УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ДВУХ, ПО СУЩЕСТВУ, СТЕРЖНЕВИДНЫХ ИЛИ ТРУБЧАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2008 года по МПК E21B17/46 

Данное изобретение относится к устройству для соединения двух, по существу, стержневидных или трубчатых элементов, к примеру, частей буровой штанги бурильной установки и/или элемента буровой штанги, с буровой коронкой или головкой бура, причем соединяемые друг с другом элементы соответственно выполнены с принимаемым концом и ответным ему приемным концом, или смежные друг с другом концы соответственно охватываются муфтой или втулкой, причем на приемном конце или, соответственно, в муфте установлен, по меньшей мере, один участок, смещаемый или вдавливаемый, по существу, в радиальном направлении соединения к принимаемому концу, и входящий в ответную выемку или углубление в принимаемом конце.

Устройства этого типа известны, к примеру, из документов US-A 5304012, WO 97/41377, US-A 4513488 или FR-21104 E.

В связи с соединением, по существу, стержневидных или трубчатых элементов известны различные возможности соединения, причем могут называться, к примеру, резьбовые соединения или стопорные соединения и, соответственно, связи, к примеру, способом байонетного соединения. Недостатком в этих известных соединениях является, в частности, тот факт, что почти с точной посадкой сделанные концы соединяемых друг с другом элементов должны вводиться один в другой и взаимно поворачиваться или, соответственно, двигаться вообще, чтобы иметь возможность производить желаемое соединение. Понятно, что, к примеру, такие резьбовые соединения не только требуют больших затрат времени для их производства, но также требуется высокая точность позиционирования и, соответственно, выравнивание соединяемых друг с другом элементов, чтобы производить такие соединения, причем такое точное позиционирование, к примеру, при удлинениях буровых колонн или т.п., которые имеют, как правило, большую длину, в данном случае затруднено. Исходя из этого, в тяжелых условиях работы, которым подвержены такие соединения, время от времени надлежащее удлинение является не сразу возможным. Кроме того, нужно исходить из того, что, в частности, после продолжительной эксплуатации и, соответственно, эксплуатации при суровых условиях окружающей среды, стыки подвержены, соответственно, высоким нагрузкам так, что такие соединения частично не могут или только при высоких затратах времени и расходе энергии могут снова разъединяться. Также для надлежащего соединения посредством резьбы нужно исходить из того, что для приема и передачи в данном случае высоких нагрузок для проведения бурильных работ в области резьбового соединения должна быть предусмотрена соответствующая большая толщина материала как в области принимаемого конца, так и в области приемного конца так, что может использоваться, к примеру, буровая коронка или части буровой штанги не ниже определенного минимального размера. Таким образом, нельзя подготавливать, к примеру, буровые коронки для производства скважин или отверстий с маленькими диаметрами, так как должно учитываться, в том числе то, что, как правило, буровая штанга должна быть выполнена полой для притока пульпы к области буровой коронки и/или для транспортировки отработанного материала и должна представлять соответствующую ширину в свету. Для производства скважин малого диаметра в этой связи предлагалось, например, чтобы удлинение буровой штанги не производилось посредством резьбовых соединений, а что после прохода скважины на определенную длину вся буровая штанга со сверлильной коронкой удаляется из пробуренного отверстия, после чего вводится в эксплуатацию более длинная буровая штанга, причем очевидно, что с таким способом обработки связаны, соответственно, более высокие затраты времени и более высокая трудоемкость.

Поэтому данное изобретение имеет своей целью предоставление в распоряжение устройства упомянутого выше вида для соединения двух, по существу, стержневидных или трубчатых элементов, с помощью которого удается простое и надежное соединение друг с другом соединяемых элементов. Таким образом, простое и надежное соединение должно быть, возможно, в частности, при суровых условиях окружающей среды и должно надежно предотвращать непреднамеренное разъединение или разделение соединяемых друг с другом элементов в осевом направлении или продольном направлении соединенных элементов, быть просто изготавливаемым.

Для решения этих задач устройство упомянутого выше вида характеризуется, по существу, тем, что вдавливаемый или смещаемый участок в приемном конце или, соответственно, муфте ограничен щелью, которая в горизонтальной проекции ограничивает, в частности, по существу, U-образный по форме, вдавливаемый или смещаемый участок. Такую, предусмотренную, согласно изобретению, к примеру, по существу, U-образную щель можно выполнить простыми средствами и в соответствии с этим быстро - в области приемного конца или муфты или, соответственно, втулки, после чего в последующем после вставления или введения принимаемого конца будет возможным соединение друг с другом соединяемых элементов посредством простого вдавливания и, соответственно, смещения или вбивания ограниченного щелью участка в ответное или соответствующее углубление или выемку на принимаемом конце.

Поскольку, согласно изобретению, в приемном конце смещаемый или вдавливаемый участок входит в зацепление с ответным углублением или выемкой в принимаемом конце второго элемента производимого соединения и базируется, по существу, с геометрическим замыканием в этом углублении или, соответственно, выемке, то обеспечивается простая стыковка и, соответственно, соединение друг с другом соединяемых элементов либо непосредственно в приемном конце, в который утапливается принимаемый конец, либо при посредничестве соответствующей муфты или втулки. Вбиваемый или вдавливаемый участок входит в соответствующее углубление в принимаемом конце за счет расположения вдавливаемого участка или, соответственно, отростка, надежно предотвращается размыкание и, соответственно, разделение друг с другом соединяемых элементов в осевом или, соответственно, продольном направлении. Кроме того, очевидно, что предложенное, согласно изобретению, соединение посредством простого введения или вставки друг в друга соединяемых друг с другом элементов, либо введением приемных элементов в муфту или соответственно втулку является достаточным, вслед за чем после желаемого позиционирования в отношении осевого расположения; вбиваемый или вдавливаемый участок вбивается в углубление или выемку приемной части и, таким образом, быстро и надежно достигается желаемое соединение. Кроме того, с помощью предусмотренного, согласно изобретению, смещаемого или вдавливаемого участка на взаимодействующих друг с другом концах предоставляется в распоряжение не только надежное разъемное соединение, но и для поддержания разъемного соединения в рабочем состоянии позволяет обходиться с соответственно более низкими толщинами материала так, что могут также предоставляться маленькие диаметры скважин и, соответственно, пробуренных отверстий. Таким разъемным соединением можно также достичь по отношению к резьбовым соединениям улучшенной передачи энергии, так как могут предоставляться соответственно большие упорные поверхности или, соответственно, базовые поверхности между отдельными элементами разъемного соединения, в то время как при резьбе, в частности, после ее износа вследствие высоких нагрузок находятся в распоряжении лишь незначительные контактные поверхности, к примеру, в форме линейного контакта.

Для желаемого при необходимости разъединения такого соединения при соответствующей ориентации углубления или выемки, а также вдавливаемого участка достаточно соответствующей нагрузки в осевом направлении, которая превосходит предоставленную смещаемым или вдавливаемым участком силу соединения, чтобы отделять друг от друга связанные между собой элементы. Понятно, что при предложенном согласно изобретению соединении, можно отказываться от чрезмерно точной юстировки и, соответственно, выравнивания имеющейся при необходимости большой длины соединяемых друг с другом элементов, и что дальше не требуются никакие взаимные вращательные или поворотные движения для создания и, соответственно, укомплектования соединения, как это требуется, к примеру, в известном уровне техники при резьбовых соединениях или байонетных соединениях или т.п. Такое предложенное, согласно изобретению, соединение может предоставляться в распоряжение также при суровых условиях окружающей среды, к примеру, при производстве бурового отверстия в материале донных или горных пород или при применении в перфораторах металлургических леток, экономичное по времени и по затратам как для создания соединения, так и для разделения при необходимости соединения, после эксплуатации при высоких напряжениях стыков.

При применении муфты или втулки для соединения трубчатых или стержневых элементов предлагается, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, чтобы муфта или, соответственно, втулка для соединения смежных друг с другом концов трубчатых элементов была выполнена с двумя смещаемыми или вдавливаемыми участками, которые ориентированы противоположно друг другу. В данном случае могут быть учтены необходимые, различные силовые воздействия при создании желаемой силы соединения в области муфты посредством соответствующего позиционирования или расположения соответственно смещаемых или вдавливаемых участков в различных участках муфты, которые двумя отличными друг от друга концами взаимодействуют с соединяемыми друг с другом концами.

Для особенно простого и, таким образом, экономически целесообразного и экономящего время образования соответствующего углубления или, соответственно, выемки в принимаемом конце также предлагается, чтобы выемка или, соответственно, углубление были образованы в принимаемом конце в виде проходящего, по существу, в продольном направлении соединяемых элементов желобка или, соответственно, паза, как это соответствует предпочитаемому варианту осуществления устройства, согласно изобретению.

Как уже отмечено выше, с помощью предложенного, согласно изобретению, устройства удается по существу просто производимое и надежное предохранение от саморазмыкания соединяемых друг с другом трубчатых или стержневых элементов в осевом направлении или, соответственно, продольном направлении этих элементов. Если элементы должны предохраняться от взаимно вращательного движения или к этим элементам, к примеру, при проведении бурового процесса, прикладывается вращательное движение и, соответственно, такими элементами, к примеру, элементами буровой штанги должно передаваться вращательное движение от привода к буровому инструменту, то для достижения соответствующей передачи вращения, согласно предпочтительному варианту осуществления изготовления, предусмотрено, чтобы принимаемый конец и приемный конец или, соответственно, муфта имели отличающуюся от круглой форму периметра, к примеру, гексагональную в поперечном сечении форму периметра. Такие, отличающиеся от круглой формы периметра могут производиться также, соответственно, просто и экономически целесообразно, а также с точной посадкой, так что снова простым введением и, соответственно, вставкой принимаемого конца в приемный конец или в образующую промежуточный элемент муфту или, соответственно, втулку становится возможным простое соединение посредством дополнительного вдавливания или смещения соответствующих участков в соответствующие выемки по внешнему периметру принимаемых концов.

Поскольку соединяемые друг с другом трубчатые или стержневые элементы имеют при известных условиях сравнительно крупное поперечное сечение материала, вследствие чего вдавливание или вбивание предусмотренных для соединения участков в данном случае затруднено или, соответственно, требует высокой ударной нагрузки, предлагается, согласно другому предпочтительному варианту осуществления, чтобы смещаемый или вдавливаемый участок был выполнен с уменьшенным по отношению к граничным конечным областям поперечным сечением. Такое уменьшенное поперечное сечение позволяет надежное вбивание или, соответственно, вдавливание предусмотренных для соединения участков, причем неизменно может предоставляться в распоряжение достаточная сила соединения или, соответственно, удерживающая сила по отношению к непреднамеренным разъединениям, в частности, в осевом направлении.

Для прилегания, по существу, с геометрическим замыканием смещаемого или вдавливаемого участка предлагается, согласно другому предпочтительному варианту осуществления, чтобы принимающее смещаемый участок углубление или, соответственно, выемка были скошены на принимаемом конце в продольном направлении соединяемых друг с другом трубчатых элементов или, соответственно, были выполнены с возрастающей глубиной.

Для образования определенной позиции упора или, соответственно, конечного положения производимого, согласно изобретению, соединения предлагается, еще одному предпочтительному варианту осуществления, чтобы углубление или, соответственно, выемка образовывали упор для смещаемого или вдавливаемого участка в продольном направлении соединяемых друг с другом трубчатых элементов.

Наряду с применением устройства, согласно изобретению, к примеру, для соединения элементов буровых штанг или т.п. быстро и просто производимое соединение посредством устройства, согласно изобретению, может находить применение также для установки, к примеру, буровой коронки или буровой головки на буровой штанге. В этой связи здесь предлагается, чтобы приемный конец был образован в виде муфты, выполненной на обращенном от рабочей поверхности буровой коронки конце или, соответственно, втулкообразного отростка, в которую(ый) может вставляться принимаемый конец элемента буровой штанги, как это соответствует предпочитаемому варианту осуществления устройства, согласно изобретению.

Чтобы избегать, при известных условиях, неравномерных нагрузок на периметре соединяемых друг с другом элементов и, соответственно, предоставлять в распоряжение необходимую связывающую или, соответственно, удерживающую силу, распределенную по периметру, предлагается, согласно предпочтительному варианту осуществления, чтобы по периметру соединяемых друг с другом элементов было предусмотрено несколько смещаемых или вдавливаемых участков и ответных им выемок или, соответственно, углублений. Посредством предусмотрения при известных условиях различного количества областей соединения или, соответственно, смещаемых или вдавливаемых участков на внешнем периметре совместно друг с другом производимых элементов, могут также предоставляться в распоряжение на различных участках различные силы удержания или соединения так, что в случае предусмотрения различного при необходимости количества областей соединения на различных участках более длинного соединения для желаемого разъединения могут определяться предпочтительные места разъединения соединения, состоящих из нескольких элементов труб или буровых штанг.

Далее изобретение поясняется более подробно посредством примеров осуществления, схематически представленных на прилагаемых чертежах, где показано:

Фиг.1 - схематический вид сбоку первого варианта осуществления устройства, согласно изобретению;

Фиг.2 - схожее с фиг.1 представление измененного варианта осуществления;

Фиг.3 - в увеличенном, по сравнению с фиг.1 и 2, масштабе - частичный разрез устройства, согласно изобретению, для производства соединения между буровой коронкой и присоединяемым элементом буровой штанги;

Фиг.4 - частичный разрез в направлении стрелки IV на фиг.3.

На фиг.1 позицией 1 обозначен трубчатый элемент буровой штанги, который, с одной стороны, должен иметь возможность установки в буровой коронке или буровом инструменте 2 или иметь возможность соединения с ними, а, с другой стороны, на своем обращенном от буровой коронки 2 конце связан через ударный элемент 3 с подробно не представленным на чертеже воздействующим на ударный элемент 3 приводом, к примеру, приводом для ударно-вращательного бурения.

Соединение буровой штанги 1 как с буровой коронкой 2, так и ударным элементом 3 происходит в области буровой коронки 2 за счет утапливания элемента 1 штанги в отросток 5, выступающий на обращенном от рабочей поверхности 4 буровой коронки 2 конце, причем отросток 5 на своем внешнем периметре имеет смещаемый или вдавливаемый участок 6, который входит в соответствующую выемку или желобок на внешнем периметре принимаемого конца буровой штанги 1, как это подробно представлено на фиг.3.

Подобным образом, обращенный к ударному элементу 3 конец буровой штанги 1 соединен с ударным элементом 3 через муфту 7, причем муфта 7 также имеет смещаемый или вдавливаемый участок 6, который опять утапливается в соответствующую выемку или углубление на внешнем периметре принимаемого конца буровой штанги или, соответственно, трубы 1.

Из представления, согласно фиг.3, очевидно, что на обращенном от рабочей поверхности 4 конце буровая коронка или буровая головка 2 имеет втулкообразный отросток 5, в который утапливается принимаемый конец 9 буровой штанги или, соответственно, трубчатого элемента 1. В представленном на фиг.3 соединенном состоянии смещаемый или вдавливаемый, или вбиваемый участок 6 принят в соответствующей выемке или углублении 10 на внешнем периметре принимаемого конца 9. Углубление или, соответственно, выемка 10 снабжается скошенной или наклонной поверхностью 11, с которой входит в контакт вбиваемый или, соответственно, вдавливаемый участок 6, когда он, выходя из соосного с последующими участками положения, входит в зацепление с углублением или, соответственно, выемкой 10. Кроме того, на фиг.3 обозначен втулкообразный центрирующий отросток 12 в области буровой коронки 2.

Из частичного представления разреза, согласно фиг.4, далее очевидно, что как втулкообразный отросток 5 буровой коронки 2, так и принимаемый конец 9 буровой штанги 1 имеют отличающееся от круглой формы поперечное сечение так, что посредством представленной на фиг.4, например, гексагональной формы поперечного сечения и, соответственно, формы периметра возможна передача вращения буровой коронке 2 при приведении во вращение буровой штанги 1, в то время как посредством входящего в выемку 10 участка 6 втулкообразного отростка 5 предоставляется в распоряжение надежная защита по отношению к смещению и, соответственно, разъединению в осевом направлении. Если буровая штанга 1 после окончания буровых работ должна отделяться, например, от буровой коронки 2, то к трубчатому элементу 1 должна быть приложена сила в направлении удаления трубчатого элемента 1 из буровой коронки 2, превосходящая силу соединения, так что при деформации принятого в выемке 10 участка 6 происходит отделение трубчатого элемента 1 от буровой коронки 2.

Подобно соединению между буровой коронкой 2 или ее втулкообразным отростком 5 и принимаемым концом 9 буровой штанги 1 происходит также соединение между муфтой 7 ударного элемента 3 и противолежащим буровой коронке 2 или, соответственно, обращенным от нее концом буровой штанги 1.

На фиг.2 представлен измененный вариант осуществления, причем наряду с соединением обозначенного позицией 13 элемента буровой штанги с обозначенной снова позицией 2 буровой коронкой посредством вбиваемого или вдавливаемого участка 6 происходит удлинение буровой штанги с помощью муфты 14, через которую трубчатый элемент 13 соединяется со следующим трубчатым элементом 15, который соединен в дальнейшем снова с ударным элементом 3. Для достоверного и, соответственно, надежного соединения, в частности, в осевом или, соответственно, продольном направлении вновь предусмотрены смещаемые или вдавливаемые, или вбиваемые участки 6 во втулкообразном отростке 5 буровой коронки 2, в муфте 14, а также в муфте 7 ударного элемента 3 так, что подобно тому, как в варианте осуществления, согласно фиг.1 и 3, снова будет возможным, соответственно, просто и быстро производимое соединение между отдельными трубчатыми элементами 13 и 15.

Вместо показанного на чертежах соединения, по существу, с применением промежуточных элементов 5, 7 и 14 в форме муфт соединение может осуществляться также посредством того, что муфтовый или, соответственно, приемный конец трубчатого или стержнеобразного элемента непосредственно охватывает принимаемый конец второго трубчатого или стержнеобразного элемента или его заостренный конец, причем соединение снова осуществляется посредством, по меньшей мере, одного смещаемого или вбиваемого в направлении принимаемого конца участка 6.

Чтобы в больших, при необходимости, поперечных сечениях избегать неравномерности нагрузочных или соединительных сил, может быть предусмотрено, чтобы по периметру стыка было, по существу, равномерно распределено несколько соответственно вдавливаемых или вбиваемых участков 6.

Как следует из чертежей, можно обойтись небольшой толщиной материала или, соответственно, толщиной стенок перекрывающих друг друга участков, к примеру, как втулкообразного отростка 5, так и буровой штанги 1 при представлении, согласно фиг.3, так, что вопреки предусмотренной большой ширине в свету внутри буровой штанги 1, могут производиться также бурения маленьких диаметров. Кроме того, очевидно, что могут предоставляться в распоряжение, по существу, полногранные, примыкающие друг к другу упорные поверхности связанными между собой элементами для надлежащей передачи энергии.

Изобретение относится к области бурения, а именно к устройству для соединения двух, по существу, стержневидных или трубчатых элементов, например, частей буровой штанги бурильной установки и/или элемента буровой штанги с буровой коронкой или головкой бура. Соединяемые друг с другом элементы выполнены, соответственно, с принимаемым концом и ответным ему приемным концом, или смежные друг с другом концы, соответственно, охватываются муфтой или втулкой. На приемном конце или, соответственно, в муфте установлен, по меньшей мере, один участок, смещаемый или вдавливаемый, по существу, в радиальном направлении соединения к принимаемому концу и входящий в ответную выемку или углубление на принимаемом конце. Вдавливаемый или смещаемый участок ограничен щелью в приемном конце или, соответственно, муфте, которая в горизонтальной проекции ограничивает, в частности, по существу, U-образный вдавливаемый участок. Обеспечивает простое и надежное соединение друг с другом соединяемых элементов. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для соединения двух, по существу, стержневидных или трубчатых элементов (1), например, частей буровой штанги бурильной установки и/или элемента (1) буровой штанги с буровой коронкой или головкой бура, причем соединяемые друг с другом элементы выполнены, соответственно, с принимаемым концом и ответным ему приемным концом, или смежные друг с другом концы, соответственно, охватываются муфтой или втулкой (5, 7, 14), причем на приемном конце или, соответственно, в муфте (5, 7, 14) установлен, по меньшей мере, один участок (6), смещаемый или вдавливаемый, по существу, в радиальном направлении соединения к принимаемому концу (9) и входящий в ответную выемку или углубление (10) на принимаемом конце (9), отличающееся тем, что вдавливаемый или смещаемый участок (6) ограничен щелью в приемном конце или, соответственно, муфте (5, 7, 14), которая в горизонтальной проекции ограничивает, в частности, по существу, U-образный вдавливаемый участок (6).2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что муфта или, соответственно, втулка (14) для соединения смежных друг с другом концов трубчатых элементов (13, 15) выполнена с двумя смещаемыми или вдавливаемыми участками (6), которые ориентированы противоположно друг к другу.3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что выемка или, соответственно, углубление (10) в принимаемом конце (9) образована проходящим, по существу, в продольном направлении соединяемых элементов (1, 13, 15) желобком или, соответственно, пазом.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что принимаемый конец (9) и приемный конец или, соответственно, муфта (5, 7, 14), соответственно, имеют отличающуюся от кругообразной форму периметра, к примеру, гексагональную в поперечном сечении форму периметра.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что смещаемый или вдавливаемый участок (6) выполнен с уменьшенным по отношению к смежными концевым областями поперечным сечением.6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вмещающее смещаемый участок (6) углубление или, соответственно, выемка (10) в принимаемом конце (9) выполнены, в продольном направлении соединяемых друг с другом трубчатых элементов (1, 13, 15), скошенными или, соответственно, - с возрастающей глубиной.7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что углубление или, соответственно, выемка (10) образует упор для вдавливаемого или смещаемого участка (6) в продольном направлении соединяемых друг с другом трубчатых элементов (1, 13, 15).8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что приемный конец образован выполненной на обращенной от рабочей поверхности (4) буровой коронки (2) конце муфтой или, соответственно, втулкообразным отростком (5), в которую(ый) может вставляться принимаемый конец (9) элемента (1, 13) буровой штанги.9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на периметре соединяемых друг с другом элементов (1, 13, 15, 5, 7, 14) предусмотрено несколько смещаемых или вдавливаемых участков (6) и ответных им выемок или, соответственно, углублений (10).