NO177545B

NO177545B - Thread joint for brush rod elements

Info

Publication number: NO177545B
Application number: NO882053A
Authority: NO
Inventors: Charles Pierre Hallez
Original assignee: Diamant Boart Stratabit Sa
Priority date: 1987-05-12
Filing date: 1988-05-11
Publication date: 1995-06-26
Also published as: NO882053L; EP0292464B1; NO177545C; DE3873414D1; DE3873414T2; NO882053D0; EP0292464A1

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en gjengeskjøt for sammenskruing av ender av borerør, hvor den ene del ved minst én ende er utformet med en utvendig, konisk spiral-skruegjenge med en konusvinkel mellom 1 og 3°, en trapesformet eller rundgjenge med konstant stigning som danner en avtakende skruelinje-hellningsvinkel, og hvor den andre del er utformet med en motsvarende, innvendig, konisk spiral-skruegjenge med et dobbeltskru-anslag, en klaring og et forhold mellom kjernens konusvinkel og skruelinjens hellningsvinkel ved begynnelsen av skruegjengen større enn 0,3 og mindre enn 2. The present invention relates to a threaded joint for screwing together ends of drill pipe, where one part at at least one end is designed with an external, conical spiral screw thread with a cone angle between 1 and 3°, a trapezoidal or round thread with a constant pitch that forms a decreasing helix pitch angle, and where the other part is designed with a corresponding, internal, conical spiral screw thread with a double screw stop, a clearance and a ratio between the cone angle of the core and the helix pitch angle at the start of the screw thread greater than 0.3 and less than 2.

Det er viktig at gjengeskjøter som anvendes ved boring, har en styrke som i det minste er anpasset til de statiske og dynamiske krefter som opptrer i borstrengen i hullet som bores og til de ekstrabelastninger som nødvendigvis oppstår under håndtering. It is important that threaded joints used in drilling have a strength that is at least adapted to the static and dynamic forces that occur in the drill string in the hole being drilled and to the extra loads that necessarily occur during handling.

Med kjent sikkerhetsfaktor kan således gjengene uten vanskelighet utnyttes til yttergrensen, ved opphenting av borstrengen. With a known safety factor, the threads can thus be used to the outer limit without difficulty, when retrieving the drill string.

Boring kan i dag gjennomføres til en dybde av 14.000 meter. Drilling can today be carried out to a depth of 14,000 metres.

Som eksempler på kjent teknikk på området kan nevnes GB GB can be mentioned as examples of known technology in the area

2 119 044, EP 153 224 og US 2 532 632 og 3 572 777. 2,119,044, EP 153,224 and US 2,532,632 and 3,572,777.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe skruegjenger som er bedre tilpasset de ovennevnte behov, særlig på grunn av bedre ytelse i forbindelse med dreiemoment, trykk- og strekkrefter samt materialtretthet under påvirkning av enkle eller sammensatte belastninger. The purpose of the present invention is to provide screw threads that are better suited to the above-mentioned needs, particularly due to better performance in connection with torque, compressive and tensile forces as well as material fatigue under the influence of simple or compound loads.

Dette formål oppnås ifølge oppfinnelsen ved en gjenge-skjøt av den innledningsvis angitte art, ved at gjengen har et dobbelt skru-anslag i form av en avkortet kjegle samt også slipp-spor i de ugjengete dødsoner og i stengene til koplings-skjøten. Foredelaktige utføringsformer av oppfinnelsen er angitt i de etterfølgende patentkrav. According to the invention, this purpose is achieved by a threaded joint of the type indicated at the outset, in that the thread has a double screw stop in the form of a truncated cone as well as release grooves in the unthreaded dead zones and in the rods of the coupling joint. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subsequent patent claims.

Anvendelsen, i boremaskineriet, av nye skjæreverktøy, såsom diamantbesatte plater eller skjærelementer med krystal-linsk diamantbelegg, har resultert i bruk av kraftigere rota-sjonsbord som kan overføre større dreiemomenter ved øket rotasjonshastighet, iblant på tross av betydelige retningsav-vik som påføres under styrte boreprosesser. The use, in the drilling machinery, of new cutting tools, such as diamond-studded plates or cutting elements with crystalline diamond coating, has resulted in the use of more powerful rotary tables that can transmit greater torques at increased rotational speed, sometimes despite significant directional deviations that are applied during controlled drilling processes.

På grunn av disse nye krav vil borstengene, og særlig gjengeskjøtene, utsettes for ytterst harde påkjenninger både med hensyn til skyve-, vridnings-, strekk-, bøye- og trykk-spenninger og med hensyn til materialtretthet i gjengedelen. Because of these new requirements, the brush bars, and especially the threaded joints, will be exposed to extremely hard stresses both with regard to sliding, twisting, tensile, bending and compressive stresses and with regard to material fatigue in the threaded part.

Som beskrevet i europeisk patentsøknad 0 153 224, er koniske stangelementer, forsynt med gjenger og minst én anslagsflate som begrenser skrubevegelsen og hvorimot enden av en tappdel bringes i anlegg ved stram tiltrekking, for tiden vanlig anvendt ved boring etter olje. As described in European patent application 0 153 224, conical rod elements, provided with threads and at least one abutment surface which limits the screw movement and against which the end of a pin part is brought into contact by tight tightening, are currently commonly used when drilling for oil.

Avstanden som opprettholdes, etter manuell tiltrekking av yttergjengene, mellom tappdelens og muffedelens utvendige, skrubegrensende anslagsflater, utgjør klaringen. Ved gjenge-enden kan det eventuelt være anordnet et slipp-spor for avbøy-ing av kraftlinjene. The distance that is maintained, after manual tightening of the external threads, between the external, screw-limiting abutment surfaces of the pin part and the socket part, constitutes the clearance. At the threaded end, a release slot can optionally be provided for deflection of the power lines.

Denne avstand er slik beregnet at det, ved tiltrekking med overdrevent dreiemoment, vil opprettes en fast montasje uten permanent deformasjon verken av koplings-tappdelen eller av -muffedelen. This distance is calculated in such a way that, when tightened with excessive torque, a fixed assembly will be created without permanent deformation of either the coupling pin part or the socket part.

Svakt koniske gjenger tillater stor klaring i forhold til konusvinkelen. Slightly tapered threads allow great clearance in relation to the taper angle.

Tappdelens og muffedelens gjenger, som har form av en avkortet kjegle med en klaring, virker, på grunn av sin be-skaffenhet, som omspenningsklammer ("hoops"). Når den ene del innskrues i den annen, vil det i gjengesonen oppstå radial-spenninger med tendens til å redusere tappdelens gjengediameter og øke muffedelens gjengediameter. Ulike faktorer, f.eks. tilvirkningstoleranser, smøremiddelets mekaniske karakteristi-ka og klaringsstrekningenes lengde, innvirker på størrelsen av dreiemomentet som må overføres til stengene, for kontaktopp-rettelse mellom skru-anslagene. The threads of the spigot part and the socket part, which have the shape of a truncated cone with a clearance, act, due to their nature, as hoops. When one part is screwed into the other, radial stresses will occur in the thread zone with a tendency to reduce the thread diameter of the pin part and increase the thread diameter of the socket part. Various factors, e.g. manufacturing tolerances, the mechanical characteristics of the lubricant and the length of the clearance stretches affect the size of the torque that must be transferred to the rods, to establish contact between the screw stops.

Det anbefales et belastningsmoment som vil tillate at skru-anslagene bringes i anlegg mot hverandre, med ønsket trykk. A load torque is recommended that will allow the screw stops to be brought into contact with each other, with the desired pressure.

I likhet med alle de øvrige typer av skruegjenger som for tiden benyttes for overføring av moment under boring, vil disse gjenger uten vanskelighet oppfylle de normer somm er opprettet av A.P.I., the American Petroleum Institute. Like all the other types of screw threads that are currently used for the transmission of torque during drilling, these threads will easily meet the standards established by A.P.I., the American Petroleum Institute.

For oljeborere vil ulike typer, eksempelvis "the Regu-lar", "Full Hole" og "Internal Flush", som har 4-6 gjenger/ inch (T.P.I.) (1,6 - 2,4 gjenger/cm), være velkjent. Disse tåler meget store strekkrefter, har en enkel stopp- og konus-vinkelåpning av 8 - 10° og relativt liten stigning som er slik valgt, at forholdet mellom konusvinkelen og skruelinjens middelhellingsvinkel utgjør 8/1 - 18/1. Disse standardiserte A.P.I.-gjenger har den ulempe, at de momentoverførende belastninger konsentreres på en materialseksjon av en maksimaHengde tilsvarende to stigninger. For oil drillers, various types, for example "the Regular", "Full Hole" and "Internal Flush", which have 4-6 threads/inch (T.P.I.) (1.6 - 2.4 threads/cm), will be well known . These withstand very large tensile forces, have a simple stop and cone angle opening of 8 - 10° and a relatively small pitch, which is chosen in such a way that the ratio between the cone angle and the screw line's mean inclination angle amounts to 8/1 - 18/1. These standardized A.P.I. threads have the disadvantage that the moment-transmitting loads are concentrated on a material section of a maximum length corresponding to two pitches.

Det bør bemerkes at i forbindelse med olje- og mineral-boring også forekommer andre gjengetyper, særlig for bruk ved kjerneboring. Disse typer er slik som anbefalt av A.P.I. som tilråder den størst mulige konisitet som er forenelig med stangtykkelsen, og en relativt liten gjengestigning. For å imøtekomme tilrådningen fra A.P.I., har konstruktørene valgt stigninger mellom 6 og 8 gjenger/inch (2,4 - 3,1 gjenger/cm). It should be noted that in connection with oil and mineral drilling other thread types also occur, especially for use in core drilling. These types are as recommended by A.P.I. which recommends the largest possible taper compatible with the rod thickness, and a relatively small thread pitch. To meet the recommendation of A.P.I., the constructors have chosen pitches between 6 and 8 threads/inch (2.4 - 3.1 threads/cm).

Det er et viktig trekk både ved A.P.I.'s standardgjenger og de gjenger som anvendes ved kjerneboring, at gjengene kan utskiftes mot hverandre. Selv om det kommersielle kriterium, nemlig den gjensidige utskiftbarhet, er fremtredende kan en prestasjonsøkning, uttrykt ved styrke i forhold til moment, hos standardgjenger bare oppnås ved anvendelse av stål av større styrke, dvs. med høyere flytegrense og bruddstyrke. Derved oppnås imidlertid bare en ubetydelig ytelsesøkning som reduserer forlengelsen og resulterer i en tydelig nedsatt motstand mot tretthetsbrudd, hvilket innebærer at borstangen i minsket grad vil tåle avbøyninger og at dens levetid følgelig forkortes. It is an important feature of both A.P.I.'s standard threads and the threads used in core drilling that the threads can be exchanged for each other. Although the commercial criterion, namely mutual interchangeability, is prominent, a performance increase, expressed in terms of strength in relation to torque, can only be achieved with standard threads by using steel of greater strength, i.e. with higher yield strength and breaking strength. Thereby, however, only an insignificant increase in performance is achieved, which reduces the elongation and results in a clearly reduced resistance to fatigue failure, which means that the drill rod will tolerate deflections to a lesser extent and that its service life is consequently shortened.

De fleste skader som er observert i borstrenger med A.P.I.-stanggjenger ved bruk under de harde tidsforhold som skyldes de nye boremetoder, er lokalisert til sonen nærmest de sammenskruingsbegrensende anslagsflater, og gir seg til kjenne på én av følgende måter: Most of the damage that has been observed in drill strings with A.P.I. rod threads when used under the harsh weather conditions caused by the new drilling methods, is localized to the zone closest to the screwing-limiting abutment surfaces, and manifests itself in one of the following ways:

1. Utbuling av muffedelens kanalsone nær den ytre anslagsflate og samtidig, ringformet fortykking av tappdelen, grunnet kryping, 2. Rent sprøhetsbrudd på tappdelens koplingsseksjon i sonen ved siste gjengevinding eller i kanalsonen ved denne vinding eller ved den ytre anslagsflate, 3. Rent brudd på muffedelshylsen i sonen ved den første gjengevinding eller i rørets kanalsone ved den ytre anslagsflate, 4. Rent brudd på tappdelens koplingsseksjon i sonen ved den første gjengevinding, 5. Rent brudd på muffedelen ved gjengeunderkanten i kanalsonen, 6. Deformasjon av gjengebunnene, grunnet overdreven strekkspenning eller materialtretthet. 1. Bulging of the sleeve part's channel zone near the outer contact surface and, at the same time, annular thickening of the spigot part, due to creep, 2. Clean brittle fracture of the spigot part's connecting section in the zone at the last thread turn or in the channel zone at this turn or at the outer contact surface, 3. Clean fracture of socket part sleeve in the zone at the first thread turn or in the channel zone of the pipe at the outer abutment surface, 4. Pure breakage of the pin part's connection section in the zone at the first thread turn, 5. Pure breakage of the socket part at the lower edge of the thread in the channel zone, 6. Deformation of the thread bottoms, due to excessive tensile stress or material fatigue.

Oppfinnelsen avhjelper de ovennevnte ulemper. Den til-veiebringer en konisk skruegjengekopling med overraskende gun-stige prestasjonsdata. Den økete dreiemotstand skyldes kombinasjonen av liten konusvinkel, av størrelse 1-3°, og stor gjengestigning. Det må imidlertid sørges for at tangens til skruelinjen er mindre enn friksjonskoeffisienten 0,08 som er generelt fastsatt av A.P.I., for å forhindre at delene løs-skrues, og for å øke det tillatte beslastningsmoment for skjøten. The invention remedies the above-mentioned disadvantages. It provides a conical screw thread connection with surprisingly good performance data. The increased turning resistance is due to the combination of a small cone angle, of size 1-3°, and a large thread pitch. However, it must be ensured that the tangent of the screw line is less than the coefficient of friction 0.08 which is generally determined by A.P.I., to prevent the parts from being screwed loose, and to increase the permissible loading moment for the joint.

Oppfinnelsen er basert på den kjensgjerning at når gjengenes hellingsvinkel øker, vil gjengenes bidrag til overførin-gen av et moment også øke, fordi anslagsflåtene blir mindre belastet. The invention is based on the fact that when the angle of inclination of the threads increases, the contribution of the threads to the transfer of a moment will also increase, because the stop rafts are less loaded.

Ved at gjengenes hellingsvinkel økes, vil en større mate-rialmengde gjøres virksom ved en gitt gjengeprofil. By increasing the inclination angle of the threads, a greater amount of material will be made effective for a given thread profile.

Oppfinnelsen er nærmere beskrevet i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori: Figur 1 viser et del-lengdesnitt av et borstangelement med koniske gjenger ifølge oppfinnelsen, og med en enkelt gj engeinngang. Figur 2 viser en andre versjon av gjengene ifølge oppfinnelsen. The invention is described in more detail below with reference to the accompanying drawings, in which: Figure 1 shows a partial longitudinal section of a drill rod element with conical threads according to the invention, and with a single thread entry. Figure 2 shows a second version of the threads according to the invention.

Ved å bortse fra A.P.I.'s teori og følge en logikk som er mer i overensstemmelse med dagens krav til boringsteknikk er det, for en borstang l av samme tykkelse, frembragt en gjenge-type som kan oppta meget større dreiemoment og som følgelig er mer motstandsdyktig mot materialtretthet, mens de øvrige egenskaper (strekkfasthet, ugjennomtrengelignet osv.) i det minste er opprettholdt uforandret. By disregarding A.P.I.'s theory and following a logic that is more in line with today's requirements for drilling technology, for a drill rod l of the same thickness, a thread type has been produced that can absorb much greater torque and is consequently more resistant against material fatigue, while the other properties (tensile strength, impermeability, etc.) are at least maintained unchanged.

Gjengene ifølge oppfinnelsen har vilkårlig profilfasong, f.eks. triangulær, trapesformet eller rund. De trapesformede gjenger gir bedre sentrering grunnet flankenes helling. The threads according to the invention have any profile shape, e.g. triangular, trapezoidal or round. The trapezoidal threads provide better centering due to the slope of the flanks.

Kombinasjonen av en liten konusvinkel a og en stor stigning p i forhold til diameteren D av stangen 2 gir gjengene ytelsesdata, hvilket er overraskende i betraktning av stenge-nes tyngde. The combination of a small cone angle a and a large pitch p in relation to the diameter D of the rod 2 gives the threads performance data, which is surprising considering the weight of the rods.

Stangendene kan derved sammenskrues med anbefalt dreiemoment med bare to eller tre omdreininger. The rod ends can thereby be screwed together with the recommended torque with just two or three revolutions.

Det kan også anvendes anslagsflater 3 med en lastbære-flate av tilstrekkelig størrelse for opptakelse av store trykkrefter. En svak konisitet gir bedre trykkontroll grunnet omspenningseffekten av klaringspartiet som hviler på gjenge-profilenes flanker. Impact surfaces 3 can also be used with a load-bearing surface of sufficient size to absorb large compressive forces. A slight conicity provides better pressure control due to the re-tensioning effect of the clearance section which rests on the flanks of the thread profiles.

Ved hensiktsmessig valg av profil vil gjengene kunne hvile bedre på flankene 4 og, i visse tilfeller, på gjengebun-nen 5. Det vil i realiteten fremkalles en omspenningseffekt på oversiden av profilen under skruingsbevegelsen, mens pro-filflankene utøver trykkvirkninger mot anslagsflåtene. Flankene 4 som er vendt mot anslagsflåtene, bidrar følgelig til overføring av belastningsmomentet. Dette moment forårsaker en mekanisk belastningsspenning langs gjengeseksjonens fulle lengde, som forhindrer det tretthetsfenomen som skyldes gjen-tatt bøying av stengene. With an appropriate choice of profile, the threads will be able to rest better on the flanks 4 and, in certain cases, on the thread base 5. In reality, a re-tensioning effect will be induced on the upper side of the profile during the screwing movement, while the profile flanks exert pressure effects against the stop rafts. The flanks 4, which face the impact rafts, consequently contribute to the transmission of the load moment. This torque causes a mechanical load stress along the full length of the threaded section, which prevents the fatigue phenomenon caused by repeated bending of the rods.

Det er lett å innse at en stor stigning minsker belastningen på anslagsflåtene ved samme moment. It is easy to realize that a large rise reduces the load on the impact rafts at the same moment.

Kombinasjonen av liten konusvinkel a og stor stigning gjør det mulig å oppnå de mer krevende ytelsesdata som i dag er nødvendig i forbindelse med boreprosesser. The combination of small cone angle a and large pitch makes it possible to achieve the more demanding performance data that is required today in connection with drilling processes.

Videre er de doble anslagsflater 3 som er anordnet ved hver ende av gjengeseksjonene, maskinbearbeidet med den nøyak-tighet som er mulig ved bruk av moderne maskineringsverktøy, og gjengeelastisiteten er slik valgt at flatestørrelsen av skru-anslagene fordobles, for først og fremst å øke borstenge-nes mekaniske ytelse, særlig størrelsen av dreiemomentet som overføres av stengene i borstrengen, og ikke for å øke stang-rekkens impermeabilitet. Furthermore, the double stop surfaces 3 which are arranged at each end of the threaded sections are machined with the precision that is possible using modern machining tools, and the thread elasticity is chosen in such a way that the surface size of the screw stops is doubled, primarily to increase brush bars -'s mechanical performance, in particular the magnitude of the torque transmitted by the rods in the drill string, and not to increase the string's impermeability.

Grunnet ovennevnte kombinasjon av en konusvinkel a av størrelsesorden 1-3° og en gjengestigning av 1-3° ved gjenge-inngangen, kan dreiemomentets størrelse økes ved omhyggeligere bruk av gjengematerialet og ved fordeling av kreftene over en større materialmasse. I forhold til gjenger av kjent type kan ytelsen hos de nye gjenger ifølge oppfinnelsen økes til 270% slik det fremgår av etterfølgende eksempel. Due to the above-mentioned combination of a cone angle a of the order of magnitude 1-3° and a thread pitch of 1-3° at the thread entry, the magnitude of the torque can be increased by more careful use of the thread material and by distributing the forces over a larger mass of material. In relation to threads of a known type, the performance of the new threads according to the invention can be increased to 270%, as can be seen from the following example.

Jevnføringstabellen for de nye 6 3/4 gjenger er gjengitt som eksempel. The alignment table for the new 6 3/4 threads is shown as an example.

De nye prestasjonsdata kan vurderes ut fra denne tabell. The new performance data can be assessed on the basis of this table.

Målingene er foretatt i forbindelse med undersøkelser for jevnføring av gransking og testing (analyser av ferdige ele-menter, belastnings- og deformasjonsmålinger etc.) De nøyak-tigste og mest krevende målinger ble utført på en vridnings-testings-stasj on. The measurements have been carried out in connection with investigations for the leveling of scrutiny and testing (analyses of finished elements, load and deformation measurements, etc.) The most accurate and demanding measurements were carried out on a torsion testing station.

Valget av en ugjenget innføringssone 6, med en lengde motsvarende minst 2 stigninger, mellom den første gjengevinding og anslagsflaten øker omfatningen av stålarbeidet ved høyt spenningsnivå, og medfører alvorlige, dynamiske problemer og betydelig og ubeleilig låsing. The selection of an unthreaded insertion zone 6, with a length corresponding to at least 2 pitches, between the first thread turn and the abutment surface increases the scope of the steel work at high stress levels, and entails serious, dynamic problems and significant and inconvenient locking.

Slipp-sporene 7 og 8 som er vist i figur 1 og 2 og anordnet i de døde soner og i stengene, nær skjøtene, gjør det mulig å filtrere tretthetsspenningene og beskytte gjengene, hvis de har egnede dimensjoner. The slip grooves 7 and 8 shown in figures 1 and 2 and arranged in the dead zones and in the rods, close to the joints, make it possible to filter the fatigue stresses and protect the threads, if they have suitable dimensions.

Claims

1. Threaded joint for screwing together ends of drill pipe (1), where one part at at least one end is designed with an external, conical spiral screw thread with a cone angle (a) between 1 and 3°, a trapezoidal or round thread (2) with constant

pitch (p) which forms a decreasing helix pitch angle ( p), and where the second part is designed with a counter, internal, conical spiral screw thread with a double screw stop (3), a clearance and a ratio between the taper angle of the core ( a) and the angle of inclination of the screw line (/S) at the beginning of the screw thread greater than 0.3 and less than 2, characterized by the fact that the thread has a double screw stop in the form of a truncated cone (3) as well as a release groove (8) in the unthreaded dead zones (7) and in the rods (1) of the coupling joint.

2. Threaded joint according to claim 1, characterized in that each drill rod has an unthreaded dead zone (7) between the stop (3) and the last screw thread turn, over a distance that is at least twice the pitch (p).

3. Threaded joint according to claim 1, characterized in that each drill rod has an unthreaded insertion zone (6) between the stop (3) and the first turn of the screw thread, over a distance of at least twice the pitch (p).

4. Threaded joint according to claim 3, characterized in that a clearance between the external screw thread and the internal screw thread allows the end of the external screw thread to be inserted, so that it rests against the first turn of the internal screw thread.

5. Threaded joint according to one of the preceding claims, characterized in that the internal and external thread profiles have a top (9) and a bottom (5) which provides a frictional effect during screwing and flanks (4) which slope at one angle which is chosen for to transfer the torque load and to introduce a pressure bias along the entire screw thread line, which prevents fatigue phenomenon.

6. Threaded joint according to claim 1, characterized in that the tangent to the screw line inclination angle (/?) at the beginning of the screw thread is less than a friction coefficient of 0.08.