SE520729C2 - Tunnväggig borrstångs- foderrörsförbindning - Google Patents

Description

U) Ul - 520729 hos tappen eller hylsan. Således kan petroleumindustrin använda längre förbindningar och olika gängprofiler och ansatser mellan ändarna hos förbindningen, som inte åstadkommer lämpliga förbindningshàllfastheter och varaktighet för djupborrning i mineralprovborrnings- industrin inom de parametrar för rör som används för mineralprovborrningsindustrin. Vidare är åstadkommande av tätningar i förbindningarna viktigt i olje- och gas- industrin för att förhindra förlust av produkten och/eller produktförorening från läckage, medan det inte är så kritiskt i mineralprovborrningsindustrin varvid radialansatstätning (-ar) hålla tillräckligt vatten- endast tjänar till att bibe- (borrningsfluid)-tryck för att förhindra brännande av borrkronan och skölja bort bort- brutna stycken från kronan.

Dessutom är i mineralprovborrningsindustrin vissa borrhål avsiktligt avböjda från en rak linjeriktning för att undersöka en malmkropp medan vissa borrhàl inte är av vilka båda likformiga, t ex har blivit urspolade, medger att borrsträngen slår. Såsom ett resultat kan förbindningen vara föremål för växlande spänningar i kombination med stora medelspänningar, vilket erfordrar en hög utmattningshållfasthet.

Dessutom, vid mineralprovborrning, innefattar rätt ihopsättning av förbindningar vridmomentfördragning med låg hastighet och små genomborrningskrafter används, i jämförelse med de för petroleumindustrin. Vidare används önskvärt i mineralprovborrningsindustrin tunnväggiga rör med låg vikt och smala hål. Således erfordras inga in- riktningsstyrningar.

I mineralprovborrningsindustrin tas mineralkärnprov upp genom innerdiametern hos borrsträngen med ”i-hàlet- verktyg”, t ex enheter med vajerförsedda provtagnings- cylinderinnerrör. Då det finns ett litet ringformigt ocn ytterdiameterr hos röret, drabbas den radiella yttre ytan hos förbindningen av nötning på grund ___ 1 __- _- Spelïul mellan borïhålê t och speciellt eftersom hålet inte är rakt, l5 br) UI 520729 av hålslitning. Således kan eventuell deformation av för- bindningen inuti rörets inre förhindra upptagning av kärnan eller i-hålet-verktyget medan eventuell deforma- tion på utsidan av förbindningens normalytterdiameter, t ex stukning radiellt utåt, kommer att öka nötning och minska livslängden för borrstångs- eller foderrörförbind- ningen.

Vidare, för upptagning av kärnan under jordborr- ningsprovtagningsoperationer, är det högst angeläget att erhålla den maximala diametern hos kärnan per en given borrhålsdiameter och samtidigt minimera ickeproduktiv borrningstid som inträffar under rörelse av borrnings- verktyget mellan borrningsytan och den axiella inneränden hos borrhålet (borrkroneänden). Med tjockväggigt rör reduceras diametern hos kärnan relativt diametern hos borrhålet och/eller reduceras det ringformiga spelrums- utrymmet mellan borrningsverktyget och borrsträngen.

Vissa vajerdiamantborrstänger av konventionell stor- lek har ytterdiametrar av 2 % tum-3 % tum (69,85 mm-88,90 mm). För sådana borrstänger av standardstorlek är vägg- tjockleken omkring 0,19 tum-0,22 tum (4,82 mm-5,58 mm), varvid väggtjockleken är omkring 6-7% av respektive borr- stångsytterdiameter.

För att åstadkomma rörförbindningar användbara i mineralprovtagningsindustrin för tunnväggiga rör som används såsom borrstänger och foderrör som är starkare och motstår de spänningar som stöts pà, i synnerhet under djuphälsborrning, och för att underlätta ihopsättning och isärtagning och minska sannolikheten för ihopvridning, har denna uppfinning gjorts.

Sammanfattning av unnfinninqen (borrstång och foderrör) för mineralprovtagning (handelar) med invändiga cirkulärcylindriska ytor som Rör är tunnväggiga och har tappar och hylsor (hon- delar) sträcker sig axiellt mellan axiellt mellanliggande gänga- de sektioner till respektive intilliggande nosändeansats och basansats med ansatserna avsmalnande omkring 5°-lO° b.) UI 520729 Å , ; . . ~ relativt en normal till förbindelsens centralaxel. Den gängade sektionen hos var och en av hylsan och tappen smalnar av varvid respektive gänga har ett väsentligen konstant djup genom hela sin periferilängd mellan tapp- och hylscylindersektionerna och varvid toppen respektive botten har en konstant bredd genom hela sina periferi- längder (gängvarv) förutom vid sin föreningspunkt med sektionerna som har cylindriska ytor. Djupet hos hyls- och tappgängorna har relativa tjockleksdimensioner så att tapptoppen anligger mot hylsbotten medan ett radiellt gap mellan hylstoppen och tappbotten lämnas. Hyls- och tapp- gängorna har tryckflanker av omkring -7,5° till -l5° för att sörja för lägre spänningstillstånd och spelrums- flanker av omkring 45° till 60° för att underlätta genom- borrning utan att skada gängorna.

Kort beskrivning av ritninqarna FIG 1 är en fragmentarisk längsgående sektionsvy genom ett flertal anslutna borrstänger i en borrsträng med ett längsgående mellanliggande parti hos en av borrstångerna bortbrutet; FIG 2 är en förstorad, fragmentarisk längsgående sektionsvy av en av stångförbindningarna enligt fig l, varvid de streckade linjerna indikerar läget för topparna och bottnarna hos gängorna diametralt motsatta de som visas med heldragna linjer och varvid förbindelsen visas i ett handàtdraget tillstànd; FIG 3 är en fragmentarisk längsgående vy av tappänden hos en borrstàng som delvis sträcker sig in i hylsänden hos en intilliggande borrstång varvid hylsan och ena halvan av tappen visas i tvär- sektion och förbindningen visas i ett löst tillstànd; FIG 4 är en fragmentarisk längsgående sektionsvy som visar profilen hos gängorna hos en hylsa enligt fig 1, varvid vyn är pä den diametralt motsatta sidan av förbindningen som visas i fig 2; lO LA) U1 520729 FIG 5 är en fragmentarisk längsgående sektionsvy som visar profilen hos gängorna hos en tapp enligt fig 1, varvid vyn som visas är pà den diamet- ralt motsatta sidan av förbindningen som visas i fig 2; FIG 6 är en ytterligare förstorad, fragmentarisk längsgående sektionsvy av den gängade förbind- ningen enligt fig 3; och FIG 7 är en förstorad vy av cylinderändpartierna hos en stängförbindning enligt fig 3 med ett mellanliggande parti bortbrutet, varvid de streckade linjerna indikerar läget för topparna och bottnarna hos gängorna som är belägna dia- metralt motsatt de som visas med heldragna linjer.

Detaljerad beskrivning av den föredragna utföringsformen Med hänvisning till fig 1 har varje foderrör eller ett huvudstomparti M som sträcker sig (hondel) (handel) P varvid huvudstommen kan ha samma yttre diameter som borrstàng (rör) mellan dess hylsa B och dess tapp hylsan och samma innerdimeter som tappen eller vara invändigt utvidgad varvid huvudstommen har en större invändig diameter än hylsan och tappen utan ökning i väggtjocklek, eller ett kompositrör varvid hyls- och tappändpartierna förbinds med en huvudstomme efter att de har bildats. standard som begränsas av borrningsutrustningsstandarder Ytterdiametrarna hos röret är av industri- medan innerdiametrarna har en minimistorlek enligt industristandard för att medge passage av kärnprovverktyg av industristandardstorlek. Innerdiametern kan dock över- dimensioneras med åtföljande minskad väggtjocklek inom de gränser som hänvisas till häri. Den resulterande vägg- tjockleken kan varieras inom gränser för standardytter- diameterstorlek. Foderrörets väggtjocklek är tjockare och har större diameter än borrstängsröret eftersom det typiskt används för att ”fodra” jordborrningshàl, för att lO LA) Ul 520729 làta borrstänger passera därigenom eller för jord- slagningstestning.

Den tunna väggtjockleken hos röret vilken i sin tur begränsar tjockleken hos cylinderändsektionerna 13 och 14 begränsar, direkt eller indirekt, tillåtna områden för tappens och hylsans parametrar beskrivna häri.

Varje tapp P innefattar en ändcylindersektion 11 och en bascylindersektion 12 med en enkelingàngs, avsmalnande tappgänga T som sträcker sig mellan cylindersektionerna 11 och 12 medan varje hylsa B innefattar en ändcylinder- sektion 13 och en bascylindersektion 14 med en enkel- ingängs, avsmalnande gänga W som sträcker sig mellan cylindersektionerna 13 och 14. Cylindersektionerna 11 och 13 sträcker sig axiellt mellan tappändens (nos) ansats 11A och den streckade linjen 11B (se fig 3) respektive hylsändens (nos) ansats 13A och den streckade linjen 13B.

Var och en av nosändcylindersektionerna 11 och 13 har väsentligen konstant invändig diameter (cirkulärcylind- rig) genom väsentligen hela sin axiella längd, dvs de radiella inre respektive yttre ytorna har väsentligen konstanta radiella inre och yttre diametrar genom hela sina axiella längder. Tapp- och hylsbascylindersektioner- na 12 och 14 sträcker sig axiellt mellan tappändansatsen 12A och den streckade linjen 12B respektive hylsändan- satsen 14A och den streckade linjen 14B.

De streckade linjerna 11B, 12B, 13B och 14B visar ändarna hos respektive cylindersektion som är belägna axiellt mittemot cylinderändarna intill ansatserna 11A, 12B, 13A respektive 14A. Ansatserna har stympat koniska ytor som inåt smalnar av radiellt i en riktning axiellt bort från hylsbasansatsen mot änden hos borrsträngen vid borrningsytan (ej visad). Bascylindersektionerna har konstanta utvändiga och invändiga diametrar genom hela sina axiella längder, förutom för partierna 23A hos gängorna som bildas däri. Med hänvisning till partierna 23A ska det noteras att en avslutande ände hos gängorna ligger axiellt mellan bascylindersektionsändarna medan de (JJ UI 520729 skruvformade motsatta ändarna hos gängorna ligger intill cylindersektionändarna llB respektive l3B. Således är toppartierna hos gängorna, som är belägna mellan de axiellt motsatta ändarna hos cylindersektionerna 12 och 13 snarare cylindriska än avsmalnande. Vid användning är dock sådan cylindrisk gängsektion belägen radiellt intill cylindersektioner hos den andra av tappen respektive hylsan.

Genom att inte smalna av ändcylindersektionerna minskas inte väggtjockleken, såsom annars skulle inträffa med åtföljande reducerade tryckhällfasthet medan, genom att inte smalna av tapp- och hylsbascylindrarna, vägg- tjockleken därav inte minskas vilket annars skulle in- träffa med ätföljande reduktion av draghàllfasthet. Vägg- tjockleken hos cylindersektionerna begränsar dock för- bindningsavsmalningen för en given gänglängd.

Tjockleken hos hylsändcylindersektionen 13 är större än tappändcylindersektionen ll för att möjliggöra större nötning på förbindningens ytterdiameter som härrör från slitning i hålet. Detta resulterar i att förbindningen har en ökad livslängd.

De avslutande nosändansatserna 11A respektive 13A hos tappens och hylsans ändcylindersektioner, vilka är väsentligen stympat koniska förbinds med de radiella inre och radiella yttre cylinderytorna hos cylindersektionerna genom rundade och respektive eller avfasade ytpartier. Pà liknande sätt har tapp- och hylsbascylindersektionerna stympat koniska ytor (ansatser) 12A respektive 14A för- bundna med cylindersektionens radiella yttre respektive radiella inre cylinderyta genom rundade och/eller av- fasade ytpartier axiellt motsatta respektive nosyta. Den radiella komponenten hos de rundade och/eller avfasade ytpartierna som förbinder ansatsen med cylindersektionens inre och yttre cylinderytor är med fördel mindre än 15% av den avsmalnade dimensionen hos den intilliggande an- s sat en för respektive cylindersektion. b) U'1 ' 5207291 Cylindersektionsnosens stympat koniska yta 13A passar ihop med basens stympat koniska yta 12A vid för- bindningsihopsättning och trycker för att stå emot den spänning som förorsakas i tappen när förbindningen vrid- momentfördras såväl som för att motstå eventuella tryck- laster på borrsträngen, varvid det därefter noteras att gängorna inte håller för trycklaster eftersom spelrums- flankerna 18, 19 hos gängorna inte passar ihop när för- bindningen sätts ihop. Cylindersektionsnosens stympat koniska yta 11A kan även passa ihop med basens stympat koniska yta 14A vid höga vridmomentbelastningar eller höga tryckbelastningar. Sådana tryckbelastningar härrör från t ex matningstryck på förbindningar nära borrkronan (ej visad) på borrsträngen eller ”slående” belastningar som läggs på foderröret för jordtestning. Nosytornas (1lA och 13A) gränsytor med basens stympat koniska ytor (l4A och 12A) när de är ihoppassade överför en betydande del av torsionsbelastningen i borrsträngen genom förbind- ningen och minimerar därigenom torsionsspänningar på tappen.

De radiella, yttre cylindersektionsytorna (ansatser- na) 12A, av omkring 5-10° med hänvisning till en normal till för- 13A smalnar av i en vinkel 21 (se fig 2 och 7) bindningens centralaxel C-C (längsgående geometriaxel för borrstången) så att eventuell förbindningsdeformation riktas väsentligen radiellt inåt genom deras avsmalnande gränsyta för att undvika slitning i hålet. Vinkeln är liten för att undvika framkallande av utifrån kommande böjspänning in i hylscylindersektionen från ansatsgråns- ytans normalkrafter. Dessutom har cylindersektionsansat- serna toleranser så att eventuella framkallade böj- spänningar böjer cylindersektionerna 12, 13 in i förbind- ningsvåggen istället för att ”stuka” ut. En liten avfas- ning l1E och l4E kan åstadkommas för att var för sig förbinda ansatsen 11A med den invändiga periferiella väggen hos tappen och ansatsen 14A med den invändiga periferiella väggen hos hylsan. lO l5 LU UI 520729 De radiella inre ansatserna 11A, 14A är också av- smalnande vid 5-lO° som mäts från en normal till förbind- ningens centralaxel varigenom eventuell deformation av cylindersektionerna 11, 14 riktas inät av den avsmalnande gränsytan för att undvika ”hakande” i-hälet-verktyg när verktyget rör sig i borrsträngen intill förbindningen.

Dessutom är den axiella längden hos tappen kortare än hylsan, t ex omkring 0,002-0,004 tum (0,05 mm-0,10 mm) för att säkerställa att tappens ändansats 11A inte passar ihop med hylsans basansats 14A förrän förbindningen utsätts för tillstànd av stor vridmomentsbelastning eller stor tryckbelastning.

För förbindningar enligt föreliggande uppfinning är företrädesvis den minimala axiella längden hos en cylin- dersektion (axiellt avstånd från en ansats längs den radiella innerytan till den närmast intilliggande delen som har betecknats 20 för cylindersektion 13, (3,81 mm) gängbredd som behövs för att åstadkomma till- av gängan) omkring 0,15 tum för en 4 tpi (6,4 mm gäng- stigning) räckligt utrymme för gängskärningsverktyget att lämna den avsmalnande sektionen hos förbindningen och dra verktyget ut ur cylindersektionen. De axiella längderna hos cylin- dersektionerna 12, 13 mäste vara lika för att de ska passa förutom vid gängutdragningssektionerna 23A. Den maximala längden hos cylindersektionerna är omkring 0,20 (5,08 mm) (8,5 mm gängstigning) gäng- (6,09 mm) gängbredd för stora foderrör. tum för en 3 tpi bredd för borrstänger och 0,24 tum för en 2,5 tpi (lO,4 mm gängstigning) Ju längre cylindersektioner 11, 13, desto större är risken för att skadliga böjnings- eller bucklings- spänningar framkallas av de ihoppassande förbindningsytorna.

Den axiella längden hos cylindersektionen 13 är väsentligen lika som den för cylindersektionen 12 och säledes när förbindningen sätts ihop är gängpartiet 23A radiellt motsatt den invändiga ytans cirkulärcylinderyta hos cylindersektionen 12. Pà liknande sätt är den axiella LU U'l s2o729 i {=¶ längden hos cylindersektionen ll väsentligen lika som den för cylindersektionen 13 och således är sektion ll radi- ellt motsatt ett gängat parti hos hylsan när förbind- ningen sätts ihop. Vidare, förutom för de axiella kompo- nenterna hos eventuell avfasning och rundad yta vid de avslutande ändpartierna hos hylsan och tappen, som vanligtvis är väsentligen mindre än 10% av de axiella längderna hos cylindersektionerna, har cylindersektio- nerna ll och 13 väsentligen konstant väggtjocklek.

De gängade partierna hos förbindningen, som är be- lägna mellan cylindersektionerna är koniska med en liten avsmalning, med de tjockaste partierna hos den gängade sektionen belägna axiellt intill basen hos respektive tapp och hylsa. Den lämpliga avsmalningsgraden för gän- gorna är viktig i det att tappens ände vid ihopsättning av förbindningen kan föras in i hylsans ände med ett stort spelrum vilket möjliggör betydande initial, axiell och koncentrisk felinriktning. Spelrummet minskar gradvis när de koniska ytorna hos tappen och hylsan närmar varandra. Företrädesvis är den minimala avsmalningen 29 hos förbindningen, bortseende tolerans, O,75° för att öka ihopsättningslätthet och gängingreppsfördelning, fastän den minimala kan vara så liten som O,5°. Den minimala avsmalningen är en viktig faktor vid definiering av den maximala tillåtna längden för en förbindning för en given (slät)- tjocklek. Den maximala avsmalningen för förbindnings- ogängad cirkulärcylindrisk tapp- eller hylsvägg- gängorna begränsas av rörväggtjockleken, tjockleken för cylindersektionen, höjden pà gängan och gänglängden. Den maximala avsmalningen för mer tunnväggiga rör är l,3° medan avsmalningen pà mer tjockväggiga rör kan vara sä stor som omkring 1,6? Det finns tre primära fördelar som kan härledas ur användande av lämplig avsmalning. En är att när förbind- afi den avslutande änden hos tappen föras in i änden hos hylsan med ett stort spelrum vilket möjliggör betydande initial, axiell och koncentrisk fel- LU (fl 520729 ll inriktning. Spelrummet minskar gradvis när de koniska ytorna hos gängorna närmar sig varandra. Detta under- lättar ihopsättning av en förbindning.

En andra egenskap för användande av avsmalnande förbindningar är utjämningen av spänningsfördelning längs gänglängden. I alla gängade förbindningar är tappen spänd sä att tappgängspiralen elastiskt sträcks isär (stig- ningen minskar) medan hylsan belastas av tryck så att hylsgängspiralerna elastiskt pressar ihop varandra (stig- ningen ökar). Såsom ett resultat vrids inte belastningen längre längs längden av gängan utan är koncentrerad vid den första delen av tapp- och hylsgängingreppet. Denna tendens utjämnas genom att orsaka att mera elastisk deformation inträffar vid ändarna av tappen och hylsan och åstadkomma en mera jämn ingreppsbelastningsfördelning längs gängans längd.

En tredje fördel är att toleransen för förbindelse- avsmalningen säkerställer maximal utmattningshällfasthet.

Eftersom det alltid finns en tillverkningstolerans pà förbindningens avsmalning skulle det normalt vara möjligt för hylsan att ha en nägot större avsmalning än tappen eller vice versa. Toleranserna är dock satta att säker- ställa att tappens avsmalning kommer att vara lika eller något större än hylsans avsmalning oberoende av tillverk- ningsresultatet. Detta placerar den största mängden presspassningar vid tappens bas där den kritiska spän- ningssektionen är belägen. Ett standarddiagram, ”modifie- rad Goodman”, visar att utmattningshällfasthet under växlande spänning minskar med ökande medeldraghàllfast- het. uppfinning för att minimera mängden växlande spänning vid Med tolerans för avsmalningarna verkar föreliggande maximalspänningssektionen och maximerar således utmatt- ningshàllfastheten och förbindningens avvikelsekapacitet.

Det är önskvärt att ha förbindningsavvikelsekapacitet för att kunna böja borrstàfigen för att forändra borrhàlets riktning. lO l5 520729 l2 Hyls- och tappgängorna W och T klassificeras allmänt såsom en avsmalnande, modifierad stödgängform varvid vinklarna 30 och 31 hos tryckflankerna 22 respektive 23 är smà och vinklarna 40 och 41 hos spelrumsflankerna 19 och 18 jämförelsevis är stora. Vidare har hyls- och tapp- gängorna toppar 32 och 33 och bottnar 34 respektive 35.

Toppen hos hylsgängan har en stympat konisk yta som sträcker sig längs den skruvformade längden därav axiellt mellan hylscylindersektionerna för vilka generatrisen är en rak linje som smalnar av relativt rörets centralaxel, C-C medan botten hos hylsgängan på samma sätt har en stympat konisk yta som pà liknande sätt är avsmalnande relativt rörets centralaxel. På liknande sätt har toppen hos tappgängan en stympat konisk yta som sträcker sig längs den skruvformade längden därav, axiellt mellan tappcylindersektionerna för vilka generatrisen är en rak linje som smalnar av relativt rörets centralaxel, medan botten hos tappgängan har en stympat konisk yta för vilken generatrisen är en rak linje som smalnar av rela- tivt rörets centralaxel. Företrädesvis är avsmalningarna hos tapp- och hylsgängans stympat koniska ytor inom området för den gänga som tidigare har skildrats.

Ytterdiametern hos cylindersektionen 12 innefattande tappgängans topp är väsentligen konstant längs den axiella längden därav, axiellt mellan ansatsen 12A och den streckade linjen 12B, förutom för det periferiella partiet 23A hos tappgängan bildat däri. Vidare är ytter- diametern som hänvisats till i föregående mening betyd- ligt större än ytterdiametern hos cylindersektionen 11.

Pà liknande sätt är innerdiametern hos cylindersektionen 14, innefattande toppen hos hylsgängan väsentligen konstant längs den axiella längden därav, axiellt mellan ansatsen 14A och streckade linjen 14B, förutom för det periferiella partiet hos hylsgängan bildat däri. Vidare är inn^r iametern som det hänvisas till i föregående mening betydligt mindre än innerdiametern hos cylinder- sektion 13. bJ (JU 520729 l3 När förbindningen är ihopsatt är tappens gängade parti 23A radiellt inriktat med hylscylindersektionen 13 medan det motsvarande gängade hylspartiet är eller kommer att vara väsentligen radiellt inriktat med tappcylinder- sektionen ll.

De respektive djupen 27 och 28 hos tapp- och hyls- gängorna axiellt mellan cylindersektionerna är proportio- nella mot rörväggtjockleken. Fördelaktigt är, för tunn- väggiga borrstänger, djupet hos var och en av hyls- och tappgängorna i området av omkring 10-15% av borrstàngens huvudväggstomtjocklek när borrstàngen inte är av utvidgad typ. Vidare är vart och ett av hyls- och tappgängdjupen väsentligen konstant längs sina hela skruvformiga längder fràn en cylindersektion till den axiellt motsatta cylin- dersektionen (längs väsentligen hela den skruvformade dimensionen av gängan mellan sektionerna) hos respektive hylsa och tapp i kontrast till försvinnande gängtyper.

Tryckflankvinklarna är negativa och eftersom tryck- flankytorna är förbundna med bottenytorna i spänning är bottenflankskärningspunkterna avrundade vid 57 och 75 omkring 0,0035 tum-0,009 tum (0,089 mm-0,23 mm).

På grund av tryckflanksvinkeln pä vilken gängform som helst förorsakas radiella laster såsom en komponent av normalkraften som verkar mellan ihoppassade tryck- flanker. Genom att inbegripa en negativ flankvinkel i förbindningen ”trycker” de förorsakade radiella lasterna ihop hylsan och tappen, varvid radiella laster förorsaka- de av en positiv flankvinkel ”skjuter” hylsan och tappen ifrån varandra och resulterar i ökad nötning och gäng- stukning. Storleken för den radiella lastkomponenten är lika med tangenten för tryckflanksvinkeln (mätt frän normalen till stàngaxeln C-C) gånger den axiella förbindningslasten. Ju mindre tryckflanksvinkeln är, desto mindre är den förorsakade radiella komponenten. Med de negativa tryckflankvinklarna gäller att ju större dragbelastning som överförs genom förbindningen, desto mer dras tappen och hylsan samman, desto större är h) UI 520729 14 vridmomentsmotståndet mot ihopvridning och desto större är motståndet mot stuknings- (bucklings)-splittring på förbindningsdelar och gängvarv som stukas över varandra.

Det föredras att tryckflanksvinkeln är mellan om- kring -7,5° och omkring -l5°. En mindre minimal negativ flankvinkel skulle inte åstadkomma tillräckligt med flankmaterial för att kunna hantera radiella laster eller utjämna nötning över små gängdjup, och inte heller åstad- komma tillräcklig radiell hyls-/tappstabilitet för tunn- väggiga rör. En större maximal negativ flankvinkel skulle åstadkomma omåttligt stora radiella komponenter, vilket begränsar borrdjupskapaciteten. Genom användande av en negativ flankvinkel elimineras den ökade nötningen och gängstukningen i samband med att hylsor skjuts ut genom Dessutom kommer, positiva flankvinklar. med de negativa flankvinklarna, gängorna att förbli i ingrepp under betydande överbelastning vilket erfordras för att ta upp fastnade borrsträngar eller värdefulla i-hålet-verktyg från djupa hål.

För att underlätta lättheten att sätta ihop en för- bindning har spelrumsflankvinkeln 40 hos hylsan och spel- rumsvinkeln 41 hos tappen ett minimum av omkring 45°. när förbindningen är ihopsatt, finns det ett (O,25 mm) Vidare, omkring 0,010 tum axiellt spelrum mellan tappens och hylans spelrumsflanker. Med ett spelrum mellan spelrumsflankerna när förbindningen är ihopsatt, är det åstadkommet en avlastningspassage för under tryck stående smörjmedel eller bortbrutna stycken. Genom att ha spelrumsflankvinkeln 45° eller större, (t ex omkring 45- 60°) är den radiella impulskomponenten större, och åstadkomma ett spelrum mellan spelrumsflankerna vilket böjer av tappen till inriktning och därigenom under ihopsättning när tappen är felinriktad medger axiell rörelse in i hylsan för att fortsätta. Om spelrumsflanken vore mindre än 45° skulle impulsspelrumsflanken vara brantare och den axiella komponenten för impulsnormalkraften skulle vara betydligt större än den radiella komponenten, och den h) U'1 520729 axiella rörelsen för tappen skulle upptas av hylsan eller reverseras av impulsen och operatören skulle vara tvungen att àterinföra tappen för ihopsättning.

Vart och ett av gàngvarven har samma axiella dimen- sion Y medan den axiella dimensionen X hos en gängbotten (avstånd från skärningspunkten mellan raklinjeutsträck- ningar hos en tryckflank och den stympat koniska ytan hos gängbotten till skärningspunkten mellan raklinjeutsträck- ningar hos den stympat koniska ytan för spelrumsflanken och den stympat koniska ytan hos gängbotten) är mindre än hälften jämfört med den axiella dimensionen Y. Vidare är den axiella dimensionen F hos en gängspelrumsflank hos gängorna fràn skärningspunkten mellan toppens stympat koniska yta och avfasningen 48 till skärningspunkten mellan den stympat koniska ytan hos gängbotten och en raklinjeskärningspunkt hos den stympat koniska ytan för spelrumsflanken fördelaktigt omkring 20-25% av dimen- sionen för X. Dessa dimensioner i anslutning till profilen för gängspelrumsflankerna àstadkommer ett axiellt gap mellan spelrumsflankerna. Axiella dimensioner hos hyls- och tapptoppar och -bottnar för vart och ett av gàngvarven förblir dock väsentligen konstanta axiellt mellan respektive uppsättning av cylindersektionerna.

Dessutom àstadkommer den negativa flankvinkeln lägre spänningstillstànd i förbindningen vilket àstadkommer betydligt högre borrningskapacitet jämfört med en för- bindning med positiv flankvinkel. Radiella lastkomponen- ter framkallar ringtryckspänning (-Oy) i hylsan och ring- dragspänning (+oy) i tappen. Eftersom hylsan utsätts för (-GX) och tappen för drag (+0x), är mittentermen i Von Mises spänningsformel nedan positiv och minskar den tryck maximala spänningen. Omvänt skulle en positiv flankvinkel öka den maximala spänningen.

Von Mises spänningsformel: _, 2 2 , 3,. 2\1/2 Ü -\O'X + Sy ÜXGY -r .øuxy/ max l5 bd U'l 520729 16 varvid GX är den axiella spänningen, -sy är den tangentiella spänningen, I är torsions- w spänningen.

Djupet för varje tapptopp relativt hylstoppens är tillräckligt mycket större så att när förbindningen sätts ihop har tappgängtopparna en presspassning med hylsgäng- botten längs längden av gängan mellan cylindersektioner- na. Denna passning framkallar ett passningsgreppkontakt- tryck, vanligtvis hänfört till som en ”presskrymppass- ning”. De relativa djupen för hyls- och tapptopparna är dock sådana att hylsgängtopparna är radiellt åtskilda fràn tappgängbottnarna. Genom att åstadkomma presspass- ningen erhålls en stel förbindning som maximerar utmatt- ningshàllfasthet och metallnötningsmotstànd genom att motstå relativ rörelse mellan hylsan och tappen vilket resulterar av växlande spänningar orsakade av borrning i avböjda eller böjda häl. Dessutom åstadkommer friktions- kraften som ges av kontakttrycket mellan tapp- och hylsgängorna en ytterligare torsionsöverföringsbana för att förhindra vridmomentsöverbelastning eller "överhop- sättning" av förbindningen och ett vridmoment som gör motstånd mot ”ihopvridning” av förbindningen under minskning av rotationsfarten vilket resulterar av att den roterande driften av borrsträngen vid borrdriftytan upphör.

Varje tapptryckflank är med fördel förbunden med den intilliggande tapptoppen genom en avfasning 47 och varje tappspelrumsflank är förbunden med intilliggande tappbotten genom en avfasning 48. Var och en av avfas- ningarna 47 och 48 kan ha vinklarna 49 och 50 av omkring ° relativt tapptoppen medan den radiella komponenten 52 hos var och en av avfasningarna 47 och 48 kan vara omkring 1/10 av tappgängdjupet 28. Vidare är varje tappspelrumsflank förbunden med den intilliggande tapp- botten genom en radie 55 v' an vara omkring 0,025 l tum-0,040 tum (O,63 mm- lO h) U'| 520729 l7 Vidare är det önskvärt att varje hylstryckflank är förbunden med den intilliggande hylstoppen 32 genom en avfasning 72 i en vinkel 71 som kan vara omkring 30°, och är förbunden med intilliggande spelrumsflank 18 genom en (O,63 Hylsspelrumsflanken är förbunden med in- radie 73 som kan vara omkring 0,025 tum-0,040 tum mm-1,01 mm). tilliggande botten 34 genom radien 74 och är förbunden med intilliggande tryckflank 22 genom radien 75.

Toppartiet hos tappgängan, som är ytterligare radiellt utvändigt belägen i förhållande till centralaxeln C-C än de radiella partierna 55 och 57, är med fördel hàrdgjort medan den återstående delen av tappgängan och hylsgängan inte på motsvarande sätt är hårdgjord.

Med förbindningar enligt föreliggande uppfinning ökas förbindningsstyvheten och motståndet mot ihopvrid- ning i storlek med ökade hàldjup istället för minskning såsom inträffar med förbindningar med tryckflanker som har positiv vinkel. Det vill säga med negativa tryck- flanker, vid ihopsättning av förbindningen, framkallas en radiell last på de ihoppassade gängorna, som likvärdigt motarbetar och bibehåller passningsgrepptrycket. När ytterligare radiella lastkomponenter framkallas från en ökad axiell last (t ex från ökning av borrsträngens längd) ökas tapp-hylspassningsgrepptrycket för att lik- värdigt motarbeta den radiella lasten. Såsom ett resultat ökar rotationshastighetsminskningen som erfordras för att orsaka ihopvridning av förbindningen.

Passningsgreppstorleken mäts genom "hålla-avstånd”- gapet 42 (axiellt mellanrum) mellan de yttre ansatserna 12A och 13A hos förbindningen i ett ”vridningsåtsittande” tillstånd från vilket det verkliga passningsgreppet kan fastställas genom att multiplicera hålla-avstånd-gapet med tangenten för förbindningens avsmalningsvinkel. Det vridningsåtsittande tillståndet är när den initiala storleken vridmoment sätter ihop förbindningen till det läge när tapptopparna först kommer i kontakt med hyls- lO b.) U'l 520729 F F ¿ ¿¿ 18 bottnarna, men innan det blir en presspassning. Förbind- ningen sätts ihop och passningsgrepptryck utvecklas när gapet stängs genom en rekommenderad vridmomentförlast för ihopsättning, men före borrning. Storleken på kontakt- trycket utvecklat genom presspassningen varierar såsom den inverterade kvadraten av diametern hos gränsytan mellan tapptopparna och hylsbottnarna. Såsom ett resultat måste graden av passningsgrepp reduceras till mindre stångrörstorlekar för att förhindra att omåttliga spän- ningar reducerar förbindnings- eller gänghällfastheten och ökas i större stångrör för att utveckla tillräckliga tryck.

Inom den föredragna förbindningsavsmalningen när förbindningen vridmomentfördras är det föredragna hålla- avstånd-gapet 42 mellan tappansatsen och hylsnosens ansatsyta omkring 0,010 tum-0,050 tum (O,25 mm-1,27 mm) med det minimum som erfordras för ett lågt passnings- grepptryck på den minsta stàngstorleken utan att öka potentialen för ihopvridning under det att ett mät- ningsgap i tillverknings- eller justeringssyften bibe- hålles, rörstorlekar för att utveckla tillräckligt passnings- medan det större gapet erfordras för större grepptryck för att utjämna den inneboende potentialen för ihopvridning. Ett hälla-avstånd-gap 43 är ástadkommet mellan tappnosansatsen llA och hylsbasansatsen 14A och är alltid större än gapet 42. När förbindningsavsmalningen är under det föredragna avsmalningsområdet erfordras ett proportionellt större hålla-avståndvärde för att uppnå samma passningsgreppgrad. För halva den specificerade minimiavsmalningsvinkeln erfordras t ex dubbelt hålla- avstàndvärde för att skapa samma passningsgreppgrad.

För mineralprovtagningsrör enligt föreliggande upp- finning är det önskvärt att gängstigningen är omkring 2,5-4,5 :pi (gängor per tum) (lO,2 mm-5,6 mm gängstig- ' ' :kv-ß “Am _ ,_ _'...,.-.. -.._ _-- -1 _ ._ . ning), varvid det föredras att stignlngen ar 3 tpi (8,5 mm gängstigning förutom för de minsta (lättaste) stångstorlekarna som har 4 tpi (6,4 mm gäng- lO LA) Ul .i «*' * < ..~~_~“*,', -v-f-I 52 L,Ä -*' yf. l9 stigning) för att kompensera för den mindre omkretsen, och omkring 2,5 tpi (lO,2 mm gängstigning) för större (tyngre) foderrörstorlekar för att förbättra robusthet.

Med högre stigningar har en finare gänga mindre robusthet i det att det är svårare att sätta ihop en förbindning på grund av mindre skruvvinkel, vilket leder till gängskador från korsgängning och gängklämning; och dessutom minskar presspassningsytarean medan gängskjuvspånningar och böj- spänningar ökar.

Lägre gängstigningar har fyra huvudnackdelar som följer: (1) på grund av en större skruvvinkel är mot- ståndet mot ihopvridning mindre, (2) en längre förbind- ning erfordras för att bibehålla en given gänglångd vilket reducerar tillåten förbindningsavsmalnings- och gångingreppsutjåmning, (3) den erfordrade cylinder- sektionslängden är större vilket ökar sannolikheten för oönskad ökning av framkallade böjningsspänningar och (4) förhållandet till ”sektionen med kritisk spänning”.

Sektionen med kritisk spänning är den axiella delen hos tappen som fastställer spänningskapaciteten hos förbind- ningen innan gängorna skjuvas eller delar av förbind- ningen splittras i axiell utsträckning eller annan oönskad skada på förbindningen. Den tjockaste sektionen för det gängade partiet hos tappen mottager slutligen den större delen av dragbelastningen på grund av den påfrest- ning som överförs till de tunnare sektionerna. Den ekvi- valenta sektionen hos hylsan är alltid större och står alltid under en mindre dragbelastning och är därför inte kritisk. Sektionen med kritisk tappspånning definieras såsom sektionen som år belägen på ett axiellt avstånd som år halva gängstigningen från basen (del av gänga axiellt närmast intill tappansats 12A) hos tappens gängade parti.

Således åstadkommer en lägre gängstigning en mindre sektion med kritisk spänning än en högre gängstigning, eftersom det gängade partiet är avsmalnande. Önskvärt är gänglångden axiellt mellan cylinder- sektionerna omkring 3,0-4,0 periferilängder (3-4 360° b) UI 520729 skruvformade varv) för en borrstàng och 3,5-4,5 perife- riella längder för foderrör. Det vill säga, för att åstadkomma tillräckligt ingrepp hos tapp- och hyls- gängorna för att uppbära dragbelastningen vid det beräk- nade borrdjupet för förbindningen, erfordras en minimal gänglängd. Dragbelastningen ökar med vikten hos rör med större diameter för lika väggtjocklek och lika beräknat borrdjup. Vid en viss stigning förblir dock det erfordra- approximativt de antalet periferiella längder (gängvarv) konstant med ökande rördiametrar. Överskridande av den önskade gänglängden ökar förbindningslängden vilket minskar tillåten förbindningsavsmalning.

Väggtjockleken hos tappen på den axiellt motsatta sidan av ansatsen 12A från tappgängan och nära intill ansatsen 12 och hylsan på den axiellt motsatta sidan av ansatsen 14A från hylsgängan och nära intill ansatsen 14 för borrstångsrör varierar mellan 0,14 tum-0,26 tum (3,55 och varierar för foderrör från omkring 0,17 (4,31 mm-6,60 mm). mm-6,60 mm) tum-0,26 tum Som ett resultat är den maximala totala borrstångsförbindningslängden som är tillåten för föreliggande uppfinning företrädesvis om- kring l,9 tum (48,26 mm) vilken fastställs såsom följer: Maximal längd = maximal gängstigning x [1,2 + (maximala periferilängder + 0,5) x COS (minimal tappavsmalning)], [(maximala x SIN där väggtjockleken > = periferilängder + 0,5) (minimal tapp- avsmalning) + cylindersektionens väggtjocklek] och där ”1,2” svarar för längden hos cylinder- sektionerna, ”0,5” svarar för den halvperife- riella längden för att påbörja gängan och ”maximal gängstigning" betyder minimalt antal gängor per tum.

Det maximala antalet periferiella gänglängder (gäng- änsas av vaggtjockleken för nyls- och tapp- 'L_ _ _- Varv) U gi ändarna hos röret innan cylindersektionerna och gängorna bildas, i det att för en given cylindersektionstjocklek l5 520729 21 och ett givet gängdjup över en given förbindningsavsmal- ning kommer endast ett visst antal gängvarv att passa.

Pá liknande sätt, med hänvisning till förbindnin- garna enligt föreliggande uppfinning, är den maximala totala foderrörförbindningslängden begränsad till omkring 2,7 tum (68,58 mm). Vanligtvis är ytterdiametern hos borrstängerna och foderrören som används i mineralprov- borrningsindustrin i området av omkring 1,75 tum-5,5 tum (44,45 mm-139,70 mm).

Fastän förbindningen har beskrivits häri med hänvis- ning till borrstänger och foderrör ska det förstàs att förbindningen kan användas på borrningsverktyg såsom diamantborrkronor, t ex ett kronändparti som är anslutet till en borrstàng, eller anslutningsanordningar, eller substitut till andra förbindningsmodeller eller -stor- lekar eller lyftverktyg.

Borrör- (stänger och foderrör)-förbindningar enligt föreliggande uppfinning har optimerat geometrin för att halvera de förorsakade spänningarna för att fördubbla förbindningslastkapaciteten i jämförelse med konstruk- tioner med positiv flank som för närvarande tillverkas av sökandens arbetsgivare.

Claims (12)

10 15 20 25 30 U) U 'l 520729 i 22 PATENTKRAV

1. Tunnväggig borrstàngs- och foderrörförbindning för mineralprovborrning, vilken har en längsgående centralaxel, innefattande en första del som har en hylsa (B) och en andra del som har en tapp (P) kopplingsbar med hylsan, varvid hylsan och tappen var och en innefattar en (13, ll) llA), första ringformig sektion som har en avslutande (l3A, som har en ringformig basansats en andra ringformig (l4A, ringformig ändansats sektion (14, 12) 12A) axiellt motsatt den avslutande ändansatsen och en (W, T) den första och andra sektionen för att samverka med avsmalnande gänga som sträcker sig axiellt mellan gängan hos den andra för att gängat koppla hylsan och tappen med varandra, varvid var och en av ansatserna är avsmalnande, varvid var och en av hyls- och tappgängorna har en botten (34, 35), en topp (32, 33), (22, 23), en spelrumsflank (19, 18) och skruvformiga motsatta första och andra ändar, (22, 23) en tryckflank varvid var och en av tryckflankerna har en skruvformad, avsmalnande yta anliggningsbar mot den skruvformade, avsmalnande ytan hos den andra tryckflanken, k ä n n e t e c k n a d av att var och en av ansatserna smalnar av i en vinkel av omkring 5°-10° relativt en normal till centralaxeln, att tapp- och hylsgängbottnarna har väsentligen konstant bredd mellan den första sektionen och den andra sektio- (28, 27) mellan den första sektionen och den andra sektionen och nen, att gängorna har väsentligen konstanta djup var och en av hyls- och tappbotten och -toppen har en stympat konisk yta som smalnar av i en vinkel av O,75°- l,6° relativt centralaxeln och att de negativa flankvink- larna (30, 31) är omkring 7,5° till omkring 15° relativt en normal till centralaxeln.

2. Tunnväggig borrstàngs- och foderrörförbindning enligt krav 1, ytterligare k ä n r e t e c k n a d av att hyls- och tappspelrumsflankerna har positiva flank- vinklar av åtminstone 45°. lO 15 20 25 30 to U'l 520729 23

3. Tunnväggig borrstångs- och foderrörförbindning enligt krav 1, ytterligare k ä n n e t e c k n a d av att hyls- gängtopparna år radiellt åtskilda från tappgängbottnarna att hyls- och tappgängorna har relativa djup, längs gängans längd mellan den första och andra sektionen och att gängorna har en gängstigning av 10,2 mm-5,6 mm.

4. Tunnväggig borrstångs- och foderrörförbindning enligt något av föregående krav, ytterligare k ä n n e - t e c k n a d av att hyls- och tappgångorna har relativa djup, att tappgängtoppen är i ett presspassat förhållande med hylsgängbotten mellan den första och andra sektionen och att hylsgängtoppen är i radiellt åtskilt förhållande med tappgängbotten.

5. Tunnväggig borrstångs- och foderrörförbindning enligt något av föregående krav, ytterligare k ä n n e - t e c k n a d av att var och en av de första och andra sektionerna har axiellt utsträckta diametrala, invändiga och yttre, väsentligen cirkulärcylindriska ytor, varvid de första sektionerna har väsentligen konstanta inner- diametrar i åtminstone omkring 90% av sina axiella längder och varvid spelrumsflankerna år axiellt åtskilda från varandra.

6. Tunnväggig borrstàngs- och foderrörförbindning enligt krav 1, ytterligare k ä n n e t e c k n a d av att hylsans första sektion har en cylindrisk invändig yta och en cylindrisk utvändig yta radiellt motsatt hylsans cylindriska invändiga yta, att tappens första sektion har en cylindrisk invändig yta och en cylindrisk utvändig yta radiellt motsatt tappens invändiga yta, att den radiella komponenten hos avståndet som förbinder ansatsen med de cylindriska invändiga och cylindriska utvändiga ytorna är mindre än 15% av den avsmalnade dimensionen hos den intilliggande ansatsen för respektive cylindersektion, varvid hylsans invändiga, cylindriskt avslutande ändsektion har en konstant diameter i åtminstone 90% av sin axiella längd och varvid tappens externa, cylindriskt 10 l5 20 25 30 Lo UI 520729 24 avslutande ändsektion har en konstant diameter i åtminstone 90% av sin axiella längd.

7. Tunnväggig borrstàngs- och foderrörförbindning enligt krav 6, ytterligare k ä n n e t e c k n a d av att väggtjockleken hos tappen och hylsan pà den axiellt motsatta sidan hos respektive basansats fràn cylinder- ändsektionen som är omkring 3,55 mm-6,60 mm och att varje gänga är omkring 3-4,5 360° skruvformade varv mellan cylindersektionerna hos respektive hylsa och tapp.

8. Tunnväggig borrstängs- och foderrörförbindning enligt krav 1, ytterligare k ä n n e t e c k n a d av att de första ringformiga sektionerna innefattar av- slutande, ringformiga ändcylindersektioner och att de andra ringformiga sektionerna innefattar ringformiga bas- cylindersektioner, varvid var och en av hyls- och tapp- cylindersektionerna har en ände som är axiellt ätskild från intilliggande basansats, varvid hylsgängan är be- gränsad axiellt mellan hylsbasansatsen och hylsbas- cylindersektionsänden och tappgängan är begränsad axiellt mellan tappbasansatsen och tappbascylindersektionsänden för att åstadkomma en ogängad ändsektion hos hylsans avslutning och att tappgängan har ett avslutande ändparti som sträcker sig in i tappbassektionen och är beläget radiellt mittemot den ogängade ändsektionen hos hylsan.

9. Tunnväggig borrstängs- och foderrörförbindning enligt krav 8, ytterligare k ä n n e t e c k n a d av att den axiella längden hos var och en av cylindersektio- nerna är omkring 3,81 mm-6,35 mm, att den andra delen är rörformig och var och en av den första och andra delen har en väggtjocklek axiellt motsatt och intilliggande respektive basansats frän cylindersektionen som är omkring 3,55 mm-6,60 mm.

10. Tunnväggig borrstàngs- och foderrörförbindning enligt nägot av föregående krav, ytterligare k ä n n e - t e c k n a d av att var och en av gängorna har en gäng- stigning av omkring 10,2 mm-5,6 mm och att hyls- och tappgängorna är enkelingàngsgängor. 10 520729 25

11. ll. Tunnväggig borrstàngs- och foderrörförbindning enligt krav 10, ytterligare k ä n n e t e c k n a d av att hylsan och tappen hos en borrstàng var och en har en maximal axiell längd av omkring 48,26 mm och att ett foderrör har en maximal axiell längd av omkring 68,58 mm och att gängavsmalningen har ett minimum av O,75°.

12. Tunnväggig borrstàngs- och foderrörförbindning enligt krav ll, ytterligare k ä n n e t e c k n a d av att hylsan har en ytterdiameter av omkring 44,45 mm- 139,70 mm.