РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ВХОДЯЩИЕ В НЕГО ОХВАТЫВАЕМЫЙ И ОХВАТЫВАЮЩИЙ УЧАСТКИ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ С РЕЗЬБОЙ Российский патент 2003 года по МПК E21B17/42 

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию резьбового соединения компонентов оборудования, имеющего охватываемый и охватывающий участки, а также к созданию способа изготовления изделия, имеющего резьбу.

В обычном резьбовом соединении между двумя компонентами бурового оборудования, предназначенного для ударного бурения горной породы, обычно используют отрезки охватываемой (внешней) и охватывающей (внутренней) резьбы, что описано, например, в патенте SE-B-469602. При изготовлении такой охватываемой резьбы предварительно формируют стальную заготовку с более толстой частью, концы которой соединены с поверхностью зазора или канавкой зазора, которые имеют меньший диаметр для ввода по меньшей мере части резьбового инструмента и, зачастую, для ввода конического свободного конца. При нарезании резьбы боковую и продольную подачи инструмента координируют с движением вращения толстого участка, чтобы образовать резьбу известным образом в ходе по меньшей мере одного прохода. Острые кромки образуются на входе и выходе резьбы, что вызвано геометрией канавки зазора и поверхности свободного конца. Соответствующие острые кромки образуются и при нарезании охватывающей резьбы. Эти острые кромки приводят к повреждению друг друга охватываемой и охватывающей резьб, в первую очередь у свободного конца соответствующего бурового элемента в ходе монтажа и демонтажа резьбового соединения. Кроме того, производят цементирование резьбы, причем упрочнение острых кромок является избыточным и самым глубоким в резьбе, что приводит при бурении к появлению трещин и усталости материала в указанных зонах, в результате чего срок службы соединения сокращается. В другом обычном резьбовом соединении между двумя компонентами бурового оборудования, предназначенного для ударного бурения и опытного образования трещин, которое описано в патенте ЕР-А2-220147, конец резьбы полностью срезан для сохранения полного резьбового профиля до конца резьбы.

Первой задачей настоящего изобретения является создание резьбового соединения указанного выше типа, которое обеспечивает высокий срок службы инструмента.

Другой задачей настоящего изобретения является создание резьбового соединения, которое имеет входной и выходной участки с такой же глубиной цементирования, что и остальная часть резьбового соединения.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание резьбового соединения, части которого не вызывают повреждения друг друга (взаимного повреждения) в ходе монтажа и демонтажа.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание прочных охватываемых и охватывающих участков резьбы.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание способа изготовления изделий для бурения горной породы, которые имеют прочные резьбовые заходы.

Задачи настоящего изобретения решены за счет создания резьбового соединения, имеющего охватываемый и охватывающий участки, а также за счет создания способа изготовления такого изделия.

Согласно изобретению резьбовое соединение компонентов бурового оборудования, содержащее по меньшей мере одну главным образом цилиндрическую внешнюю резьбу и главным образом цилиндрическую внутреннюю резьбу, причем указанная внешняя резьба предусмотрена на охватываемом участке, предназначенном для образования единого целого с первым компонентом бурильной колонны, при этом указанные резьбы имеют резьбовые концы, предусмотренные в соединении с объединенной резьбой полного профиля, причем указанные резьбы имеют боковые стороны резьбы, отличается от известного тем, что по меньшей мере одна из внутренней и внешней резьб (внешняя или внутренняя) содержит по меньшей мере один резьбовой конец, форма которого отличается от формы резьбы полного профиля, причем обе боковые стороны резьбы резьбового конца имеют профиль, который отличается от профиля объединенных боковых сторон резьбы полного профиля.

Целесообразно, чтобы резьбовой конец имел более закругленное поперечное сечение, чем резьба полного профиля, а площадь поперечного сечения и высота резьбы резьбового конца увеличиваются от начала резьбового конца по окружности в направлении связанной резьбы полного профиля, причем боковые стороны резьбы резьбового конца являются главным образом одинаковыми.

Наименьший радиус резьбового конца должен быть по меньшей мере равен наименьшему радиусу резьбы полного профиля и не должен быть менее 0,2 мм.

Охватываемый участок, предназначенный для образования части резьбового соединения компонентов бурового оборудования, согласно изобретению содержит по меньшей мере одну главным образом цилиндрическую внешнюю резьбу, причем резьба образована на охватываемом участке, который предназначен для образования единого целого с первым компонентом бурильной колонны, при этом указанная резьба имеет резьбовые концы, предусмотренные в месте соединения с объединенной резьбой полного профиля, и отличается тем, что цилиндрическая внешняя резьба имеет по меньшей мере один резьбовой конец, форма которого иная чем форма резьбы полного профиля, причем обе боковые стороны резьбы резьбового конца имеют профиль, который отличается от профиля объединенных боковых сторон резьбы полного профиля.

Площадь поперечного сечения и высота резьбы резьбового конца увеличиваются от начала резьбовых концов по окружности в направлении связанной резьбы полного профиля, причем наименьший радиус резьбового конца превышает 0,2 мм и по меньшей мере равен наименьшему радиусу резьбы полного профиля.

Охватывающий участок, предназначенный для образования части резьбового соединения компонентов бурового оборудования, согласно изобретению содержит по меньшей мере одну главным образом цилиндрическую внутреннюю резьбу, причем внутренняя резьба образована на конце, который предназначен для образования единого целого с первым компонентом бурильной колонны, при этом указанная резьба имеет резьбовые концы, предусмотренные в месте соединения с объединенной резьбой полного профиля, причем указанная внутренняя резьба имеет боковые стороны резьбы и отличается тем, что главным образом цилиндрическая внутренняя резьба имеет по меньшей мере один резьбовой конец, форма которого иная чем резьба полного профиля, причем обе боковые стороны резьбы резьбового конца имеют профиль, который отличается от профиля объединенных боковых сторон резьбы полного профиля.

Площадь поперечного сечения и высота резьбы резьбового конца увеличиваются от начала резьбового конца по окружности в направлении связанной резьбы полного профиля, причем наименьший радиус резьбового конца превышает 0,2 мм и по меньшей мере равен наименьшему радиусу резьбы полного профиля.

Объектом настоящего изобретения является также способ изготовления изделия с резьбой для образования части резьбового соединения компонентов бурового оборудования, причем резьба имеет по меньшей мере один резьбовой конец с боковыми сторонами резьбы и резьбу полного профиля с боковыми сторонами резьбы, при котором устанавливают металлическую заготовку в металлообрабатывающий станок, устанавливают резьбовой инструмент в станок, при этом согласовывают продольную и боковую подачи инструмента с движением вращения заготовки относительно оси вращения таким образом, что на заготовке нарезается резьба, при этом согласование продольной и боковой подач инструмента с движением вращения заготовки относительно оси вращения дополнительно включает в себя операцию регулировки резьбового инструмента для такого профилирования резьбового конца, что каждая боковая сторона резьбы на резьбовом конце получает профиль, который отличается от профиля объединенных боковых сторон резьбы полного профиля.

Целесообразна дополнительная термообработка по меньшей мере нарезанной резьбы.

На фиг. 1 показано поперечное сечение одного конца охватывающего участка в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 2А и 2В показан вид сбоку одного конца охватываемого участка в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 3 показано с частичным вырывом резьбовое соединение в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 4 показан вид с торца охватываемого участка.

На фиг. 5A-5D показаны различные поперечные сечения входа резьбы.

Показанная на фиг. 1, 2А и 2В бурильная колонна 10, которая предназначена для ударного бурения, имеет на одном конце участок в виде гильзы или охватывающий участок 11, который в соответствии с настоящим изобретением имеет внутреннюю резьбу 12. Охватывающий участок 11 является неотъемлемой частью бурильной колонны 10 (выполнен в виде единого целого с ней). На другом конце бурильной колонны 10 образован охватываемый участок 13, который в соответствии с настоящим изобретением имеет внешнюю резьбу 14. Кроме того, бурильная колонна 10 имеет сквозной промывной канал 15, через который осуществляется подвод промывной среды, обычно воздуха или воды. Дно охватывающего участка 11 образует кольцевую опорную поверхность 16, которая при соединении (сборке) двух бурильных колонн 10 предназначена для обеспечения упора в соответствующую кольцевую опорную поверхность 17 на свободном конце хвостовика 13 другой бурильной колонны.

На фиг. 4 и 5A-5D показаны вид с торца охватываемого участка и различные поперечные сечения I-IV входа резьбы 30, а также законченный полный профиль трапециевидной резьбы 14А. Резьбовой конец 30 имеет более закругленное поперечное сечение, чем полный профиль резьбы 14А. Поперечные сечения I-IV выполнены с разделительным интервалом 90^o в направлении к центральной оси CL охватываемого участка.

В сечении I, показанном на фиг. 5А и выполненном при опорном угле 0^o, резьбовой инструмент еще не достиг образующей поверхности толстой части стального тела (корпуса) и вход резьбы еще не образован, а имеется только концевая поверхность 18, которая представлена в сечении I прямой линией. Концевая поверхность 18 обычно является конической.

В сечении II входа резьбы 30, показанном на фиг. 5В и выполненном при смещении на 90^o против часовой стрелки относительно сечения I, имеем колоколообразную кривую или поперечное сечение с симметричным выступом, имеющее самый малый радиус R1, превышающий 0,2 мм, и высоту h1. Вход резьбы 30 имеет главным образом одинаковые боковые стороны 30А и 30В.

В сечении III, показанном на фиг. 5С и выполненном при смещении на 90^o против часовой стрелки относительно сечения II, площадь поперечного сечения становится еще больше, при этом она имеет самый малый радиус R2, превышающий 0,2 мм, и высоту h2.

В сечении I, показанном на фиг. 5D и выполненном при смещении на 360^o против часовой стрелки относительно указанного выше сечения I, вход резьбы полностью переходит в полный резьбовой профиль или в законченную трапецеидальную резьбу 14А, которая имеет самый малый радиус R3, превышающий 0,2 мм, и высоту h3. Резьба полного профиля 14А имеет главным образом одинаковые боковые стороны 14В и 14С.

Из рассмотрения фиг. 5A-5D становится ясно, что как площадь поперечного сечения, так и высота входа резьбы 30 увеличиваются по окружности, начинаясь между сечениями I и II и переходя в завершенную резьбу 14А, в то время как самый малый радиус R1-R3 составляет не менее 0,2 мм. Самый малый радиус R2 входа резьбы 30 в сечении III превышает самый малый радиус R3 завершенной трапецеидальной резьбы 14А. Так как острые кромки на входах и выходах резьбы 14А отсутствуют, то глубина упрочнения после термической обработки, например, после цементации, становится главным образом постоянной вдоль всей резьбы, поэтому в указанных зонах исключаются трещины и усталостное разрушение. Следует указать, что при обычном нарезании резьбы одна из боковых сторон резьбы у конца резьбы всегда имеет такой же профиль, хотя и немного более низкий, что и резьба полного профиля, в то время как обе боковые стороны 30А, 30В на резьбовом конце 30 предлагаемой резьбы имеют профили резьбы, отличающиеся от соответствующих связанных боковых сторон 14В и 14С полного профиля, что можно видеть из сравнения фиг. 5В и 5D. Преимущественно на резьбовых концах предусмотрены два входа и два выхода резьбы.

Аналогичный "мягкий" профиль предусмотрен также на входах и выходах внутренней (охватывающей) резьбы 12.

При образовании резьбового соединения, показанного на фиг. 3, получаемого при сборке двух бурильных колонн 10 в соответствии с настоящим изобретением, свободный конец охватываемого участка 13 входит в зону свободного конца охватывающего участка. В большинстве случаев их следует вращать относительно друг друга, так что резьбы входят в зацепление друг с другом. Имеющиеся "мягкие" (пониженного профиля) заходы резьбы предотвращают взаимное повреждение. В результате участки бурильной колонны можно вращать до тех пор, пока лицевая поверхность 17 (одного участка) не упрется в дно 16 (другого). Резьбы 12 и 14 выполнены обычным образом, так что при их зацеплении возникает прилегание только на участках прямых боковых сторон 14В и на соответствующих участках боковых сторон внутренней резьбы. Следовательно, контакт между искривленными частями или между вершинами и основаниями (донными частями) резьбы отсутствует. Проведенные испытания показали, что резьбовое соединение в соответствии с настоящим изобретением имеет срок службы, по меньшей мере в 2 раза превышающий срок службы обычного резьбового соединения.

Нарезание резьб 12 и 14 производят следующим образом. Обычным образом согласуют боковую и продольную подачи и глубину резания инструмента с движением вращения толстой части, так что резьбу образуют в ходе по меньшей мере одного прохода. Это обеспечивает квалифицированный рабочий-нарезчик или резьбовая программа токарного станка. Так как резьбовой инструмент производит нарезку резьбы полного профиля главным образом без воздействия соединительных зазоров, то получают мягкие входы и выходы на резьбовых концах. В результате происходит по меньшей мере только упрочнение нарезанной резьбы при термической обработке, например, при цементации.

Возможны модификации настоящего изобретения. Например, бурильная колонна может иметь форму трубчатой штанги и иметь опорный заплечик такого типа, который описан в патенте США N US-A-4968068. В показанном на чертежах варианте применена трапецеидальная резьба, однако настоящее изобретение может быть использовано для любых резьб, применяемых в буровом оборудовании, например для канатных резьб. Охватывающий участок или охватываемый участок резьбы могут быть альтернативно введены в буровое долото вместо бурильной колонны. Принципы настоящего изобретения могут быть применены также для резьбового соединения между переходником хвостовика и бурильной колонной, а также между двумя бурильными колоннами в свободной переходной резьбовой втулке (муфте).

Возможны и другие модификации настоящего изобретения в рамках формулы изобретения.

Изобретение относится к созданию резьбовых соединений, имеющих охватываемый и охватывающий участки, а также к созданию способа изготовления изделия, имеющего резьбу. Сущность изобретения заключается в том, что резьбовое соединение содержит по меньшей мере одну главным образом цилиндрическую внешнюю резьбу и главным образом цилиндрическую внутреннюю резьбу. Внешняя резьба предусмотрена на охватываемом участке компонента бурильной колонны и имеет резьбовые концы, предусмотренные в соединении с объединенной резьбой полного профиля, причем указанная резьба имеет боковые стороны резьбы. По меньшей мере одна из главным образом цилиндрических резьб имеет по меньшей мере один резьбовой конец, форма которого отличается от формы резьбы полного профиля, причем каждая из боковых сторон резьбы резьбового конца имеют профиль, который отличается от профиля объединенных боковых сторон резьбы полного профиля. Приводится также способ изготовления изделия с резьбой для образования части приведенного выше резьбового соединения компонентов бурового оборудования. Изобретение позволяет обеспечить высокий срок службы инструмента за счет создания резьбового соединения, части которого не вызывают повреждения друг друга. 4 с. и 6 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Резьбовое соединение компонентов бурового оборудования, содержащее по меньшей мере одну главным образом цилиндрическую внешнюю резьбу (14) и главным образом цилиндрическую внутреннюю резьбу (12), причем указанная внешняя резьба (14) предусмотрена на охватываемом участке (13), предназначенном для образования единого целого с первым компонентом бурильной колонны (10), при этом указанные резьбы имеют резьбовые концы (30), предусмотренные в соединении с объединенной резьбой полного профиля (14А), причем указанные резьбы (12, 14) имеют боковые стороны резьбы (30А, 30В, 14В, 14С), отличающееся тем, что по меньшей мере одна из внутренней и внешней резьб (12, 14) содержит по меньшей мере один резьбовой конец (30), форма которого отличается от формы резьбы полного профиля (14А), причем обе боковые стороны резьбы (30А, 30В) резьбового конца (30) имеют профиль, который отличается от профиля объединенных боковых сторон (14В, 14С) резьбы полного профиля (14А). 2. Резьбовое соединение по п. 1, отличающееся тем, что резьбовой конец (30) имеет более закругленное поперечное сечение, чем резьба полного профиля (14А), а площадь поперечного сечения и высота резьбы резьбового конца (30) увеличиваются от начала резьбового конца по окружности в направлении связанной резьбы полного профиля (14А), причем боковые стороны (30А, 30В) резьбы резьбового конца (30) являются главным образом одинаковыми. 3. Резьбовое соединение по п. 1 или 2, отличающееся тем, что наименьший радиус (Rl, R2) резьбового конца (30) по меньшей мере равен наименьшему радиусу (R3) резьбы полного профиля (14А). 4. Резьбовое соединение по одному из пп. 1-3, отличающееся тем, что наименьший радиус (R1, R2) резьбового конца (30) превышает 0,2 мм. 5. Охватываемый участок резьбового соединения компонентов бурового оборудования (13), содержащий по меньшей мере одну главным образом цилиндрическую внешнюю резьбу (14), образованную на охватываемом участке (13), который предназначен для образования единого целого с первым компонентом бурильной колонны (10), при этом указанная резьба (14) имеет резьбовые концы (30), предусмотренные в месте соединения с объединенной резьбой полного профиля (14А), причем указанная внешняя резьба (14) имеет боковые стороны резьбы (30А, 30В, 14В, 14С), отличающийся тем, что внешняя резьба (14) имеет по меньшей мере один резьбовой конец (30), форма которого отличается от формы резьбы полного профиля (14А), причем обе боковые стороны резьбы (30А, 30В) резьбового конца (30) имеют профиль, который отличается от профиля объединенных боковых сторон (14В, 14С) резьбы полного профиля (14А). 6. Охватываемый участок по п. 5, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения и высота резьбы резьбового конца (30) увеличиваются от начала резьбовых концов по окружности в направлении связанной резьбы полного профиля (14А), причем наименьший радиус (R1, R2) резьбового конца (30) превышает 0,2 мм и по меньшей мере равен наименьшему радиусу (R3) резьбы полного профиля (14А). 7. Охватывающий участок резьбового соединения компонентов бурового оборудования (11), содержащий по меньшей мере одну главным образом цилиндрическую внутреннюю резьбу (12), образованную на конце, который предназначен для образования единого целого с первым компонентом бурильной колонны (10), при этом указанная резьба (12) имеет резьбовые концы (30), предусмотренные в месте соединения с объединенной резьбой полного профиля (14А), причем указанная внутренняя резьба (12) имеет боковые стороны резьбы (30А, 30В, 14В, 14С), отличающийся тем, что главным образом цилиндрическая резьба (12) имеет по меньшей мере один резьбовой конец (30), форма которого отличается от формы резьбы полного профиля (14А), причем обе боковые стороны резьбы (30А, 30В) резьбового конца (30) имеют профиль, который отличается от профиля объединенных боковых сторон (14В, 14С) резьбы полного профиля (14А). 8. Охватывающий участок по п. 7, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения и высота резьбы резьбового конца (30) увеличиваются от начала резьбового конца по окружности в направлении связанной резьбы полного профиля (14А), причем наименьший радиус (R1, R2) резьбового конца (30) превышает 0,2 мм и по меньшей мере равен наименьшему радиусу (R3) резьбы полного профиля (14А). 9. Способ изготовления изделия с резьбой для образования части резьбового соединения компонентов бурового оборудования, причем резьба имеет по меньшей мере один резьбовой конец (30) с боковыми сторонами резьбы (30А, 30В) и резьбу полного профиля (14А) с боковыми сторонами резьбы (14В, 14С), при котором устанавливают металлическую заготовку в металлообрабатывающий станок, устанавливают резьбовой инструмент в станок, при этом согласовывают продольную и боковую подачу инструмента с движением вращения заготовки относительно оси вращения (CL), таким образом, что на заготовке нарезается резьба, отличающийся тем, что согласование продольной и боковой подачи инструмента с движением вращения заготовки относительно оси вращения дополнительно включает в себя операцию регулировки резьбового инструмента для такого профилирования резьбового конца (30), что каждая боковая сторона резьбы (30А, 30В) на резьбовом конце (30) получает профиль, который отличается от профиля объединенных боковых сторон (14В, 14С) резьбы полного профиля (14). 10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя операцию термообработки по меньшей мере нарезанной резьбы.