РЕЗЬБОВОЕ УСТРОЙСТВО, РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ И КОМПОНЕНТ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ УДАРНОГО БУРЕНИЯ ГОРНОЙ ПОРОДЫ
THREADED DEVICE, THREADED CONNECTION AND COMPONENT OF DRILLING COLUMN FOR PERCUSSION DRILLING OF ROCK

Изобретение относится к устройству в компоненте бурильной колонны для ударного бурения горной породы, включающему в себя резьбу для свинчивания с другим компонентом бурильной колонны, снабженным комплементарной резьбой, где резьба включает в себя канавку резьбы, образованную двумя боковыми сторонами профиля резьбы и расположенной между ними впадиной резьбы, и где канавка резьбы имеет, по существу, выполненную одинаковой форму сечения по аксиальной длине резьбы. Изобретение также относится к резьбовому соединению и компоненту бурильной колонны.
Для соединения компонентов бурильной колонны для ударного бурения горной породы хорошо известно использование так называемой «трапецеидальной резьбы», при этом один конец компонента бурильной колонны, содержащий вставную резьбу, свинчивается с охватывающей резьбой на конце следующего компонента бурильной колонны. Альтернативно, оба конца бурильных штанг, подлежащих соединению, свинчиваются с помощью муфт с охватывающей резьбой на обоих концах.
Резьбовые соединения для компонентов бурильной колонны или ударного бурения горной породы подвергаются высоким мгновенным нагрузкам и воздействию агрессивных сред. Резьбовые соединения должны затягиваться крутящим моментом такой величины, которая предотвращает высвобождение во время работы, что означает воздействие значительных сил на резьбовые стенки как вставной, так и охватывающей резьбы. Срок эксплуатации компонентов бурильной колонны связан со способностью резьбовых соединений сопротивляться нагрузкам, которым они подвергаются во время работы. По данной причине требуется создание резьбовых соединений, с более высокими показателями сопротивления данным нагрузкам и, следовательно, более продолжительным сроком эксплуатации.
Другим важным аспектом является возможность изготовления с низкими расходами.
Из патента US 4040756 известно резьбовое соединение с наклонными вершинами профиля резьбы. Что касается впадин профиля охватывающей, а также вставной резьбы, им придается непрерывная криволинейная конфигурация. Впадины профиля резьбы переходят плавно по касательной в смежные боковые стороны профиля резьбы.
Дополнительными примерами предпосылок изобретения можно считать патенты US 6196598 и US 4687368, при этом последний относится к более традиционной трапецеидальной резьбе.
Задачей настоящего изобретения является доработка устройств области техники изобретения и создание устройства в компоненте бурильной колонны, включающего в себя вставную резьбу, а также компонента бурильной колонны и способа, где получающееся в результате резьбовое соединение может получать повышенную стойкость к усталостным напряжениям и, при этом, бурение может выполняться более экономно.
Данные задачи достигаются в отношении устройства и компонента бурильной колонны согласно изложенному выше так, что впадины резьбы имеют, по меньшей мере, три участка с формой, образованной частями окружности, в осевом сечении, и что участки с формой, образованной частями окружности, имеют увеличивающиеся радиусы, проходящие от каждой боковой стороны профиля резьбы к промежуточному участку поверхности впадины профиля резьбы.
При этом достигается расширение и выравнивание концентраций напряжения, возникающих в наиболее чувствительной зоне резьбы, а именно в корневой области нагруженной боковой стороны в сравнении с вариантом обычной резьбы, вне зависимости от того, относится ли резьба к трапецеидальному типу с частично линейно проходящей впадиной резьбы или является резьбой с плавной кривой впадины резьбы.
Согласно изобретению указанное получают в резьбе, которая является экономически предпочтительной по технологичности, когда канавки резьбы имеют, по существу, одинаковую форму сечения по всей длине резьбы и поэтому может производиться способами обычной технологии. Использование круглых форм участков поверхности дает в результате простое и экономически предпочтительное изготовление. Определение длины участков образованные частями окружности для получения требуемого эффекта уменьшения напряжения может выполняться с использованием обычных способов вычисления.
Следует отметить, что уменьшенная концентрация напряжения в данной области впадины профиля резьбы является весьма предпочтительной для эксплуатационной долговечности резьбового соединения, поскольку уже небольшое уменьшение уровня напряжения в данной области дает в результате лучшее сопротивление усталостным разрушениям и, при этом, выходу из строя резьбы.
Благодаря признакам изобретения получается, что силы, действующие на нагруженную боковую сторону и создающие внутренние напряжения в материале резьбы, воспринимаются более предпочтительным способом формой впадины профиля резьбы приспособленной для ухода от форм, которые могут увеличивать концентрацию напряжений. В частности, неожиданно оказывается, что конструкция изобретения дает в результате распределение напряжения на увеличенный участок поверхности области впадины профиля резьбы и, при этом, создается уменьшенное максимальное напряжение. В конструкции изобретения за участком поверхности с формой, образованной частями окружности, самым близким к нагруженной боковой стороне следует участок поверхности с увеличенным радиусом или даже множество участков поверхности с радиусами, последовательно увеличивающимися в направлении к промежуточному участку поверхности впадины профиля резьбы.
Дополнительным преимуществом конструкции изобретения в сравнении с обычной трапецеидальной резьбой является то, что в профиле вставной резьбы согласно изобретению проще вызывать напряжения сжатия, в материале с помощью дробеструйной обработки или любого другого способа, который должен пластифицировать материал на микроуровне, в сравнении с вариантами обычной резьбы. Причиной является улучшенная доступность для дробеструйной обработки, которая приводит к более равномерной и более безопасной обработке резьбы.
Подходящим является, что промежуточный участок поверхности впадины профиля резьбы является центральным участком поверхности впадины профиля резьбы.
Предпочтительным является, что участки поверхности с формой, образованной частями окружности, плавно переходят один в другой и в смежную боковую сторону профиля резьбы, соответственно. Здесь, в общем, существуют тангенциальные переходы без вызывающих напряжения углов. Предпочтительно, участки также переходят прямо один в другой без промежуточных или, например, линейных участков, поскольку такие переходы не способствуют уменьшению уровня напряжения.
Подходящее соотношение между радиусом соответствующего участка поверхности самого близкого к боковой стороне профиля резьбы и радиусом центрального участка поверхности впадины профиля резьбы составляет около 0,05-0,7, предпочтительно около 0,3-0,6 и наиболее предпочтительно 0,35-0,55.
В одном аспекте изобретения канавки резьбы и, в частности, впадины резьбы являются асимметричными в осевом сечении. Асимметричный здесь означает, что у впадин резьбы в осевом сечении отсутствует симметрия относительно воображаемой радиальной линии (указанной позицией L прерывистой линии на Фиг. 2) между двумя смежными выступами резьбы.
При этом подходящая впадина резьбы имеет такую форму, что участок поверхности с формой, образованной частями окружности, примыкающей к боковой стороне профиля резьбы противоположной нагруженной боковой стороне, проходит дальше внутрь к оси симметрии компонента бурильной колонны, чем участок поверхности с формой, образованной частями окружности, примыкающий к боковой стороне профиля резьбы, содержащей нагруженную боковую сторону. Предпочтительно боковая сторона профиля резьбы противоположная нагруженной боковой стороне проходит более длинный отрезок к оси симметрии компонента бурильной колонны, чем боковая сторона профиля резьбы, образующая нагруженную боковую сторону. Соотношение между радиусом участка поверхности с формой, образованной частями окружности, примыкающего к боковой стороне профиля резьбы образующей нагруженную боковую сторону и радиусом участка поверхности с формой, образованной частями окружности, примыкающего к боковой стороне профиля резьбы противоположной нагруженной боковой стороне, таким образом, в данном варианте осуществления больше 1 и подходящим является соотношение между 1 и 10.
Предпочтительно, боковые стороны профиля резьбы имеют линейное продолжение в осевом сечении компонента бурильной колонны.
В варианте осуществления изобретения резьба является конической резьбой, при этом подходящий угол конусности резьбы составляет 2°-8°.
Предпочтительно впадина резьбы, по меньшей мере, в зоне поверхности, примыкающей к боковой стороне профиля резьбы, не являющейся нагруженной боковой стороной, сконструирована с такой глубиной по отношению к высоте до вершины резьбы, что в варианте углового отклонения свинченного резьбового соединения устанавливается контакт между смежной вершиной вставной резьбы и впадиной охватывающей резьбы, при этом контакт в зоне поверхности, примыкающей ко второй боковой стороне профиля резьбы с вершиной охватывающей резьбы, предотвращается.
При этом получают улучшение свойства резьбового соединения для бурения с угловым отклонением соединения.
В ином случае при значительном перекосе, получающемся в относительно сильно искривленных буровых стволах, риск усталостного разрушения резьбового соединения с потерей компонента бурильной колонны в буровом стволе должен увеличиваться.
Благодаря данному аспекту также получают в случае углового отклонения резьбовых соединений, предотвращение контакта между вершинами охватывающей резьба и корневыми участками вставной резьбы, при этом контакт предотвращается именно там, где должна возникать самая высокая концентрация напряжений. В ином случае такой контакт должен приводить к нагреву в контактной области, при этом материал должен терять твердость и легко повреждаться, что, в общем, приводит к проблемам, связанным с усталостным разрушением вставной резьбы вследствие возникновения концентраций напряжений в весьма нежелательном месте.
Благодаря изобретению уменьшение напряжений и предотвращение контактов во впадине вставной резьбы, полученное согласно указанному выше в предпочтительном способе, можно комбинировать и, в частности, для асимметричных канавок резьбы, вставную резьбу можно выполнять, достигая принципиально других целей, наиболее близкой к соответствующей боковой стороне профиля резьбы. При этом резьбу можно выполнять так, что наименьшее сечение резьбы может увеличиваться в сравнении с соответствующими вариантами уровня техники изобретения.
В особенно предпочтительном аспекте резьба является вставной резьбой для свинчивания с комплементарной охватывающей резьбой, выполненной на другом компоненте бурильной колонны. Резьба, вместе с тем, также является предпочтительно охватывающей резьбой для свинчивания с комплементарной вставной резьбой, выполненной на другом компоненте бурильной колонны.
Изобретение также относится к резьбовому соединению, включающему в себя вставную резьбу и охватывающую резьбу, при этом резьбовое соединение сконструировано с устройством, описанным выше.
Изобретение дополнительно относится к компоненту бурильной колонны из следующей группы: буровое долото, бурильная штанга, соединительная муфта, переходная муфта хвостовика, который включает в себя, по меньшей мере, одно устройство, описанное выше.
На чертежах показано следующее.
На Фиг.1 схематично показаны различные компоненты бурильной колонны, оборудованные устройствами изобретения.
На Фиг.2 показана часть продольного сечения, проходящего через резьбовое соединение.
На Фиг.3 показана деталь резьбового соединения фиг.2 в наклонном состоянии.
На фиг.4a показано компьютерное моделирование нагруженного состояния и часть сечения, проходящего через профиль резьбы изобретения с указанием полученного распределения напряжения по площади впадины профиля резьбы и под ним.
На фиг.4b также показано компьютерное моделирование нагруженного состояния и на фигуре показана часть сечения, проходящего через обычный профиль резьбы с указанием полученного распределения напряжения по площади впадины профиля резьбы и под ней.
На фиг.5 показано в продольном сечении по оси коническое резьбовое соединение согласно изобретению.
На фиг.6a-c и 7a-b показаны детали резьбы согласно изобретению.
Группа "компоненты бурильной колонны" для данного изобретения включает в себя буровые долота, бурильные штанги, переходные муфты хвостовика, соединительные муфты и переходные адаптеры.
На фиг.1 показаны различные примеры компонентов бурильной колонны и их частей с устройствами согласно изобретению, а именно:
a) Бурильная штанга с вставной резьбой и с охватывающей резьбой.
б) Переходная муфта хвостовика с вставной резьбой.
в) Часть бурильной штанги с конической резьбой.
г) Части бурильных штанг с вставной резьбой и охватывающей резьбой, соответственно.
д) Буровое долото с охватывающей резьбой.
е) Соединительная муфта с двумя охватывающими резьбами.
Резьбовые соединения предназначены для свинчивания вместе компонентов бурильной колонны для ударного бурения. Внутри компонентов бурильной колонны проходит вдоль оси непрерывный промывочный канал для подачи промывочного раствора на буровое долото.
На фиг.2 показана деталь резьбового соединения изобретения, где первый выступ 7 резьбы и второй выступ 7' резьбы показаны принадлежащими к вставной резьбе. Выступ охватывающей резьбы показан позицией 8. Между выступами 7 и 7' резьбы расположена канавка 9 резьбы, принимающая выступ 8 резьбы, в свою очередь, имеющий по существу одинаковую форму сечения по всей длине резьбы.
Канавка 9 резьбы имеет впадину 12 резьбы, представляющую собой множество участков поверхности, имеющих форму, образованную частями окружности, переходящими одна в другую, а именно первый участок Y1 поверхности, образованный радиусом RA, ближайший к первой боковой стороне 10 профиля резьбы, представляющей собой нагруженную боковую сторону, второй участок Y2 поверхности, образованный радиусом RC, ближайший к второй боковой стороне 11 профиля резьбы, и промежуточный, здесь центральный, участок YC поверхности, образованный радиусом RB. Участки поверхности переходят плавно, то есть тангенциально, один в другой. Указанное является предпочтительным, даже если могут существовать линейные переходы и также, не рекомендуемые неровные переходы, имеющие угловатые ступени между участками поверхности. Боковые стороны резьбы образуют одинаковые углы с осью симметрии резьбы. В нормальных условиях данный угол составляет 35°. В некоторых вариантах могут существовать другие углы, например 45°.
Радиус RB центрального участка YC поверхности больше обоих радиусов, ближайших к двум боковым сторонам 10 и 11 профиля резьбы. Подходящим является соотношение между RA и соответственно RC и RB около 0,05-0,70, предпочтительно около 0,30-0,60 и наиболее предпочтительно 0,35-0,55. Таким образом, получают преимущества, связанные с уменьшенными уровнями напряжений, которые представлены в приведенной выше вводной части описания.
В одном аспекте изобретения впадина 12 резьбы в зоне поверхности, примыкающей ко второй боковой стороне 11 профиля резьбы, имеет такую глубину по отношению к высоте выступа 7' резьбы, что в случае наклонного положения резьбового соединения устанавливается контакт вначале между вершиной выступа 7' вставной резьбы с впадиной 13 охватывающей резьбы.
Воображаемая радиальная линия между двумя смежными стенками резьбы показана позицией L. Самый малый в сечении радиус показан позицией B. Позиция 6 указывает промывочный канал.
Указанное становится более очевидным в деталях фиг.3, где показано положение с наклоном охватывающей резьбы 3 относительно вставной резьбы 2. Центральная ось охватывающей резьбы указана штрихпунктирной линией с двойными точками, а центральная ось вставной резьбы указана штрихпунктирной линией с одиночными точками. Положение с наклоном фиг.3 для ясности показано с преувеличением углом α.
Как показано на фиг.3, контакт, таким образом, установлен в зоне 13-14, которая соответствующей контакту вершины 14 вставной резьбы, вошедшей в контакт с впадиной 13 охватывающей резьбы. В области поверхности, указанной позицией 15, являющейся корневой частью выступа вставной резьбы, на второй боковой стороне профиля выступа 7' резьбы нет контакта между вершиной охватывающей резьбы и впадиной вставной резьба, в результате нагрев или выкрашивание в данной области предотвращается и, таким образом, предотвращается от указанного выше нагрева области 15 потеря твердости площади и риск усталостных повреждений вставной резьбы.
На фиг.4a показано полученное распределение напряжений области впадины и под впадиной вставной резьбы 2, которая свинчена с непоказанной охватывающей резьбой. На фигуре показано несколько линий, указывающих одинаковые напряжения, где численные значения (60%-85%) соответствуют проценту максимальных напряжений, которые должны возникать в сравнимой обычной трапецеидальной резьбе, показанной на фиг.4b. Следует отметить, что распределение напряжений является аналогичным для двух сравнимых объектов фиг.4a и 4b.
Как ясно показано на фиг.4a, самая большая концентрация напряжений локализуется на площади поверхности относительно близкой к нагруженной боковой стороне 10. Максимальное регистрируемое напряжение составляет несколько больше 85° максимального напряжения, возникающего в сравнимой резьбе. Из показанного на фигуре также ясно, что напряжение распределяется по значительной области и что напряжение проходит без скачков и неровностей.
Как ясно показано на фиг.4b, наибольшая концентрация напряжений здесь также локализуется на площади поверхности, являющейся относительно небольшой и относительно близкой к нагруженной боковой стороне 10. Максимальное регистрируемое напряжение по отношению к сравнимой резьбе, естественно, имеет значение 100%. Как также ясно показано на фигуре, напряжение распределено по площади меньшего размера.
Сравнение между результатами на фиг.4a и 4b выявляет, что максимальное напряжение в корневой области резьбы согласно изобретению уменьшено на величину до 12-15%. Дополнительно, очевидно, что распределение напряжений по отношению к обычной резьбе, несмотря на более высокое напряжение, является более концентрированным, результатом чего является более сильное воздействие на материал во время нагружения.
Данный положительный результат для резьбы согласно изобретению является неожиданным и указывает на значительное улучшение, которое можно прогнозировать для стойкости к усталости устройства согласно изобретению в сравнении с обычной резьбой.
На фиг.5 показана коническая резьба согласно изобретению с вставной резьбой 2 и охватывающей резьбой 3. Также в данном варианте осуществления соответствующие канавки резьбы имеют, по существу, одинаковую форму сечения по всей длине.
На фиг.6a показана деталь канавки резьбы с двумя участками поверхности, имеющими форму, образованную частями окружности (с соответствующим радиусом RA и RB), переходящими плавно и прямо один в другой. На фиг.6b показана деталь канавки резьбы с двумя участками поверхности, имеющими форму, образованную частями окружности (с соответствующим радиусом RA и RB), переходящими прямо один в другой через линейный участок, указанный позицией x. На фиг.6c показана деталь канавки резьбы с двумя участками поверхности, имеющими форму, образованную частями окружности (с соответствующим радиусом RA и RC), переходящими не плавно один в другой, то есть не с тангенциальным переходом, указанным пустой стрелкой.
На фиг.7а показана деталь канавки резьбы с боковой стороной 10 профиля резьбы и участком поверхности с формой части окружности (с радиусом RA), проходящими плавно и прямо один в другой. На фиг.7b показана деталь канавки резьбы с боковой стороной 10 профиля резьбы и участком поверхности с формой, образованной частью окружности (с радиусом RA), переходящими не плавно, то есть с не тангенциальным переходом, указанным пустой стрелкой.
Настоящее изобретение относится к компонентам бурильной колонны для ударного бурения горной породы с контактными поверхностями между вставной резьбой и охватывающей резьбой, в которых выполнение конкретных и жестких требований по работе резьбы является критичным для надежного функционирования. В общем, настоящая резьба имеет углы наклона боковой стороны резьбы 20°-50° и более предпочтительно около 22,5°-47,5°. Как указано выше, обычная величина угла наклона боковой стороны резьбы составляет 35°, но другие величины угла являются предпочтительными в некоторых вариантах, например 45°.
По техническим требованиям для устройств согласно изобретению компонентов бурильной колонны для ударного бурения горной породы рассматриваемая резьба является относительно неглубокой, имеющей соотношение между высотой профиля (резьбы) и шириной профиля (резьбы) 0,10-0,30, более предпочтительно 0,20-0,30 и наиболее предпочтительно 0,23-0,25. Высотой профиля здесь является расстояние от впадины резьбы (канавки резьбы) до вершины резьбы, и шириной профиля здесь является расстояние между точками пересечения двух прямых линий в центральном продольном сечении, проходящих вдоль двух смежных боковых сторон профиля резьбы в канавке резьбы с линией верха резьбы.
Соотношение между высотой профиля (см. выше) и шагом резьбы в устройстве изобретения составляет в общем 0,05-0,25 и более предпочтительно 0,13-0,17.
Изобретение подходит для применения в компонентах бурильной колонны различных типов и является особенно предпочтительным для вставной резьбы, поскольку по отношению к такой резьбе концентрация напряжений имеет особенно важное значение для срока службы, просто вследствие конструкции вставной резьбы и ее относительной чувствительности к нагрузкам. Охватывающая резьба в муфтах может выполняться с более высоким присущим ей сопротивлением нагрузкам.