NO344088B1 - Dobbeltskuldret koplingskjøt - Google Patents

Description

Tittel: Dobbeltskuldret koplingskjøt

Beskrivelse

Oppfinnelsens fagfelt

Oppfinnelsen angår generelt gjengeforbindelser av borestreng og især en verktøyskjøt og en resulterende borestreng hvor verktøyskjøten forbinder borerørseksjoner og andre elementer av borestrengen sammen fra overflaten til borkronen. Især angår oppfinnelsen en verktøyskjøt med innvendige og utvendige kompletteringsskuldre for høymomentanvendelse av dreieboring.

Bakgrunn

Dype brønner for eksempel olje og gass blir boret med en dreiende borkrone som dreies av en borestreng som består av en bunnhullssammenstilling, en streng av borerør, et drivrør eller et øvre drev og alt tilhørende utstyr for dreiing av strengen til borkronen. Borerørstrengen utgjøres av flere, enkeltelementer, hver med en lengde på omtrent 9,1 m. Borerørelementene blir holdt sammen av en gjengeforbindelse, kalt en verktøyskjøt, som er typisk omtrent 46 cm lang. Verktøyskjøtene må kunne motstå det normale moment under boring og også tilveiebringe en tetning for å hindre at borefluid blir pumpet ned gjennom borerøret fra utlegging ved skjøtene. Utlegging fra verktøyskjøtene forårsaker slitasje på grunn av borefluidets slipevirkning som kan føre til en tidlig svikt.

En konvensjonell verktøyskjøt (også kalt en API [American Petroleum Institute]-verktøyskjøt) utgjøres av et hann- og hunnelement. Hannelementet har utvendige gjenger og en utvendig, ringformet kompletteringsskulder. Hunnelementet har innvendige gjenger og en kant eller flate som hviler mot kompletteringsskulderen. I en konvensjonell verktøyskjøt vil det ikke være noen innvendig skulder i hunnelementet for kontakt av nesen eller flaten på enden av tappen. Når verktøyskjøtelementene blir satt sammen på overflaten av brønnen, blir de normalt forberedt til et moment som frembringer en langsgående spenning i det gjengede tverrsnitt som er omtrent halvparten av strekkgrensen av den svakeste endetapp eller muffe.

Ved boring av horisontale eller forlengede brønner eller når borestrengen setter seg fast i borehullet, er det mulig å øke boremomentet utover kompletteringsmomentet som utført på overflaten av brønnen. Når boremomentet overskrider overflatens kompletteringsmoment, vil det oppstå et tilleggskompletteringsmoment ved forbindelsen. Dette ekstra tilleggsmoment bevirker høyere belastning i forbindelsen som kan overskride strekkgrensen av tappen og muffen og forårsake svikt nede i hullet. For å unngå svikt, bør overflatekompletteringsmomentet være høyere enn boremomentet.

Følgelig har boreverktøyindustrien utviklet såkalte "doble skulderverktøyskjøter" som har en høyere momentstyrke enn API-verktøyskjøter som tillater et høyere overflatekompletteringsmoment.

Doble skulderverktøyskjøter har ikke bare en utvendig kompletteringsskulder men også en innvendig skulder og dimensjoner som får begge skuldrene til å komplettere under høye momentforhold.

Som vist i US patentskrift 2 532 632, har doble skulderverktøyskjøter ikke bare en utvendig kompletteringsskulder med også en innvendig kompletteringsskulder og dimensjoner som får begge skuldrene til å komplettere under høye momentforhold. En dobbelskulderverktøyskjøt kan ha en vesentlig øket torsjonsstrekkgrense (sammenliknet med en API-verktøyskjøt) uten ekstra tykkelse i tappen eller muffen og uten å øke strekkgrensen av stålet.

Kjent teknikk har forsøkt å oppnå stadig bedre driftsegenskaper for en dobbelskulderverktøyskjøt ved å justere dimensjonene av elementene som karakteriserer en slik skjøt. Slike elementer omfatter de relative lengder av muffeforsenkningen, tappbunnen, tappnesen og gjengene, den relative tverrsnittstykkelse av muffeforsenkningen og tappnesen og de relative dimensjoner av verktøyskjøtens innvendige og utvendige diameter.

En dobbelskuldret forbindelse er også beskrevet i US patentskrift 4 558 431. Muffen er forsynt med en innvendig skulder anbrakt under gjengene. Tappen har en flate på enden av nesen som passer til den innvendige skulder i muffen. Dimensjonene av tappen og muffen velges slik at når den strammes for hånd, vil muffeflaten kontakte den utvendige skulder av tappen. Det fins en klaring mellom tappneseflaten og den innvendige skulder av muffen. Når verktøyskjøten er helt komplettert til dens normale kompletteringsmoment, griper muffeflaten den utvendige kompletteringsskulder til det normale kontakttrykk. En håndfast klaring velges slik at tappflaten bevirker lite eller ikke noe trykk mot den innvendige skulder ved normalt kompletteringsmoment.

Ovennevnte US patentskrift 4 548 431 angir at tappbunn- og muffeforsenkningsdelene har en lengde som er minst en tredjedel av lengden av gripegjengene og at tappnesen bør ha en lengde på minst en sjettedel av lengden av gripegjengene. For en dobbelskuldret verktøyskjøt som beskrevet i US 4 548 431 med en ytre diameter på 12,7 cm og en indre diameter på 6,8 cm er momentet som strekker bunndelen av tappen eller forsenkningsdelene av muffen for en dobbeltskuldret skjøt 34685 Nm sammenliknet med 24540 Nm for en API-verktøyskjøt med samme ytter- og innerdiameter. Den lange forsenkningsdel minsker motstanden mot avbøyning og gir derved rimelige produksjonstoleranser for en håndtilstrammingsklaring. Imidlertid vil den lange forsenkningsdel kunne bukle utover under høyt moment.

Andre i industrien velger den håndfaste klaring slik at den innvendige skulder er vesentlig lastet ved den dimensjonerende overflatekompletteringsmoment. På denne måte får den innvendige skulder et kompletteringsmoment med en større overflate og kan følgelig sikkert brukes i brønner som krever et større boremoment. Når verktøyskjøten er strammet utenfor den innledende håndfaste tilstand, vil forsenkningen av muffe- og tappbunnseksjonen bøye av. Denne avbøyning gjør at tappflaten stenger den håndfaste klaring og griper mot den innvendige skulder. Lastingen av tappflaten og den innvendige skulder oppstår før en eventuell deformering i muffeforsenknings- og tappbunndelene.

En utvikling av ideen med den innvendige skulder lastet ved overflatekompletteringsmomentet, beskriver US patentskrift US 6 513 804 en annen dobbeltskuldret verktøyskjøt hvor den innvendige skulder kompletterer først, siden lengden fra tappens utvendige skulder til tappnesen er større enn lengden fra muffeflaten til muffens innvendige skulder. Tappnesen angis å være dobbelt så lang som muffeforsenkningen. Når den innvendige skulder kontakter utvendige skulder vil det oppstå en risiko for at den utvendige skulder ikke blir tilstrekkelig lastet for å utføre en tetning. Den ekstra lange tappnese forsøker å overvinne dette ved å senke nesemotstanden mot avbøyning.

US patentskrift 5 492 375 beskriver en annen konstruksjon av en dobbeltskuldret verktøyskjøt med vekt på optimering av torsjonsstyrken av den dobbeltskuldret forbindelse. Optimeringen oppnås ved at gjengene under høymomentsforhold, er svært nær men ikke helt ved svikt i skjæringen før tappnesen og muffeforsenkningen eller tappbunnen gir etter. US 5 492 375 angir at lengden av den grepne gjengedel av tappen som bestemmer skjærearealet av gjengene er slik at Ater lik eller litt større enn 1,73(AL+ AN) hvor ALer det minste av tverrsnittsarealet av tappbunnen eller muffeforsenkningen og ANer tverrsnittsarealet av tappnesen. Optimeringen med denne teknikk gir bare mindre økninger i forbindelsens torsjonsstyrke.

US patentskrift 5 908 212 beskriver en annen dobbeltskuldret verktøyskjøt ved å kreve (1) at summen av tverrsnittsarealet av muffeforsenkningen pluss tverrsnittsarealet av tappnesen er minst 70 % av tverrsnittsarealet av muffen, (2) at gjengenes skråning er mindre enn 1 tomme per fot og (3) at forsenkningsdelens aksiale lengde er minst 1,5 tommer.

En grunn gjengeavskråning taper dramatisk styrken av den innvendige skulder og øker følgelig forbindelsens vristyrke. Imidlertid krever borerørskjøter med grunngjenging avskråninger som krever større dreining av tappen i muffen under komplettering sammenliknet med konvensjonelle API-verktøyskjøter. Den ekstra riggtid som kreves for å komplettere disse forbindelsene er svært kostbar og uønsket. Den grunne avskråning gjør det også vanskeligere å skru inn og ut forbindelsen siden forbindelsen må tilpasses nøyaktig for å unngå gjengeforstyrrelse og oppriving. Videre krever den grunne avskråning større tap av den begrensede verktøyskjøtlengde når forbindelsen blir maskinert igjen etter slitasje eller skade.

Kjente skjøter tilveiebringer også konvensjonelle utforminger av gjengen, hvilket hindrer en optimal strekkmomentegenskap for rørskjøtene generelt og især for dobbeltskuldrede borerørskjøter.

Kjente verktøyskjøter karakteriseres også av en gjengeform med en toppavskråning som passer til gjengenes avskråning. Fig. 5 viser en kjent gjengeform hvor avskråningen av toppen 41 er den samme som hele avskråningen Tthav gjengene. En gjengeform karakteriseres generelt av en gjengerot 39, en lastflanke 35, en topp 41, en topplastradius 43, en toppinnskruingsradius 45 og en innskruingsflanke 33. Når innskruingselementene av borerørskjøten (dvs. innskruing av en tapp i en muffe), er det uunngåelig at toppen av et element av og til kommer til å hvile på de gjengede topper av den andre. Fig. 6A, 6B og 6C viser en tapp 5 og en muffe 5' av kjent teknikk som skrues sammen med fig. 6B og 6C som viser snitt av gjengen av tappen 5 og muffen 5'. Fig. 6B viser toppen 41 av tappen 5 som hviler på gjengetoppene 41' av muffen 5'. Som vist på fig. 6C, kreves en dreining på opp til en halv omdreining for å bevege tappen 5 aksialt i forhold til muffen 5' for å gå forbi toppen 41, 41'-kontakten og få innskruingsflanken 33, innskruingsflanken 33' til å kontakte hverandre. Hvis topp-mot-topp-kontakten oppstår med et støt, vil lastflankene 36, 36', innskruingsflankene 33, 33' eller begge deler skades permanent nær toppene 41, 41', spesielt på grunn av radiene av den lille topp-til-last-flanken og topp-til-innskruingsflanken som typisk finnes i vanlige verktøyskjøter. Selv om det ikke oppstår skade ved innskruing, kan tappverktøyskjøtens topper 41 kile seg inn i muffeverktøyskjøten 5'. En slik fastkiling fremheves ved støt. Etter hvert som gjengeavskråningen blir redusert, vil kilevirkningen bli verre. For en friksjonsfaktor på 0,08, blir de gjengede topper 41, 41' selvholdende for gjengeavskråninger som er mindre enn 167 mm/m. Selvholdingen innebærer at verktøyskjøtene må skilles fra hverandre separat. Ved å tvinge gjengene forbi fastkilingen av gjengetoppene kan det oppstå riving og annen skade.

Formål med oppfinnelsen

Et hovedformål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en borestrengforbindelse, især for en borerørverktøyskjøt med forbedrede strekkmomentegenskaper.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en borerørverktøyskjøt med forbedrede strekkmomentegenskaper og som samtidig har en kompletteringsomdreiningsegenskap tilsvarer en konvensjonell API-verktøyskjøt.

Et spesifikt formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en boreverktøyskjøt som karakteriseres av en vristyrke som er minst omtrent 50 % eller mer i forhold til en konvensjonell forbindelse med sammenliknbar størrelse og med kompletteringsomdreininger omtrent som for den konvensjonelle forbindelse.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en dobbeltskuldret boreverktøyskjøt med en forbedret gjengeform i kombinasjon med en optimal gjengeavskråning, slik at det oppnås en forbedret momentegenskap.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en verktøyskjøt med en gjengekonstruksjon som gir forbedrede innskruingsegenskaper når tappen blir skrudd inn i muffen under kompletteringen.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en verktøyskjøtkonstruksjon med en muffeforsenkningslengde som er kortere eller lik tappens neselengde for å unngå muffebukling.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en verktøyskjøtkonstruksjon som karakteriseres av at belastninger av den primære skulder og sekundære skulder er innenfor et område av 70 % av hverandre for optimering av en lastbærende evne innenfor produksjonstoleranser.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en gjengeform for verktøyskjøter hvor topp-til-topp-fastkiling av gjenger under innskruing, vesentlig hindres.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en gjengeform for verktøyskjøter som gjør det letter å sentrere tappgjengene til muffegjengene og samtidig tilveiebringer en mer robust form med en smalere topp uten å redusere kontaktarealet av lastflanken.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en gjengeform som (1) tilveiebringer en redusert belastningskonsentrasjon i gjengeroten og samtidig maksimerer kontaktarealet av lastflanken og minimerer gjengedybden, (2) tilveiebringer større kritiske arealer ved primær- og sekundærskuldrene av den dobbeltskuldrede verktøyskjøt for derved å tilveiebringe økt momentkapasitet av skjøten og (3) redusere sannsynlighet for fastkiling av forbindelsen.

Et annet spesifikt formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en dobbeltskuldret borerørverktøyskjøt som karakteriseres av tappnese- og forsenkningsborelengder på en slik måte at belastninger ved primær- og sekundærskuldrene øker ved en tilsvarende rate etter hvert som tilkoplingsmomentøkninger blir tilført forbindelsen.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en verktøyskjøt med forbedret veggtykkelse motstående gjengene for å gi en bedre tilkoplingsstyrke.

Oppsummering av oppfinnelsen

Ovennevnte formål sammen med andre trekk og fordeler av oppfinnelsen er omfattet i en dobbeltskuldret tilkoplingsskjøt med et tverrsnittsareal av tappnesen er minst 50 % så stor som det mindre av tverrsnittsarealet av muffeforsenkningen eller av tappbunnen og som har gjenger som er avskrånet innenfor et område på mellom 83 og 100 mm/m, fortrinnsvis omtrent 94 mm/m. En foretrukket avskråning er et kompromiss mellom en nedre grense på 83 mm/m under hvilken omdreiningene fra en innskrudd til nesten innskrudd generelt overskrider det som generelt kreves for API-verktøyskjøter. Den øvre grense på 100 mm/m er en grense utenfor hvilken strekkmomentet for verktøyskjøten avtar vesentlig under omtrent 150 % torsjonalt av strekkstyrken av en konvensjonell API-forbindelse av sammenliknbar størrelse. Den foretrukne avskråning er omtrent 1,125 mm/m. Når tappnesens tverrsnittsstørrelse er som angitt ovenfor, er lengden av tappnesen tilveiebrakt å være omtrent 1,0 til 1,5 ganger forsenkningsboringslengden for å kunne oppnå primær- og sekundær skulderbelastninger som øker i en tilsvarende rate, etter hvert som momentøkninger blir tilført forbindelsen.

Gjengeformen av den innvendige og utvendige gjenge av den dobbeltskuldrede rørskjøt karakteriseres av en gjenget h målt mellom en hovedradius DMJ/2 og en mindre radius dMJ/2 som er omtrent halve høyden (H) av en grunntrekant av gjengene.

Den innvendige og utvendige gjenge karakteriseres også av en innskruingsflankevinkel mellom omtrent 35 og 42 grader og en lastflankevinkel mellom omtrent 25 og 34 grader. Den foretrukne innskruingsflankevinkel er omtrent 40 grader og den foretrukne lastflankevinkel er omtrent 30 grader. Innskruingsflankevinkelen på 40 grader gjør at forbindelsen lettere kan sentrere seg etter innskruing (sammenliknet med en konvensjonell 30 graders innskruingsflankevinkel), og tilveiebringer en mer robust form og en smalere topp uten å redusere kontaktarealet av lastflanken. Topp-innskruingsradiusen av det foretrukne borerør blir forstørret utenfor en konvensjonell gjengeform.

Gjengene karakteriseres også av at gjengenes røtter er formet i form av en ellipse. Videre har toppene en toppavskråning som avskråner i en motsatt vinkel i forhold til gjengens skråningsvinkel. Toppavskråningen som avskråner i en vinkel motsatt av en gjengeavskråningsvinkel, gjør en fastkiling mellom toppene usannsynlig når tapp- og muffegjengene blir skrudd sammen.

Oppbygningen av gjengeformen frembringer fordelene som nevnt ovenfor, siden den (1) tilveiebringer en minsket belastningskonsentrasjon i gjengeroten og samtidig opprettholder maksimal kontaktareal av lastflensen og minimal gjengedybde, (2) tilveiebringer større kritiske arealer ved primær- og sekundærskuldrene av en dobbeltskuldret verktøyskjøt for derved å tilveiebringe økt momentkapasitet av skjøten og (3) reduserer sannsynligheten for fastklemming av forbindelsen.

Gjengeformen karakteriseres av en gjengehøyde på omtrent 6,4 mm eller mer. Den foretrukne gjengehøyde er omtrent 7,26 mm. Den foretrukne borerørskjøt karakteriseres også av en lengde av tappneseseksjonen som er omtrent 31,8 mm, hvor lengden av forsenkningsdelen er omtrent 25,4 mm. Tverrsnittsarealet av forsenkningsdelen av muffen, tverrsnittsarealet av tappseksjonen ved tappnesen, tverrsnittsarealet av tappdelen motstående muffeforsenkningen og lengden av tilkoplingsgjengene velges slik at styrken av tilkoplingsgjengene når moment blir tilført, er vesentlig større enn styrken i tappnesen eller muffeforsenkningen eller tverrsnittet av tappen motstående muffeforsenkningsboringen.

Verktøyskjøten ifølge oppfinnelsen karakteriseres også ved at den har en innerdiameter som varierer som funksjon av verktøyskjøtens lengde, slik at verktøyskjøtens vegg blir tykkere motstående gjengene enn ved dens ender for å tilveiebringe en større styrke til forbindelsen ved gjengene.

Kort beskrivelse av figurene

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende, der:

Fig. 1 er et snitt av de to borerørseksjoner føyd sammen ende mot ende av en verktøyskjøt ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 er et forstørret snitt av verktøyskjøten som viser kompletterende tapp- og muffeelementer og avskrånede gjenger og en gjengeform ifølge oppfinnelsen,

fig. 3 er ete forstørret snitt av en gjengeform av tappgjengene og muffegjengene som viser innskruings- og lastflenser, rot- og toppformer og avskråning ifølge oppfinnelsen,

fig. 4 er et forstørret snitt av en toppdel av gjengeformen og viser at toppen av gjengene er avskrånet i en vinkel motstående avskråningen av gjengene,

fig. 5 viser en kjent gjengeform med en konvensjonell toppanordning som avskråner i samme vinkel som gjengene,

fig. 6A, 6B og 6C viser en mulig toppfastkiling av kjente fastskruingsverktøyskjøter hvor konvensjonelle toppavskråningsvinkler tilsvarer gjengene,

fig. 7A, 7B, 7C viser innskruing av tapp- og muffegjenger av en verktøyskjøt med en gjengeform med en gjengetopp som på fig. 6 som skråner motstående gjengeavskråningen,

fig. 8A og 8B viser at en øket innskruingsflankevinkel og stor topp-innskruingsradius av gjengeformen på fig. 5 gjør at tappgjengene sentreres i muffegjengene lettere enn med konvensjonelle gjengeformer,

fig. 9 er en graf som viser et område som viser et område av akseptable avskråninger for en foretrukket utførelse av den dobbeltskuldret verktøyskjøt ifølge oppfinnelsen og viser at en for stor avskråning minsker strekkmomentet av forbindelsen, men at en for liten avskråning krever flere omdreininger fra en innskrudd til en nesten innskruing av forbindelsen.

Detaljert beskrivelse av foretrukne utførelsesformer

Beskrivelsen nedenfor beskriver de foretrukne utførelser med henvisninger til figurer som har referansenumre til deler av verktøystrengen og verktøyskjøten ifølge oppfinnelsen. Samsvarigheten mellom referansenumrene og delene er som følger: Referansenummer Beskrivelse

PODYtre rørdiameter

PIDIndre rørdiameter

C/L Midtlinje av sammenføyet rør- og verktøyskjøt

PUIDInnerdiameter av røroppsett

TJID1Verktøyskjøtens innerdiameter ved sveiseenden av skjøten TJID2Verktøyskjøtens innerdiameter ved den midtre del av skjøten TJODVerktøyskjøtens ytre diameter

LTJVerktøyskjøtens lengderetning

2 Nedre borerør

2' Øvre borerør

3 Oppsettdelen av et nedre borerør

3' Oppsettdelen av et øvre borerør

4 Verktøyskjøt

6 Nedre sveising

6' Øvre sveising

10 Tapp

12 Muffe

14 Muffeforsenkning

16 Tappbunn

18 Utvendig avskrånede tappgjenger

20 Innvendig avskrånede muffegjenger

22 Tappnese

24 Muffens innvendige skulder

26 Tappflate eller sirkulære kant

28 Muffens utvendige skulder eller muffens flate eller sirkulær kant 30 Tappens utvendige skulder

32 Tappens gjengelinje

34 Innskruingsflanke av gjenger

36 Trykk eller lastflanker av gjenger

θSInnskruingsvinkel

θPTrykk eller lastvinkel

LPNTappneselengde

LBCMuffeforsenkningslengde

LTHLengde av gripegjenger

PS Primær skulder og tetning

SS Sekundær skulder

CSBCTverrsnitt av muffens forsenkning

CBPBTverrsnitt av tappbunnen

CSPNTverrsnitt av tappnesen

40 Gjengerot

42 Gjengetopp

44 Overgangsform fra lastflanke til topp

46 Overgangsform fra topp til innskruingsflanke

48 Grunntrekant av gjengeform

H Høyde av grunntrekant

h Gjengedybde

DMJ/2 Hovedradius (1/2)

DP/2 Stigningsradius (1/2)

dMI/2 Mindre radius (1/2)

E Ellipse for rotform

EMIEllipsens mindre diameter

EMJEllipsens større diameter

EthGjengeavskråning

TCToppavskråning

Fig. 1 viser nedre og øvre borerør 2, 2' koplet sammen ved hjelp av en verktøyskjøt 4 ifølge oppfinnelsen. Borerørene 2, 2' har oppsettdeler 3, 3' med en tykkere vegg for sveisingene 6, 6' i enden av borerøret i forhold til endene av verktøyskjøten 4. Ytterdiameteren av rørene 3, 3' er vist som PODmens rørets innerdiameter får nesten hele dets 30' lengde er vist som PID. Innerdiameteren av røret 3, 3' ved oppsettdelen er vist som PUIDsom omtrent tilsvarer innerdiameteren TJIDav sveiseendene av verktøyskjøten. Mens ytterdiameteren av verktøyskjøten TJODer vesentlig konstant langsetter verktøyskjøten LTJ, avsmalner innerdiameteren av verktøyskjøten fra TJID1, ved sveiseendene av skjøten til TJID2for delen nær gjengene av tappen 10 og muffen 12. Ifølge oppfinnelsen kan TJID2være 3,18 mm (eller mer) mindre i diameter enn TJID1for å tilveiebringe en tykkere vegg for den gjengede del av verktøyskjøten 4. Det har vært funnet at mens en for liten innvendig diameter av verktøyskjøten kan minske den tillatte fluidstrøm gjennom boreoperasjonene, kan en mindre minskning på 3,18 tommer eller 6,35 mm av den innvendige diameter over en kortere lengde tolereres og samtidig gi en betydelig forbedring av skjøtens momentstyrke. Det er foretrukket at verktøyskjøtens lengde, hvor TJID2som tilføres ikke er større enn omtrent 2/3 av den totale verktøyskjøtens lengde.

Fig. 2 viser dobbeltskulderverktøyskjøten helt ferdig. Ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er tappnesens tverrsnittsareal CSPNminst 50 % så stor som det mindre av tverrsnittsarealet av muffens forsenkning CSBCeller tverrsnittsarealet av tappbunnen CSPB. Et slikt forhold i tappnesen, tappbunnen og forsenkningens tverrsnittsareale fører til en minst 50 % økning av verdistyrken av forbindelsen 4 sammenliknet med en API-kopling av sammenliknbar størrelse. Som nevnt ovenfor bør videre den gjengede avskråning av muffegjengene 20 og tappgjengene 18 være innenfor et område mellom omtrent 83 mm/m og 100 mm/m og fortrinnsvis omtrent 94 mm/m. Når tappbunnens tverrsnitt CSPNer omtrent mindre enn muffeforsenkningens tverrsnitt CSBC, bør videre lengden av tappnesen LPNvære omtrent en til en og en halv gang så lang som forsenkningsboringslengden LBCfor at belastningene ved de primære PS og sekundære SS skuldrene øker i omtrent samme rate som momentet blir tilført ved koplingen.

Når mye moment blir tilført verktøyskjøten, er det vesentlig at gjengene 18 og 20 ikke svikter i skjæring før muffeforsenkningen 14 eller tappnesen 22 gir etter eller bukler før strekket av tverrsnittet av tappbunnen 16 motstående muffeforsenkningen. Følgelig blir tappnesens tverrsnittsareal CSPNog lengden LTHav de innvendige gjenger 20 forbundet til de utvendige gjenger 18 og tverrsnittet av muffeforsenkningen CSBCog forsenkningslengden LPNkonstruert og anordnet som angitt ovenfor, slik at styrken av de tilkoplede gjenger blir større enn vristyrken av tappnesen 22 eller muffeforsenkningen 14. Siden gjengesvikt er verre enn tapp- eller muffestrekk, er det tilveiebrakt en sikkerhetsfaktor i gjengestyrken for den foretrukne utførelse av oppfinnelsen selv om det ikke oppstår en nøyaktig optimering av koplingens frie styrke. Den foretrukne sikkerhetsfaktor i gjengestyrken er tilveiebrakt ved at tappnesens tverrsnitt CSPNer minst 50 % som tverrsnittet av muffeforsenkningen CSBC.

Fig. 9 viser en parameterundersøkelse for en foretrukket utførelse av oppfinnelsen (dvs. med CSPN≥ 0,5 CSBC, CSPN≥ 0,5 CSPB, og LPN≃ (1,0 til 1,5) LBC), en gjengestigning på 7,26 mm (1,4 gjenger/cm), gjengedybde på omtrent 2,54 mm og en stigningsdiameter på omtrent 9,7 cm som viser to parametere som karakteriserer verktøyskjøten ifølge oppfinnelsen plottet som funksjon av gjengeavskråningen i mm/m. Den venstre ordinat eller y-aksen representerer forholdet mellom strekkmoment av forbindelsen på fig. 2 og 3 og strekkmoment av en API-forbindelse (for eksempel NC 38). Kurven merket "Invention Yield Torque/API Yield Torque (%)" viser at forbindelsen på fig. 2 og 3 gir økt strekkmoment sammenliknet med API-forbindelser hvor minskninger i gjengeskråningen fra 167 mm/m til 41,7 mm/m. Forholdet mellom strekkmoment er omtrent 150 % ved en gjengeskråning på 94 mm/m.

Den venstre ordinat representerer en parameter som viser hvor mange omdreininger det tar for at forbindelsen skal nå en fintilpasning etter den første innskruing. Kurven merket "innskruet til fintilpasning per omdreining" viser at idet en omdreining for forbindelsen med 41,7 mm/m avskråning, produserer bare omtrent 7 % av den aksiale vandring som er nødvendig for at gjengene kan nå en fintilpasning. For en 167 mm/m -avskråning, vil på den annen side en omdreining produsere nær en 35 % av den aksiale vandring for at gjengene kan nå en fintilpasning. Kurven for innskrudd til fintilpasset indikerer at den innskrudde til fintilpasset per omdreining for en skråning av 100 mm/m, er omtrent 17 %. Med andre ord vil det ta omtrent seks omdreininger for å oppnå en fintilpasning fra den innledende innskruing for forbindelse med en avskråning på 100 mm/m.

Et område av avskråninger har blitt oppdaget for den foretrukne utførelse av verktøyskjøten beskrevet ovenfor som produserer akseptabel hastighet ved komplettering av forbindelsen og samtidig vedlikeholder en økt vristyrke på omtrent 150 % av en konvensjonell API-forbindelse. Som vist på fig. 9 produserer en nedre grense av avskråningen på omtrent 83 mm/m og en øvre grense av avskråningen på omtrent 100 mm/m akseptable grenser av omdreininger fra innskrudd til fintilpasning på mellom 6-1/2 omdreininger og 5-1/2 omdreininger. Et slikt område er akseptabelt uten å måtte ofre betydelige reduksjoner fra et maksimalt strekkmoment på omtrent 150 % sammenliknet med en API-forbindelse. En gjenget avskråning på omtrent 94 mm/m er foretrukket for å opprettholde et høyt strekkmoment (for eksempel 150 % av en API-forbindelse) av forbindelsen og samtidig opprettholde antallet omdreininger (omtrent 6 omdreininger) for å oppnå fintilpasning fra en innledende innskruing så raskt som mulig.

Som antydet ovenfor, fører avskråningsområdet på 83 mm/m til 100 mm/m i et område mellom 6-1/2 omdreining til 5-1/2 omdreining for den angitte, foretrukne utførelse med en stigning på 7,26 mm (1,4 gjenger/cm). Hvis parameteren av gjengeformen blir slakket, for eksempel hvis stigningen er 6,35 mm (1,57 gjenger/cm), vil avskråningen av 83 mm/m føre til omtrent 8 omdreininger fra innskruing til fintilpasning, hvilket er en verdi som er omtrent den samme som for en konvensjonell API-forbindelse.

Innenfor avskråningsområdet mellom 83 og 100 mm/m, kan de andre gjengeformvariabler (stigning, stigningsdiameter, hoveddiameter og mindre diameter) som påvirker strekkmomentet og omdreininger til fintilpasning justeres ut fra utførelsen angitt ovenfor. Hvis for eksempel stigningen blir redusert fra 7,26 mm (1,4 gjenger/cm) til 6,35 mm (1,57 gjenger/cm) hvor de andre variablene er konstant, vil omdreiningene som kreves fra en innskruing til fintilpasning for en avskråning på 1 in/ft være mindre enn 8 omdreininger.

Fig. 2 viser en foretrukket utførelse dobbeltskulderverktøyskjøten ifølge oppfinnelsen helt komplettert. Ifølge utførelsen bør gjengeavskråningen av muffegjengene 20 og tappgjengene 18 være innenfor et område mellom omtrent 83 mm/m og 100 mm/m og fortrinnsvis omtrent 94 mm/m.

Fig. 2 og 3 viser gjengeformen av muffegjengene 20 og tappgjengene 18 av koplingen på fig. 1. Det er foretrukket at gjengeformen har mindre eller tilsvarer 1,57 gjenger/cm, som er en vanlig verdi for API-gjenger. Som vist især på fig. 3, bør gjengene videre ha en gjengedybde h som målt mellom en hovedradius DMJ/2 og en mindre radius dMJ/2 som er omtrent halvparten av høyden av en grunntrekant 48 som danner gjengene. Anordningen gir større kritiske arealer for primær- og sekundærskulderen og produserer til slutt en ytterligere økning av skjøtens momentkapasitet. Videre bør de innvendige gjenger 20 og utvendige gjenger 18 ha en innskruingsflanke 34 som utgjør en vinkel på θSmed grunntrekanten 48 fra omtrent 35 til omtrent 42 grader og en lastflankevinkel θPmellom omtrent 25 og 34 grader. Fortrinnsvis er innskruingsflankevinkelen θSomtrent 40 grader og lastflankevinkelen omtrent 30 grader.

Gjengeformen på fig. 3 karakteriseres også av topper 42 med en overgangsform 44 mellom en lastflanke 36 og en topp 42. Overgangsformen 44 karakteriseres som en radius som er mindre eller lik 3 mm for derved å tilveiebringe en stor lastflanke 36. En overgangsform 46 mellom innskruingsflanken 34 og toppen 42 er lik eller større enn omtrent 19 mm radius for derved å produsere gjengetoppens bredde og oppnå en gradvis innføring av den tilpassede gjenging under innskruing og komplettering. Røttene 40 av gjengeformen ifølge oppfinnelsen formes i form av en ellipse E med en hovedakse på EMJog en mindre akse EMI. Rotformen 40 velges for å tilveiebringe en overgang til innskruingsflanken 34 og trykkflanken 36. Ellipseformen E frembringer en belastningskonsentrasjonsfaktor som er mindre enn en 9,7 mm rotradius.

Som det fremgår av forstørrelsen av gjengetoppen 42 på fig. 4, skråner toppen av toppen 42 med en toppavskråning TCi en vinkel motstående gjengeavskråningen Tth. Fortrinnsvis er toppavskråningen omtrent 1 grad. Beskrivelsen ovenfor av kjente gjengeformer under henvisning til fig. 5 og 6A, 6B og 6C viser at en topp 41 skråner i vinkel som er omtrent lik gjengeavskråningen Tthsom produserer kiling av gjengene. Konvensjonelle deler av gjengeformene er merket, gjengerot 39, innskruingsflanke 33, lastflanke 35, overgang fra lastflanke til topp 43 og overgang fra topp til innskruingsflanke 45. En gjengeform med en toppavskråning TCi en vinkel motstående gjengeavskråningen Tthgjør at tappen lettere kan skrues inn i muffen. Fig. 7A, 7B og 7C viser fordelen når fig. 7A er et sideriss av en tapp 10 som skrues inn i en muffe 12 av verktøyskjøten og fig. 7B og 7C viser effekten av reversvinkelen TCav gjengenes topper. Som vist forstørret på fig. 7C, er topp-mot-topp-fastkiling av toppene 42, 42' usannsynlig under innskruing på grunn av at toppavskråningene foregår i en motsatt retning i forhold til gjengeavskråningen. Fig. 7A-7C viser denne fordel under henvisning til kjente gjengeformer vist i et innskruingsforhold på fig. 6A-6C.

Som vist ovenfor blir innskruingsflankevinkelen θSøket fra en konvensjonell 30 º til en foretrukket 40 º. Som nevnt ovenfor blir topp-innskruingsflankeovergangsformen 42 øket til en radius på 19 mm eller mer. En større θSog stor topp-innskruingsflankeovergangsform gjør at forbindelsen letter kan sentrere seg etter innskruing. Fig. 8A og 8B viser denne effekt. Tappene på fig. 8A viser innskruing i muffen 12 fra en vinkel fra midtlinjen av muffen 12. På grunn av den økte innskruingsvinkel θSog den større topp-innskruingsflankeovergangsform beveges tappen 10 til tilpasning til midtlinjen av muffen 12 på en lettere måte. Videre blir sannsynligheten for fastklemming av forbindelsen redusert siden det blir mindre materiale som kommer i veien.

Claims (20)

Pa tentkrav

1. Dobbeltskuldret koplingskjøt (4) for bruk i en borestreng med

en tapp (10) med utvendige gjenger (18) formet mellom en tappekstern skulder (30) og en tappflate (60),

en muffe (12) med innvendige gjenger (20) formet mellom en muffeekstern skulder (28) og en muffe innvendig skulder (24),

idet muffen (12) har en forsenkning (14) mellom de innvendige gjenger (20) og boksens utvendige skulder (28),

idet tappen har en bunndel (16) mellom den eksterne skulder (30) og de utvendige gjenger (18) og neseseksjonen (22) mellom den eksterne tappflate (60) og de utvendige gjenger (18), idet,

de innvendige gjenger (20) og de utvendige gjenger (18) er anordnet og utformet for å forbindes til hverandre, slik at muffen (12) og tappen (10) blir forbundet til en felles midtlinje (C/L) og til en primær tetning (PS) formet av tappens eksterne skulder (30) tvunget mot muffens utvendige skulder (28) og en sekundær skulder (SS) formet av tappflaten (26) tvunget mot muffens innvendige skulder (24) og

hvor koplingsskjøten karakteriseres ved

de innvendige gjenger (20) og utvendige gjenger (18) av en gjengeavskråning (Tth) i forhold til midtlinjen (C/L) som er større enn en gjengeavskråning (Tth lower) på 83 mm/m og som er mindre enn en øvre grense (Tth upper) på 100 mm/m.

2. Kopling ifølge krav 1, karakterisert ved at

gjengeformegenskapene av stigning, gjengens hoveddiameter og gjengens stigningsdiameter er anordnet og konstruert slik at mindre enn 8 omdreininger kreves fra innskruet til fintilpasset.

3. Kopling ifølge krav 2, karakterisert ved at

omdreiningene som kreves fra innskruet til fintilpasset er omtrent 6 omdreininger med en gjengeavskråning på omtrent 94 mm/m.

4. Kopling ifølge krav 1, karakterisert ved at

de eksterne og innvendige gjenger karakteriseres ved en gjengedybde (h) målt mellom en hovedradius (DMJ/2) og en mindre radius (dMI/2) som er omtrent en halv eller mindre av høyden (H) av en grunntrekant av gjengene.

5. Kopling ifølge krav 1, karakterisert ved at

de innvendige gjenger (20) og de utvendige gjenger (18) karakteriseres av en innskruingsflankevinkel ( θS) mellom omtrent 35 og 42 grader og en lastflankevinkel ( θP) mellom omtrent 25 og 34 grader.

6. Kopling ifølge krav 5, karakterisert ved at

innskruingsflankevinkelen ( θS) er omtrent 40 grader og lastflankevinkelen ( θP) er omtrent 30 grader.

7. Kopling ifølge krav 1, karakterisert ved at

røttene av de innvendige gjenger (20) og utvendige gjenger (18) er formet som en ellipse (E).

8. Kopling ifølge krav 1, karakterisert ved at

de innvendige gjenger (20) og utvendige gjenger (18) har en gjenget avskråning (Tth) i forhold til midtlinjen (C/L) og

de innvendige gjenger (20) og utvendige gjenger (18) karakteriseres av topper med en toppavskråning (TC) med skråninger i en motsatt retning i forhold til gjengeavskråningen (Tth).

9. Kopling ifølge krav 5, karakterisert ved at

de innvendige gjenger (20) og utvendige gjenger (18) karakteriseres av topper, og

en overgangsform (44) mellom lastflanken (36) og toppen (42) omfatter en krumningsradius som er lik eller mindre enn 3 mm,

for derved å tilveiebringe en stor lastflanke.

10. Koplingsskjøt ifølge krav 5, karakterisert ved at

de innvendige gjenger (20) og utvendige gjenger (18) karakteriseres av gjengetoppbredder formet ved en avkortning av gjengene av den totale høyde (H) og

en overgangsform (46) mellom innskruingsflanken (34) av toppen (42) som omfatter en krumningsradius som er mindre enn 8 % av den gjengede toppbredde for derved å muliggjøre en gradvis innføring av den tilpassede gjenge under innskruing og komplettering.

11. Kopling ifølge krav 7, karakterisert ved at

røttene av de innvendige gjenger (20) og utvendige gjenger (18) karakteriseres av en elliptisk form som produserer en belastningskonsentrasjonsfaktor som er mindre enn en 9,7 mm rotradius.

12. Kopling ifølge krav 1, karakterisert ved at

de innvendige gjenger (20) og utvendige gjenger (18) karakteriseres av en gjengeform med en stigning på omtrent 6,35 mm eller mer.

13. Kopling ifølge krav 1, karakterisert ved at

neseseksjonen (22) av tappen (10) har en lengde (LPN) som er lik eller større enn en lengde (LBC) av forsenkningsdelen (14).

14. Kopling ifølge krav 13, karakterisert ved at

lengden (LPN) av tappnesedelen (22) er omtrent 3,18 mm og lengden (LBC) av forsenkningsdelen (14) er omtrent 2,54 mm.

15. Kopling ifølge krav 1, karakterisert ved at den har et tappnesetverrsnitt, et forsenkningstverrsnittsareal og lengde (LTH) av innvendige gjenger (20) koplet til utvendige gjenger (18) som er utformet og anordnet slik at moment som tilføres den sammensatte kopling forårsaker vesentlig strekk som først oppstår i den svakere av tappbunndelen eller muffeforsenkningsdelen eller tappnesen.

16. Kopling ifølge krav 1, karakterisert ved at

når tappen (10) og muffen (12) er koplet sammen, danner muffens utvendige skulder (28) og tappens utvendige skulder (30) en primær skulder (PS) og tappflaten (26) og muffens innvendige skulder (24) danner en sekundær skulder (SS) og tappneselengden (LPN), forsenkningslengden (LBC), en lengde (LTH) av innvendige gjenger (20) koplet til de utvendige gjenger (18), tappnesens tverrsnittsareal (CSPN), muffens forsenkningsareal (CSBC), tappbunndelens areal og verktøyskjøtens utvendige og innvendige diameter (TJOD, TJID2) velges, hvorved sekundære skulder (SS)-belastningen og primær skulder (PS)-belastningen ved overflatekomplettering er innenfor 70 % av hverandre, avhengig av produksjonstoleranser av lengder, arealer og diametere.

17. Kopling ifølge krav 2, karakterisert ved at

gjengavskråningen (TTH) er omtrent 94 mm/m.

utvendige og innvendige gjenger karakteriseres av en gjengedybde (h) målt mellom en hovedradius (DMJ/2) og en mindre radius (dMI/2) som er omtrent halvparten av høyden (H) av en grunntrekant av gjengene,

idet de innvendige gjenger (20) og de utvendige gjenger (18) karakteriseres av en innskruingsflankevinkel ( θS) mellom omtrent 35 og 42 grader og en lastflankevinkel ( θP) mellom omtrent 25 og 34 grader.

18. Kopling ifølge krav 2, karakterisert ved at

gjengeavskråningen (Tth) er omtrent 94 mm/m, innskruingsflankevinkelen ( θS) er omtrent 40 grader og lastflankevinkelen er omtrent 30 grader,

røttene av de innvendige gjenger (20) og utvendige gjenger (18) er formet som en ellipse (E),

idet de innvendige gjenger (20) og utvendige gjenger (18) har en gjenget avskråning (Tth) i forhold til midtlinjen (C/L) og

de innvendige gjenger (20) og utvendige gjenger (18) karakteriseres av topper med en toppavskråning (TC) som skråner i motsatt retning i forhold til midtlinjen (C/L) enn den gjengede avskråning (TTH).

19. Kopling ifølge krav 18, karakterisert ved at

de innvendige gjenger (20) og utvendige gjenger (18) karakteriseres av en gjengeform med en stigning på omtrent 6,35 mm eller mer,

idet lengden (LPN) av tappnesedelen (22) er omtrent 31,8 mm og lengden (LBC) av forsenkningsdelen (14) er omtrent 25,4 mm og

tappdelens tverrsnittsareal, forsenkningens tverrsnittsareal og en lengde LTHav de innvendige gjenger (20) koplet til de utvendige gjenger (18) er utformet og anordnet slik at styrken av de tilkoplede gjenger med et moment tilført, er større enn styrken av tappnesen (22) av muffeforsenkningen (14) eller tappbunnen.

20. Kopling ifølge krav 19, karakterisert ved at

når tappen (10) og muffen (12) er koplet sammen, definerer muffens utvendige skulder (28) og tappens utvendige skulder (30) en primær skulder (PS) og tappflaten (26) og muffens innvendige skulder (24) danner en sekundær skulder (SS) og

tappens neselengde (LPN), forsenkningslengden (LBC), en lengde (LTH) av de innvendige gjenger (20) koplet til de utvendige gjenger (18), tappnesens tverrsnittsareal (CSPN), muffens forsenkningsareal (CSBC) og verktøyskjøtens utvendige og innvendige diameter (TJOD, TJID2) velges, hvorved den sekundære skulders (SS) langsgående belastning og primære skulders (PS) langsgående belastningen ved overflatens kompletteringsmoment er innenfor 70 % av hverandre, avhengig av produksjonstoleranser av lengdene, arealene og diametrene.