릴 로드의 암형 스레드에 나사결합될 수 있도록 상보적일 수 있다 (도 8). 스레드들 (2t, 4t) 의 나사결합 및 나사해제를 용이하게 하기 위해, 수형 스레드 (4t) 및 암형 스레드 (2t) 는 서로 유사할 수 있지만 동일한 거울상은 아닐 수 있다. 전술한 설계 프로세스는 암형 스레드 (2t) 에 대해 한번 그리고 수형 스레드 (4t) 에 대해 다시 한번 수행될 수 있다. 암형 스레드 (2t) 와 수형 스레드 (4t) 각각은 두줄 스레드들일 수 있다.
나사가공된 커플링에서의 응력을 감소시키기 위해, 각각의 캠버 반경 (Rb, Rb-T) 는 700 ~ 1900 mm, 바람직하게는 800 ~ 1700 mm, 더 바람직하게는 900 ~ 1500 mm, 훨씬 더 바람직하게는 1050 ~ 1400 mm, 훨씬 더 바람직하게는 1100 ~ 1300 mm 이어야 한다.
바람직하게는, 수형 스레드 상의 캠버 반경 (Rbm) 대 암형 스레드 상의 캠버 반경 (Rbf) 의 비는 1.0 초과 1.1 이하, 바람직하게는 1.01 내지 1.05, 더욱 더 바람직하게는 1.01 내지 1.03 이어야 한다.
비가 1.0 이하이면, 제 1 수형 스레드 (20) 의 영역에 높은 응력 집중이 존재할 것이다. 비가 1.1 초과이면, 최단부 수형 스레드 (22) 의 영역에 높은 응력 집중이 존재할 것이다.
대안적으로, 캠버링된 스레드들 (2t, 4t) 은 오른손잡이 스레드일 수 있다. 대안적으로, 암형 스레드 (2t) 와 수형 스레드 (4t) 각각은 단일 스레드 또는 삼중 스레드일 수 있다.
도 4 는 수형 캠버링된 스레드 (4t) 의 프로파일 (7m) 을 도시한다. 도 5a 및 도 5b 는 도 4 의 일부들의 확대도들이다. 수형 스레드 (4t) 의 윤곽이 생성되면, 프로파일 (7m) 이 결정될 수 있다. 프로파일 (7m) 은 숄더 (4s) 로부터 스탠드오프 거리 (standoff distance) (X0) 에서 시작할 수 있다. 프로파일 (7m) 은 프로파일의 정상부가 종축 (GL) 에 평행한 축 (G1) 과 교차하고 단부 직경 (D1) 으로 오프셋되는 지점에서 종료될 수 있다. 스위프 각도 (γ) 는 시작부터 끝까지 프로파일 (7m) 의 아치형 연장부를 규정할 수 있고, 1 내지 10 도의 범위일 수 있다.
구체적으로 도 5a 를 참조하면, 프로파일 (7m) 의 스레드-형태는 제 1 정상부 (A1) 를 포함할 수 있다. 스레드-형태는 사다리꼴 형상일 수 있다. 제 1 정상부 (A1) 는 (외부) 캠버 반경 (Rb) 을 갖는 원호일 수 있으며, 제 2 원호 (A2) 로 연장될 수 있다. 중심선 (CL) 은 예각의 거의 수직인 제 1 각도 (δ0) 로 오프셋 축 (G1) 에 대해 경사질 수 있다. 제 2 원호 (A2) 는 외부 캠버 반경 (Rb) 의 1 퍼센트 미만의 반경을 가질 수 있다. 제 2 원호 (A2) 는 제 1 정상부 (A1) 로부터 비접촉 플랭크 (E1) 까지 연장될 수 있다. 제 2 원호 (A2) 는 제 1 정상부 (A1) 및 비접촉 플랭크 (E1) 에 접선일 수 있다.
비접촉 플랭크 (E1) 는 중심선 (CL) 에 대해 제 1 플랭크 각도 (α) 로 경사진 직선일 수 있다. 제 1 플랭크 각도 (α) 는 35 도 내지 55 도의 범위일 수 있거나, 또는 제 1 플랭크 각도는 45 도 미만일 수 있다. 비접촉 플랭크 (E1) 는 제 2 원호 (A2) 로부터 제 3 호 (A3) 로 연장될 수 있다. 제 3 원호 (A3) 는 외부 캠버 반경 (Rb) 의 1 퍼센트 미만의 반경을 가질 수 있다. 제 3 원호 (A3) 는 비접촉 플랭크 (E1) 로부터 제 1 루트 (A4) 로 연장될 수 있다. 제 3 원호 (A3) 는 비접촉 플랭크 (E1) 및 제 1 루트 (A4) 에 접선일 수 있다. 스레드-형태는 제 1 루트 (A4) 와 제 2 정상부 (A7) 사이의 높이 (T) 를 가질 수 있다. 제 1 루트 (A4) 는 내부 캠버 반경 (Rb-T) 을 갖는 원호일 수 있고, 제 3 원호 (A3) 로부터 제 5 원호 (A5) 까지 연장될 수 있다. 높이 (T) 는, 캠버 반경에 대해 위에서 논의된 바와 같이, 내부 캠버 반경 (Rb-T) 이 또한 수형 커플링 부분 (4) 의 외경보다 크도록, 외부 캠버 반경 (Rb) 의 1 퍼센트 미만일 수 있다. 제 1 루트 (A4) 는 제 1 정상부 (A1) 와 동심일 수 있다. 중심선 (CL) 은 각각의 캠버 반경 (Rb, Rb-T) 의 원호에 수직일 수 있다.
제 5 원호 (A5) 는 캠버 반경 (Rb) 의 1 퍼센트 미만의 반경을 가질 수 있다. 제 5 원호 (A5) 는 제 1 루트 (A4) 로부터 접촉 플랭크 (E2) 까지 연장될 수 있다. 제 5 원호 (A5) 는 제 1 루트 (A4) 및 접촉 플랭크 (E2) 에 접선일 수 있다. 접촉 플랭크 (E2) 는 중심선 (CL) 에 대해 제 2 플랭크 각도 (β) 로 경사진 직선일 수 있다. 제 2 플랭크 각도 (β) 는 40 내지 45 도 범위일 수 있다. 제 1 플랭크 각도 (α) 는 제 2 플랭크 각도 (β) 보다 작을 수 있고, 이에 따라 비대칭 스레드-형태를 초래할 수 있다. 접촉 플랭크 (E2) 는 제 5 원호 (A5) 로부터 제 6 원호 (A6) 로 연장될 수 있다. 제 6 원호 (A6) 는 접촉 플랭크 (E2) 로부터 제 2 정상부 (A7) 로 연장될 수 있다. 제 6 원호 (A6) 는 접촉 플랭크 (E2) 및 제 2 정상부 (A7) 에 접선일 수 있다. 제 2 정상부 (A7) 는 외부 캠버 반경 (Rb) 을 갖는 원호일 수 있다.
스레드-형태는 프로파일 (7m) 의 시작과 제 2 정상부 (A7) 의 중심 사이의 (원호 길이) 피치 (P) 를 가질 수 있다. 제 1 정상부 (A1) 는 제 2 정상부 (A7) 의 원호 길이의 절반과 동일할 수도 있는 원호 길이 (X1) 를 가질 수 있다. 제 1 루트 (A4) 는 또한 원호 길이 (X1) 의 2 배와 동일한 원호 길이를 가질 수 있다.
대안적으로, 정상부들 및 루트들은 상이한 원호 길이들을 가질 수 있다. 대안적으로, 제 2 플랭크 각도는 45 도 미만일 수 있다.
구체적으로 도 5b 를 참조하면, 각각의 캠버 반경 (Rb, Rb-T) 에 대한 프로파일 (7m) 의 캠버로 인해, 프로파일 (7m) 의 단부에 인접한 스레드-형태의 중심선 (CL) 은 제 1 각도 (δ0) 보다 작은 제 2 예각 (δ1) 에서 오프셋 축 (G1) 에 대해 경사질 수 있다.
도 6 은 암형 캠버링된 스레드 (2t) 의 프로파일 (7f) 을 도시한다. 도 7a 및 도 7b 는 도 6 의 일부들의 확대도들이다. 수형 스레드 (2t) 의 윤곽이 생성되었다면, 프로파일 (7f) 이 결정될 수 있다. 프로파일 (7f) 은 상단 (2p) 으로부터 스탠드오프 거리 (X0) 에서 시작할 수 있다. 프로파일 (7f) 은 프로파일의 루트가 종축 (GL) 에 평행한 축 (G1) 과 교차하고 단부 직경 (D1) 으로 오프셋되는 지점에서 종료될 수 있다. 암형 프로파일 (7f) 의 스탠드오프 거리 (X0) 는 수형 프로파일 (7m) 의 스탠드오프 거리와 약간 상이할 수 있다. 스위프 각도 (γ) 는 시작부터 끝까지 프로파일 (7f) 의 아치형 연장부를 규정할 수 있고, 1 내지 10 도의 범위일 수 있다.
구체적으로 도 7a 를 참조하면, 프로파일 (7f) 의 스레드-형태는 제 1 루트 (A1) 를 포함할 수 있다. 스레드-형태는 사다리꼴 형상일 수 있다. 제 1 루트 (A1) 는 외부 캠버 반경 (Rb) 을 갖는 원호일 수 있으며, 제 2 원호 (A2) 로 연장될 수 있다. 암형 프로파일 (7f) 의 외부 캠버 반경 (Rb) 은 수형 프로파일 (7m) 의 외부 캠버 반경과 약간 상이할 수 있다. 중심선 (CL) 은 예각의 거의 수직인 제 1 각도 (δ0) 로 오프셋 축 (G1) 에 대해 경사질 수 있다. 제 2 원호 (A2) 는 외부 캠버 반경 (Rb) 의 1 퍼센트 미만의 반경을 가질 수 있다. 제 2 원호 (A2) 는 제 1 루트 (A1) 로부터 비접촉 플랭크 (E1) 까지 연장될 수 있다. 제 2 원호 (A2) 는 제 1 루트 (A1) 및 비접촉 플랭크 (E1) 에 접선일 수 있다. 비접촉 플랭크 (E1) 는 중심선 (CL) 에 대해 제 1 플랭크 각도 (α) 로 경사진 직선일 수 있다. 제 1 플랭크 각도 (α) 는 35 내지 55 도 범위일 수 있다.
비접촉 플랭크 (E1) 는 제 2 원호 (A2) 로부터 제 3 호 (A3) 로 연장될 수 있다. 제 3 원호 (A3) 는 외부 캠버 반경 (Rb) 의 1 퍼센트 미만의 반경을 가질 수 있다. 제 3 원호 (A3) 는 비접촉 플랭크 (E1) 로부터 제 1 정상부 (A4) 로 연장될 수 있다. 제 3 원호 (A3) 는 비접촉 플랭크 (E1) 및 제 1 정상부 (A4) 에 접선일 수 있다. 스레드-형태는 제 1 정상부 (A4) 와 제 2 루트 (A7) 사이의 높이 (T) 를 가질 수 있다. 제 1 정상부 (A4) 는 내부 캠버 반경 (Rb-T) 을 갖는 원호일 수 있고, 제 3 원호 (A3) 로부터 제 5 원호 (A5) 까지 연장될 수 있다. 암형 프로파일 (7f) 의 내부 캠버 반경 (Rb-T) 은 수형 프로파일 (7m) 의 내부 캠버 반경과 약간 상이할 수 있다. 제 1 정상부 (A4) 의 단부점들로부터 연장되는 한 쌍의 가상선들에 의해 도시된 바와 같이, 중심선 (CL) 은 제 1 정상부 (A4) 의 중간점을 통해 연장될 수 있다. 중심선 (CL) 은 각각의 캠버 반경 (Rb, Rb-T) 의 원호에 수직일 수 있다. 높이 (T) 는, 캠버 반경에 대해 위에서 논의된 바와 같이, 내부 캠버 반경 (Rb-T) 이 또한 암형 커플링 (2) 의 외경보다 크도록, 외부 캠버 반경 (Rb) 의 1 퍼센트 미만일 수 있다.
제 5 원호 (A5) 는 외부 캠버 반경 (Rb) 의 1 퍼센트 미만의 반경을 가질 수 있다. 제 5 원호 (A5) 는 제 1 정상부 (A4) 로부터 접촉 플랭크 (E2) 까지 연장될 수 있다. 제 5 원호 (A5) 는 제 1 정상부 (A4) 및 접촉 플랭크 (E2) 에 접선일 수 있다. 접촉 플랭크 (E2) 는 중심선 (CL) 에 대해 제 2 플랭크 각도 (β) 로 경사진 직선일 수 있다. 제 2 플랭크 각도 (β) 는 40 내지 45 도 범위일 수 있다. 제 1 플랭크 각도 (α) 는 제 2 플랭크 각도 (β) 보다 작을 수 있고, 이에 따라 비대칭 스레드-형태를 초래할 수 있다. 비대칭 스레드-형태는 중심선 (CL) 으로부터 오프셋된 지점에서 교차하는 플랭크들 (E1, E2) 의 돌출부에 의해 추가로 도시된다. 암형 프로파일 (7f) 의 제 2 플랭크 각도 (β) 는 수형 프로파일 (7m) 의 제 2 플랭크 각도와 약간 상이할 수 있다. 접촉 플랭크 (E2) 는 제 5 원호 (A5) 로부터 제 6 원호 (A6) 로 연장될 수 있다. 제 6 원호 (A6) 는 접촉 플랭크 (E2) 로부터 제 2 루트 (A7) 로 연장될 수 있다. 제 6 원호 (A6) 는 접촉 플랭크 (E2) 및 제 2 루트 (A7) 에 접선일 수 있다. 제 2 루트 (A7) 는 외부 캠버 반경 (Rb) 을 갖는 원호일 수 있다.
스레드-형태는 프로파일 (7m) 의 시작과 제 2 루트 (A7) 의 중심 사이의 (원호 길이) 피치 (P) 를 가질 수 있다. 제 1 루트 (A1) 는 제 2 루트 (A7) 의 원호 길이의 절반과 동일할 수도 있는 원호 길이 (X1) 를 가질 수 있다. 암형 프로파일 (7f) 의 원호 길이 (X1) 는 수형 프로파일 (7m) 의 원호 길이와 상이할 수 있다. 제 1 정상부 (A4) 는 또한 원호 길이 (X1) 의 2 배 미만의 길이를 가질 수 있다.
대안적으로, 루트들 및 정상부들은 동일한 원호 길이를 가질 수 있다.
구체적으로 도 7b 를 참조하면, 각각의 캠버 반경 (Rb, Rb-T) 에 대한 프로파일 (7m) 의 캠버로 인해, 프로파일 (7m) 의 단부에 인접한 스레드-형태의 중심선 (CL) 은 제 1 각도 (δ0) 보다 작은 제 2 예각 (δ1) 에서 오프셋 축 (G1) 에 대해 경사질 수 있다.
접촉 플랭크 (E2) 및 비접촉 플랭크 (E1) 에 대한 참조는 드릴 스트링이 압축 상태에 있을 때 드릴링의 내용을 위한 것이다. 드릴 스트링을 드릴링된 구멍으로부터 트리핑 (tripping) 하고 드릴 로드들을 나사해제할 때, 도 8 에 도시된 바와 같이, 드릴 스트링은 인장 상태에 있고, 접촉 플랭크들 (E2) 은 비접촉 플랭크들이 되고, 비접촉 플랭크들 (E1) 은 접촉 플랭크들이 된다.
도 8 은 함께 나사결합된 수형 커플링 부분 (4) 및 암형 커플링 부분 (2) 을 도시한다. 일단 스레드 프로파일들 (7m,f) 이 생성되었다면, 각각의 프로파일은 예를 들어 그의 절단 (truncation) 에 의해 각각의 캠버링된 스레드 (4t, 2t) 의 기하학적 구조를 생성하도록 적응될 수 있다. 종축 (GL) 을 따른 각각의 스레드 (2t, 4t) 의 캠버링된 곡률은 절두-오자이브 (frusto-ogive) 형상을 초래할 수 있다.
도 9a ~ 도 9c 는, 하기 표 1 에 기재된 바와 같이, 상이한 캠버 반경 크기를 갖는 커플링에 대한 로드 케이스로서 회전 굽힘을 갖는 Dang van 기준을 사용하여 캡처된 안전 계수 이미지들을 도시한다:
Figure pct00001
이미지들은 Dang van 기준을 사용하여 캡처되었다. LS-Dyna 에서의 암시적 분석을 이용하여 nCode 소프트웨어를 이용하여 Dang van 기준을 추출한다. Dang van 기준의 값이 감소함에 따라 고장 위험이 증가한다. 따라서, 더 어두운 색상은 고장에 대한 위험성이 더 높다는 것을 의미한다. 바람직한 범위 내에 있는 캠버 반경에 대해, Dang van 기준의 균형을 맞추고 전체 암형 스레드에서 높은 값에 도달하는 것이 가능하다. 9b 에서의 바람직한 범위보다 높은 반경 및 9c 에서의 바람직한 범위보다 낮은 반경 둘 모두에 대해, Dang van 기준의 균형을 맞출 수 없고, 더 낮은 값에 도달하여 더 높은 파괴 위험을 갖는다.

Claims (18)

  1. 다운홀 관형부들을 연결하기 위한 커플링으로서,
    관형 본체,
    암형 커플링 부분 (2),
    수형 커플링 부분 (4), 및
    상기 본체의 외부 표면 상에 형성된 수형 스크류 스레드 (4t), 및
    상기 본체의 내부 표면 내에 형성된 암형 스크류 스레드 (2t) 중 적어도 하나
    를 포함하고,
    적어도 하나의 스레드는 정상부 (A1, A4, A7), 루트 (A1, A4, A7), 및 한 쌍의 플랭크들 (E1, E2) 을 포함하는 스레드-형태를 가지고,
    상기 정상부 (A1, A4, A7) 및 상기 루트 (A1, A4, A7) 는 상기 스레드-형태의 전체 길이를 따라서 각각의 제 1 캠버 반경 및 제 2 캠버 반경 (Rb, Rb-T) 을 중심으로 각각 캠버링되고,
    각각의 캠버 반경 (Rb, Rb-T) 은 700 ~ 1900 mm 사이인 것을 특징으로 하는, 커플링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 캠버 반경 (Rb, Rb-T) 은 800 ~ 1700 mm 사이인, 커플링.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수형 스크류 스레드 (4t) 는 캠버 반경 (Rbm) 을 가지고, 상기 암형 스크류 스레드 (2t) 는 캠버 반경 (Rbf) 을 가지며, 상기 암형 스레드의 캠버 반경에 대한 상기 수형 스레드의 캠버 반경의 비 (Rbm/Rbf) 는 1.0 초과 1.1 이하인, 커플링.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 플랭크 (E1, E2) 는 직선이고,
    각각의 플랭크 (E1, E2) 는 각각의 원호 (A2, A3, A5 A6) 에 의해 인접한 정상부 (A1, A4, A7) 및/또는 루트 (A1, A4, A7) 에 연결되는, 커플링.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 캠버 반경 (Rb, Rb-T) 의 원호에 수직한 상기 스레드-형태의 중심선 (CL) 은, 상기 커플링의 종축 (GL) 에 대해, 적어도 하나의 스레드의 시작에 인접한 예각의 거의 수직인 제 1 각도 (δ0) 만큼 경사지고, 상기 적어도 하나의 스레드의 끝에 인접한 제 2 각도 (δ1) 만큼 경사지고,
    상기 제 2 각도 (δ1) 는 상기 제 1 각도 (δ0) 보다 작은, 커플링.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 캠버 반경 (Rb, Rb-T) 은 상기 커플링의 외경보다 적어도 5 배 더 큰, 커플링.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스레드-형태는 비대칭인, 커플링.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스레드-형태는 사다리꼴인, 커플링.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스레드의 스위프 각도 (γ) 는 1 과 10 도 사이의 범위에 있는, 커플링.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 루트 (A1, A4, A7) 및 상기 정상부 (A1, A4, A7) 는 동심인, 커플링.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 루트 (A1, A4, A7) 의 원호 길이 및 상기 정상부 (A1, A4, A7) 의 원호 길이는 동일한, 커플링.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 루트 (A1, A4, A7) 의 원호 길이 및 상기 정상부 (A1, A4, A7) 의 원호 길이는 동일하지 않은, 커플링.
  13. 연결부로서,
    암형 스레드 (2t) 를 가진 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 암형 커플링 부분 (2), 및
    수형 스레드 (4t) 를 가지고 상기 암형 스레드 (2t) 에 나사결합되는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 수형 커플링 부분 (4)
    을 포함하고,
    상기 암형 커플링 부분 (2) 및 상기 수형 커플링 부분 (4) 이 압축 상태에 있을 때, 플랭크들 (E1, E2) 중 하나의 플랭크는 접촉 플랭크 (E2) 이고 다른 플랭크는 비접촉 플랭크 (E1) 이며,
    각각의 플랭크는 직선이고,
    각각의 스레드-형태는 각각의 캠버 반경 (Rb, Rb-T) 각각의 원호에 수직인 중심선 (CL) 을 가지며,
    각각의 플랭크는 각각의 중심선에 대해 경사진 플랭크 각도 (α,β) 를 가지고,
    각각의 접촉 플랭크 각도 (β) 는 각각의 비접촉 플랭크 각도 (α) 보다 더 큰, 연결부.
  14. 제 13 항에 있어서,
    각각의 비접촉 플랭크 각도는 45 도 미만인, 연결부.
  15. 제 14 항에 있어서,
    각각의 커플링은 금속 또는 합금으로 제조되고,
    상기 수형 커플링 부분 (4) 은 외경부, 상기 수형 스레드를 갖는 축경부, 및 두 부분을 연결하는 숄더 (4s) 를 가지며,
    상기 숄더 (4s) 는 상기 암형 커플링 부분 (2) 의 단부 (2p) 에 결합되어 금속 대 금속 시일을 형성하는, 연결부.
  16. 타격 드릴링용 드릴 로드 (1) 로서,
    로드 본체 (3),
    암형 스레드 (2t) 를 가지고 상기 로드 본체 (3) 의 제 1 단부에 용접되는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 암형 커플링 부분 (2), 및
    수형 스레드 (4t) 를 가지고 상기 로드 본체 (3) 의 제 2 단부에 용접되는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 수형 커플링 부분 (4)
    을 포함하는, 드릴 로드.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 암형 커플링 부분 (2) 및 상기 수형 커플링 부분 (4) 의 외경은 5 와 20 센티미터 사이이고,
    각각의 캠버 반경 (Rb, Rb-T) 은 1 미터보다 큰, 드릴 로드.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 따른 드릴 로드 (1) 를 포함하는 드릴 스트링.
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