SE1100398A1 - Gänganordning, gängförband samt borrsträngskomponent för slående bergborrning - Google Patents

Abstract

: En anordning vid en borrsträngskomponent för slående bergborr-ning innefattande en gänga för ihopgängning med en annan, meden komplementärgänga försedd borrsträngskomponent, varvidgängan uppvisar ett gängspàr (9) bildat av två gängflanker(lO,11) och en mellanliggande gängbotten (12), och varvidgängspäret (9) har en väsentligen likformig tvärsnittsformutmed sin axiella utsträckning. Gängbotten (12) uppvisaråtminstone tre ytpartier (Yl,Y2,YC) med delcirkulär form, setti en axiell sektion, och nämnda ytpartier (Yl,Y2,YC) med del-cirkulär form har ökande radier, sett från vardera gängflankentill ett mellanliggande ytparti av gängbotten. Uppfinningen avser även ett gängförband och en borrsträngskomponent. Fig. 2 76231; 2011-05-20

Description

Genom US 4,040,756 är förut känt ett gängförband med snedställda gängtoppar. När det gäller gängbottnarna på hon- gängan såväl som hangängan, uppvisar dessa emellertid konti- nuerligt krökt konfiguration. Gängbottnarna övergår jämnt, tangentiellt, i intilliggande gängflanker.

Som ytterligare exempel på teknikens bakgrund kan nämnas US 6,196,598 samt US 4,687,368, varav den senare avser en mer traditionell trapetsgänga.

UPPFINNINGENS ÄNDAD/LÅL ocH vIKTIGAsTE KÄNNETECKEN Det är ett ändamål med föreliggande uppfinning att vidareutveckla anordningarna enligt teknikens bakgrund och att tillhandahålla en anordning vid en borrsträngskomponent inne- fattande en hangänga liksom en borrsträngskomponent samt ett förfarande, vid vilka en resulterande gängförbindning förlänas större motståndskraft mot utmattning och därmed borrning kan utföras med bättre ekonomi.

Dessa ändamål uppnås vid en anordning jämte en borrsträngskomponent enligt ovan genom att nämnda gängbotten uppvisar åtminstone tre ytpartier med delcirkulär form, sett i en axiell sektion, och att nämnda ytpartier med delcirkulär form har ökande radier, sett från vardera gängflanken till ett mellanliggande ytparti av gängbotten.

Härigenom uppnås att spänningskoncentrationer, som upp- träder i ett mest känsligt område av gängan, nämligen i anslutning till rotområdet av tryckflanken, kommer att vara lägre och bli utjämnad i jämförelse med vad fallet är vid en konventionell gänga, oavsett om det handlar om en gänga av trapetstyp med delvis linjärt förlöpande gängbotten eller om det handlar om en gänga med jämnt krökt gängbotten.

Enligt uppfinningen uppnås detta vid en gänga, som är ekonomiskt fördelaktigt framställbar, då gängspåret har en väsentligen likformig tvärsnittsform utmed sin utsträckning 76231; 2011-05-20 lO och därmed kan framställas med konventionella tillverknings- metoder. Utnyttjande av cirkulära former hos ytpartierna med- för enkel och ekonomiskt fördelaktig framställning. Bestämning av utbredningen av ytpartierna med delcirkulär form för att den eftersträvade spänningsreducerande effekten ska erhållas låter sig göras utgående från konventionella beräknings- metoder.

Det ska framhållas att en reducerad spänningskoncentra- tion i detta område av gängbotten är mycket gynnsam för gäng- förbandets livslängd, då redan små reduktioner av spännings- nivåerna i detta område medför bättre motståndskraft mot ut- mattningsbrott och därmed mot gänghaveri.

Genom särdragen hos uppfinningen àstadkoms att de kraf- ter, som belastar tryckflanken, och som ska tas upp i form av inre spänningar i gängans gods tas upp på ett fördelaktigare sätt genom att gängbottnens form anpassas för reducering av spänningskoncentrationsökande former. I synnerhet har det oväntat visat sig att den uppfinningsenliga utformningen med- ger utbredning av spänningsfördelningen till ett större ytnära parti av gängbottenområdet och därmed reducerad uppträdande maxspänning. Vid den uppfinningsenliga utformningen följs ytpartiet med delcirkulär form närmast tryckflanken av ett ytparti med större radie, eller till och med av flera ytpartier med successivt ökande radier, sett i riktning mot ett mellanliggande ytparti av gängbotten, En ytterligare fördel med den uppfinningsenliga utform- ningen i förhållande till en konventionell trapetsgänga är att det vid en gängprofil för en hangänga enligt uppfinningen blir lättare att införa tryckspänningar i materialet genom kulbomb- ning eller annan metod, som plasticerar materialet på mikro- nivå, jämfört med vid konventionella gängor. Skälet för detta är att àtkomligheten för ejekterade kulor blir bättre, vilket leder till jämnare och säkrare behandling av gängan. 76231; 2011-05-20 Lämpligen är nämnda mellanliggande ytparti av gängbotten ett centralt ytparti av gängbotten.

Det föredras att nämnda ytpartier med delcirkulär form övergår jämnt i varandra respektive i en närliggande gäng- flank. Härmed avses att det föreligger tangentiella övergångar utan spänningsinducerande avvinklingar. Det föredras även att de övergår direkt i varandra utan förmedling av t ex linjära partier, eftersom sådana övergångar inte bidrar till spän- ningsnivåreduktion.

Lämpligen uppgår ett förhållande mellan en radie hos ett respektive ytparti närmast en gängflank och en radie för ett centralt ytparti av gängbotten till omkring 0,05 - 0,7, före- draget till omkring 0,3 0,6, och mest föredraget till 0,35 - 0,55.

Vid en aspekt av uppfinningen är gängspåret, och i synnerhet gängbotten, asymmetriskt, sett i nämnda axiella sek- tion. Med asymmetriska avses här att gängbotten sett i den axiella sektionen saknar symmetri i förhållande till en tänkt radiell linje (indikeras med streckad linje vid L i Fig. 2) mellan två intilliggande gängvallar.

Härvid uppvisar lämpligen gängbotten sådan form att ett ytparti med delcirkulär form anslutande till en gängflank, som motstår tryckflanken, sträcker sig längre in mot en symme- triaxel för borrsträngskomponenten än ett ytparti med del- cirkulär form anslutande till en gängflank, som utgör tryck- flanken. Lämpligen sträcker sig en gängflank, som motstår tryckflanken längre in mot symmetriaxeln för borrsträngskompo- nenten än vad en gängflank, som bildar tryckflank, gör. Ett förhållandet mellan en radie för ytpartiet med delcirkulär form anslutande till den gängflank, som bildar tryckflank och en radie för ett ytparti med delcirkulär form anslutande till den gängflank, som motstår tryckflanken är således i denna utföringsform större än 1 och lämpligen mellan 1 och 10. 76231; 2011-05-20 Det föredras att gängflankerna har linjär utsträckning sett i en axiell sektion för borrsträngskomponenten.

Vid en utföringsform av uppfinningen är gängan en konisk gänga, varvid en lämplig konvinkel för den koniska gängan är en konvinkel av 20 - BW Företrädesvis är gängbotten, åtminstone i ett ytomräde anslutande till en gängflank, som inte utgör tryckflank, utformad med ett sådant djup i förhållande till en höjd av en gängtopp hos gängan att, vid snedställning av ett sammansatt gängförband, kontakt etableras mellan en närliggande gängtopp hos hangängan med en gängbotten hos hongängan och kontakt i nämnda ytområde anslutande till den andra gängflanken med en gängtopp hos nämnda hongänga undviks därmed.

Härigenom uppnås att gängförbandet förlänas bättre egen- skaper vid borrning med snedställt förband.

Vid ej obetydlig snedställning resulterande från relativt starkt krökta borrhål, ökas annars risken för utmattningsbrott hos gängförbandet med förlust av borrsträngen i borrhålet som följd.

Genom denna aspekt uppnås att, även vid fall av sned- ställda gängförband, kontakt mellan hongängans gängtopp med ett gängrotparti hos hangängan undviks, varigenom kontakt således undviks där den största spänningskoncentrationen upp- kommer. Sådan kontakt leder annars till upphettning i kontakt- området, varvid materialet avhärdas och lätt skadas, vilket tenderar att medföra nackdelar med utmattningsbrott hos han- gängan eftersom potentiella spänningskoncentrationer uppkommer vid ett i hög grad oönskat ställe.

Genom uppfinningen uppnås att spänningsreducering och genom undvikande av kontakter i hangängans botten enligt ovan på ett fördelaktigt sätt kan kombineras, och särskilt vid asymmetriskt utformat gängspår hangängan kan utformas för att tillgodose i princip olika ändamål närmast respektive gäng- 7623l; 2011-05-20 flank. Härigenom kan gängan utformas så att ett minsta tvär- snitt hos gängan kan göras större i jämförelse med vad som skulle vara fallet vid känd teknik.

Vid en särskilt föredragen aspekt är gängan en hangänga för ihopgängning med en komplementär hongänga inrättad på en annan borrsträngskomponent. Gängan är dock även med fördel en hongänga för ihopgängning med en komplementär hangänga inrät- tad på en annan borrsträngskomponent.

Uppfinningen avser även ett gängförband omfattande en hangänga och en hongänga, varvid gängförbandet är utformad med en anordning enligt ovan.

Uppfinningen avser vidare en borrsträngskomponent från gruppen: en borrkrona, en borrstång, en skarvhylsa, en nack- adapter, vilken innefattar åtminstone en anordning enligt OVBIJ. .

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGAR På ritningarna visar: Fig. 1 schematiskt olika borrsträngskomponenter utrustade med uppfinningsenliga anordningar, Fig. 2 en del av en axiell sektion genom ett gängförband, Fig. 3 visar en detalj av ett gängförband enligt fig. 2 i snedställt tillstånd, Fig. 4a utgör en datorsimulering av en belastningssitua- tion och figuren visar en partiell sektion genom den upp- finningsenliga gängprofilen med indikation av erhållen spän- ningsfördelning över området av och under gängbotten, Fig. 4b utgör också en datorsimulering av en belastnings- situation och figuren visar en partiell sektion genom en kon- ventionell gängprofil med indikation av erhállen spänningsför- delning över området av och under gängbotten Fig. 5 visar i en axiell sektion ett koniskt gängförband enligt uppfinningen, och 76231; 2011-05-20 Fig. 6a - c och 7a - b visar detaljer av en gänga enligt uppfinningen.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Till gruppen borrsträngskomponenter, vilka avses med denna uppfinning, hör borrkronor, borrstänger, nackadaptrar, skarvhylsor och övergångsadaptrar.

I fig. 1 visas som exempel olika borrsträngskomponenter respektive delar därav, med anordningar enligt uppfinningen, nämligen: a) En borrstång med en hangänga såväl som med en hongänga. b) En nackadapter med en hangänga. c) En del av en borrstång med en konisk gänga. d) Delar av borrstänger med en hangänga resp. en hongänga. e) En borrkrona med en hongänga. f) En skarvhylsa med två hongängor.

Gängförbanden syftar till sammangängning av borrsträngs- komponenter för slående borrning. Inuti borrsträngskomponen- terna förlöper axiellt genomgående en spolkanal för överföring av spolfluid till borrkronan.

I fig. 2 visas en detalj av ett uppfinningsenligt gängförband, varvid en första gängvall 7 och en andra gängvall 7' är visad tillhörande hangängan. En gängvall för hongängan är betecknad med 8. Mellan gängvallarna 7 och 7' är beläget ett gångspår 9, vilket mottar gängvallen 8, vilket har en väsentligen likformig tvärsnittsform utmed sin utsträckning.

Gängspåret 9 har en gängbotten 12, vilken uppvisar ett flertal i varandra övergående ytpartier med delcirkulär form, nämligen ett första ytparti Yl med en radie RA närmast en första gängflank 10, vilken utgör tryckflank, ett andra ytparti Y2 med en radie RC närmast en andra gängflank ll samt ett mellanliggande, här centralt, ytparti YC med en radie RB.

Ytpartierna övergår jämt, nämligen tangentiellt i varandra, 76231; 2011-05-20 vilket föredras, även om det kan förekomma linjära övergångar och även, vilket inte rekommenderas, ojämna övergångar med vinkelsteg mellan ytpartierna. Gängflankerna bildar samma vinkel mot en symmetriaxel för gängan. Normalt är denna vinkel 350. I vissa fall kan andra vinklar vara aktuella, t ex 45Ü Radien RB för det centrala ytpartiet YC är större än båda radierna närmast de båda gängflankerna 10 och 11. Lämpligen uppgår ett förhållande mellan RA respektive RC och RB till omkring 0,05 - 0,70, föredraget till omkring 0,30 - 0,60, och mest föredraget till 0,35 - 0,55. Härigenom uppnås de fördelar beträffande reducerade spänningsniväer, som redogörs för i beskrivningsinledningen ovan.

Vid en aspekt av uppfinningen uppvisar gängbotten 12, i ett ytområde anslutande till den andra gängflanken 11, ett sådant djup i förhållande till en höjd av gängvallen 7' att vid snedställning av gängförbandet, kontakt etableras först mellan gängtoppen hos gängvallen 7' hos hangängan med en gäng- botten 13 hos hongängan.

En tänkt radiell linje mellan två intilliggande gäng- vallar är betecknad med L. En minsta tvärsnittsradie med B. 6 betecknar en spolkanal.

Detta framgår mer i detalj i fig. 3, varvid en snedställ- ning har uppkommit mellan hongängan 3 och hangängan 2. En centrumaxel för hongängan indikeras med dubbelstreckprickad linje under det att en centrumaxel för hangängan indikeras med en enprickstreckad linje. Snedställningen är i fig. 3 över- driven för tydlighets skull, och indikeras med vinkeln a.

Som framgår av fig. 3 har således kontakt uppkommit i området 13 - 14, vilket motsvarar att kontakt uppkommit genom att gängtoppen 14 hos hangängan kommit i anliggning mot gäng- botten vid 13 hos hongängan. I ytområdet indikerat med 15, vilket är området av roten av hangängans gängvall vid den andra gängflanken 7', förekommer ingen kontakt mellan hon- 76231; 2011-05-20 gängans gängtopp och hangängans gängbotten, vilket medför att bränningar eller pitting i detta område undviks, varvid såle- des undviks annars ovan diskuterade medföljande uppvärmning av omràdet 15, avhärdning av detta samt risk för utmattnings- skador hos hangängan.

Fig. 4a visar erhållen spänningsfördelning över området av och under en gängbotten av en hangänga 2, vilken är ihop- skruvad med en ej visad hongänga. Av figuren framgår ett antal linjer med samma spänning, varvid sifferangivelserna (60% - 85%) avser andel i procent av den maximala spänningen, som uppträder vid en jämförelsegänga, vilket är en konventionell trapetsgänga enligt Fig. 4b. Det ska betonas att lastför- hållandena är lika för de två jämförelseobjekten i figurerna 4a och 4b.

Som framgår av Fig. 4a är den största spänningskoncentra- tionen lokaliserad till ett ytligt område relativt nära tryck- flanken 10. Den maximala registrerade spänningen är något över 85% av den maximala spänningen, som uppträder vid jämförelse- gängan. Av figuren framgår också att spänningen är utbredd över ett stort område och att spänningen förlöper utan språng och ojämnheter.

Som framgår av Fig. 4b är den största spänningskoncentra- tionen även här lokaliserad till ett relativt litet ytligt område relativt nära tryckflanken 10. Den maximala registre- rade spänningen vid jämförelsegängan är naturligtvis defini- tionsmässigt 100%. Av figuren framgår också att spänningen är utbredd över ett mindre område.

En jämförelse mellan resultaten i Fig. 4a och 4b ger vid handen att den maximala spänningen i rotområdet vid en gänga enligt uppfinningen har reducerats med uppåt 12 - 15%. Där- utöver framgår att spänningsfördelningen vid den konven- tionella gängan, trots den högre spänningsnivån, är mer kon- 76231; 2011-05-20 lO lO centrerad, vilket ger större materialpåverkan vid belast- ningen.

Detta goda resultat för en gänga enligt uppfinningen är överraskande och indikerar att en avsevärd förbättring vad avser utmattningshållfasthet kan förväntas med en anordning enligt uppfinningen i jämförelse med den konventionella gängan.

I Fig. 5 visas en konisk gänga enligt uppfinningen, med en hangänga 2 och en hongänga 3. Även vid denna utföringsform har respektive gängspàr en väsentligen likformig tvärsnitts- form utmed utsträckningen.

I Fig. 6a visas en detalj av ett gängspàr med två ytpar- tier med delcirkulär form (med respektive radie RA och RB) övergående jämnt och direkt i varandra. I Fig. 6b visas en detalj av ett gängspàr med två ytpartier med delcirkulär form (med respektive radie RA och RB) övergående i varandra via ett rätlinjigt parti betecknat med X. I Fig. 6c visas en detalj av ett gängspàr med två ytpartier med delcirkulär form (med respektive radie RA och RC) övergående ojämnt i varandra, dvs. ej tangentiell övergång vid den ofyllda pilen.

I Fig. 7a visas en detalj av ett gängspàr med en gäng- flank 10 och ett ytparti med delcirkulär form (med radie RA) övergående jämnt och direkt i varandra. I Fig. 7b visas en detalj av ett gängspàr med en gängflank 10 och ett ytparti med delcirkulär form (med radie RA) övergående ojämnt i varandra, dvs. ej tangentiell övergång vid den ofyllda pilen.

Uppfinningen är tillämplig vid olika typer av borrsträngskomponenter, och är särskilt fördelaktig vid han- gängor, eftersom vid dessa spänningskoncentrationer har sär- skilt stor betydelse för livslängden, helt enkelt på grund av hangängornas konstruktion och relativa utsatthet för belast- ningar. Hongängor i hylsform kan utformas med större inne- boende motståndskraft mot belastning. 76231; 2011-05-20

Claims (19)

10 15 20 25 30 ll PATENTKRAV:

1. Anordning vid en borrsträngskomponent för slående bergborr- ning innefattande en gänga för ihopgängning med en annan, med en komplementärgänga försedd borrsträngskomponent, varvid gängan uppvisar ett gängspår (9) bildat av två gängflanker (l0,ll), varav en i användning bildar tryckflank, och en mel- lanliggande gängbotten (12), och varvid gängspåret (9) har en väsentligen likformig tvärsnittsform utmed sin axiella utsträckning, kännetecknad av - att nämnda gängbotten (12) uppvisar åtminstone tre ytpartier (Yl,Y2,YC) med delcirkulär form, sett i en axiell sektion, och - att nämnda ytpartier (Yl,Y2,YC) med delcirkulär form har ökande radier, sett från vardera gängflanken till ett mellan- liggande ytparti av gängbotten.

2. Anordning enligt krav 1, kännetecknad av att åtminstone två av nämnda ytpartier (Yl,Y2,YC) med delcirkulär form övergår jämnt och/eller direkt i varandra.

3. Anordning enligt krav 2 eller 3, kännetecknad av att åtmin- stone något av nämnda ytpartier (Yl,Y2) med delcirkulär form övergår jämnt och/eller direkt i en närliggande gängflank.

4. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att ett förhållande mellan en radie (RA,RC) hos ett respektive ytparti (Yl,Y2) närmast en gängflank och en radie (RB) hos nämnda mellanliggande ytparti (YC) av gängbotten (12) uppgår till omkring 0,05 - 0,70.

5. Anordning enligt krav 4, kännetecknad av att nämnda för- hållande uppgår till omkring 0,30 - 0,60. 76231; 2011-05-20 10 15 20 25 30 12

6. Anordning enligt krav 5, kännetecknad av att nämnda för- hållande uppgår till 0,35 - 0,55.

7. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att gängspåret (9) är asymmetriskt, sett i nämnda axiella sek- tion.

8. Anordning enligt kravet 7, kännetecknad av att gångbotten (12), i ett ytparti (Yl) med delcirkulär form anslutande till en gängflank (11), som motstàr tryckflanken sträcker sig längre in mot en symmetriaxel för borrsträngskomponenten än ett ytparti (Y2) med delcirkulär form anslutande till en gäng- flank (10), som bildar tryckflank.

9. Anordning enligt krav 7 eller 8, kännetecknad av att en gängflank (11), som motstår tryckflanken sträcker sig längre in mot en symmetriaxel för borrsträngskomponenten än vad en gängflank (10), som bildar tryckflank, gör.

10. Anordning enligt något av kraven 7 - 9, kännetecknad av att ett förhållande mellan en radie (RA) för ytpartiet (Y1) med delcirkulär form anslutande till den gängflank (10), som bildar tryckflank, och en radie (RC) för ett ytparti (Y2) med delcirkulär form anslutande till den gängflank (11), som mot- står tryckflanken år mellan 1 och 10.

11. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att gängflankerna (10,11) har linjär utsträckning sett i en axiell sektion för borrsträngskomponenten.

12. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att gängan är en konisk gänga. 76231; 2011-05-20 10 15 20 25 30 13

13. Anordning enligt kravet 12, kännetecknad av att den koniska gängan har en konvinkel av 20 - 80.

14. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att gängan är en hangänga för ihopgängning med en komplementär hongänga inrättad på en annan borrsträngskomponent.

15. Anordning enligt något av kraven 1 - 13, kännetecknad av att gängan är en hongänga för ihopgängning med en komplementär hangänga inrättad på en annan borrsträngskomponent.

16. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att gängbotten, åtminstone i ett ytområde anslutande till en gängflank, som inte utgör tryckflank, är utformad med ett sådant djup i förhållande till en höjd av en gängtopp hos gängan att, vid snedställning av ett sammansatt gängförband, kontakt etableras mellan en närliggande gängtopp hos en han- gänga med en gängbotten hos en komplementär hongänga, och kon- takt i nämnda ytområde anslutande till den andra gängflanken med en gängtopp hos nämnda hongänga undviks.

17. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att nämnda mellanliggande ytparti av gängbotten är ett cent- ralt ytparti av gängbotten.

18. Gängförband omfattande en hangänga och en hongänga, varvid gängförbandet är utformad med en åtminstone en anordning enligt något av kraven 1 - 17.

19. En borrsträngskomponent från gruppen: en borrstång, en nackadapter, en skarvhylsa, en borrkrona, en övergângsadapter, vilken innefattar åtminstone en anordning enligt något av kra- ven 1 - 17. 76231; 2011-05-20