NO177545B - Gjengeskjöt for borstangelementer - Google Patents

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.

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.

Med kjent sikkerhetsfaktor kan således gjengene uten vanskelighet utnyttes til yttergrensen, ved opphenting av borstrengen.

Boring kan i dag gjennomføres til en dybde av 14.000 meter.

Som eksempler på kjent teknikk på området kan nevnes GB

2 119 044, EP 153 224 og US 2 532 632 og 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Svakt koniske gjenger tillater stor klaring i forhold til konusvinkelen.

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.

Det anbefales et belastningsmoment som vil tillate at skru-anslagene bringes i anlegg mot hverandre, med ønsket trykk.

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.

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.

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).

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.

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:

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.

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.

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.

Ved at gjengenes hellingsvinkel økes, vil en større mate-rialmengde gjøres virksom ved en gitt gjengeprofil.

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.

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.

Gjengene ifølge oppfinnelsen har vilkårlig profilfasong, f.eks. triangulær, trapesformet eller rund. De trapesformede gjenger gir bedre sentrering grunnet flankenes helling.

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.

Stangendene kan derved sammenskrues med anbefalt dreiemoment med bare to eller tre omdreininger.

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.

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.

Det er lett å innse at en stor stigning minsker belastningen på anslagsflåtene ved samme 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.

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.

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.

Jevnføringstabellen for de nye 6 3/4 gjenger er gjengitt som eksempel.

De nye prestasjonsdata kan vurderes ut fra denne tabell.

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.

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.

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.

Claims (6)

1. Gjengeskjøt for sammenskruing av ender av borerør (1), hvor den ene del ved minst én ende er utformet med en utvendig, konisk spiral-skruegjenge med en konusvinkel (a) mellom 1 og 3°, en trapesformet eller rundgjenge (2) med konstant

stigning (p) som danner en avtakende skruelinje-hellningsvinkel ( p), og hvor den andre del er utformet med en motsvarende, innvendig, konisk spiral-skruegjenge med et dobbeltskru-anslag (3), en klaring og et forhold mellom kjernens konusvinkel (a) og skruelinjens hellningsvinkel (/S) ved begynnelsen av skruegjengen større enn 0,3 og mindre enn 2,karakterisert ved at gjengen har et dobbelt skru-anslag i form av en avkortet kjegle (3) samt også slipp-spor (8) i de ugjengete dødsoner (7) og i stengene (1) til kop1ingsskj øten.

2. Gjengeskjøt ifølge krav 1, karakterisert ved at hver borstang har en ugjenget dødsone (7) mellom anslaget (3) og den siste skruegjenge-vinding, over en strek-ning som er minst lik to ganger stigningen (p).

3. Gjengeskjøt ifølge krav 1, karakterisert ved at hver borestang har en ugjenget innføringssone (6) mellom anslaget (3) og skruegjengens første vinding, over en avstand på minst to ganger delingen (p).

4. Gjengeskjøt ifølge krav 3, karakterisert ved at en klaring mellom den utvendige skruegjenge og den innvendige skruegjenge tillater innføring av enden av den utvendige skruegjenge, slik at den ligger an mot den første vinding av den innvendige skruegjenge.

5. Gjengeskjøt ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at de innvendige og utvendige gjengeprofiler har en topp (9) og en bunn (5) som gir en friksjonsvirkning under skruing og flanker (4) som skråner i én vinkel som er valgt for å overføre dreiemoment-belastningen og for å innføre en trykk-forspenning langs hele skruegjenge-linjen, som hindrer tretthetsfenomen.

6. Gjengeskjøt ifølge krav 1, karakterisert ved at tangenten til skruelinje-hellningsvinkelen (/?) ved begynnelsen av skruegjengen er mindre enn en friksjonskoeffi-sient på 0,08.