БУРОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ЕГО ОХВАТЫВАЮЩАЯ И ОХВАТЫВАЕМАЯ ЧАСТИ Российский патент 2012 года по МПК E21B17/42 F16L15/00 

Область техники изобретения

В первом аспекте данное изобретение относится к буровому оборудованию, содержащему охватывающую часть и охватываемую часть, соединенные друг с другом посредством резьбового соединения, включающего внутреннюю трапецеидальную резьбу в охватывающей части и внешнюю трапецеидальную резьбу на охватываемой части, при этом каждая из резьб содержит спиральный гребень, ограниченный вершиной и двумя стенками, между которыми проходит канавка с дном, и гребень резьбы проходит множество витков между передним и задним концами, касаясь вершиной воображаемого цилиндра или конуса, концентричного с центральной осью.

В дополнительных аспектах изобретение также относится к охватывающей части и охватываемой части.

Предпосылки изобретения

На практике буровое оборудование упомянутого выше типа используют для ударно-вращательного бурения или бурения с верхним ударником, то есть бурения, в котором движение динамического воздействия, а также вращение передаются на буровое долото. Буровое оборудование можно компоновать различными способами при использовании различных компонентов, соединяемых вместе посредством резьбовых соединений различных типов. Вместе с тем, обычно охватываемые части состоят из стержней и охватывающие части состоят из соединительных втулок, буровых долот или переходных втулок. В резьбовых соединениях между различными компонентами часто наиболее предпочтительными являются трапецеидальные резьбы вместо так называемых, круглых резьб, по причине значительно более простого рассоединения соединений с первыми резьбами, чем со вторыми. Вместе с тем, проблема трапецеидальных резьб состоит в возникновении концентрации напряжений вблизи вогнутых радиусных переходов между двумя боковыми сторонами гребня резьбы и дном канавки между ними, приводящим к усталости материала и, следовательно, уменьшенному сроку службы рассматриваемого компонента. Такая концентрация напряжений, увеличивающихся для "более резко" изогнутых радиусных переходов, создает наибольшие проблемы в охватывающей части, особенно в первых витках резьбы или витках, ближайших к переднему концу охватывающей части, где изгибающие нагрузки на охватывающую часть являются самыми большими.

До известной степени проблемы концентрации напряжений в соединениях с трапецеидальной резьбой решены неплохим способом в патентах США № 4040756, 6196598, а именно выполнением дна канавки в резьбах охватывающей части, а также охватываемой части с так называемым полностью скругленным профилем типа, аналогичного круглым резьбам, притом вершины или вершины профиля резьбы сохраняют форму профиля, типичную для трапецеидальной резьбы и определенную прямой образующей, которая на противоположных концах преобразуется в две боковые стороны выпуклыми дугообразными линиями. Таким образом, боковые стороны должны преобразовываться непосредственно в дно канавки скругленного дугообразного сечения без каких-либо радиусных переходов между ними. Другими словами, боковые стороны преобразуются в гладко скругленное дно канавки, в котором риск возникновения концентрации напряжений является минимальным или не существует.

Вместе с тем, недосток резьб, известных из данных патентов, состоит в том, что профиль резьбы является одинаковым на всем протяжении резьбы вдоль оси между передним и задним концами. Это означает, что количество материала в охватывающей части, кроме всего прочего хрупкой, уменьшается не только в области, где находятся изгибающие нагрузки, то есть вблизи переднего конца охватывающей части, но также вдоль остальной протяженности резьбы до заднего конца. Данное уменьшение материала без необходимости снижает прочность и срок службы охватывающей части.

Аналогично сокращение материала без необходимости также имеет место в охватываемой части, но в данном случае это менее важно, чем в охватывающей части.

В патенте США № 6293360 раскрыта трапецеидальная резьба, имеющая профиль, последовательно меняющийся вдоль частей витка. Вместе с тем, в данном случае изменение профиля ограничено выходом или входом резьбы, тогда как остальной профиль является идентичным по всем виткам выходом и входом.

Цели и признаки изобретения

Настоящее изобретение нацелено на устранение вышеупомянутых недостатков известного бурового оборудования и создание усовершенствованного оборудования. Поэтому главная цель изобретения состоит в создании бурового обрудования, охватывающую и охватываемую части которого можно соединить вместе посредством резьбовых соединений, которые, с одной стороны, не подвержены воздействию местных концентраций напряжений, обуславливающих усталость материала, и, с другой стороны, обеспечивают возможность выполнения резьбы без ослабления соответствующей части сокращением материала без необходимости. В частности, изобретение нацелено на создание охватывающей части, имеющей оптимальную прочность и срок службы не только вследствие минимизирования риска усталости в наиболее чувствительной ее части, то есть переднем конце, но также вследствие оптимального количества материала, сохраненного в указанной части.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показан разобранный вид в изометрии двух частей или компонентов бурового оборудования, т.е. охватываемая часть и охватывающая часть, показанные схематично и обрезанные.

На фиг.2 показан вид в изометрии охватываемой части, соединенной с охватывающей частью.

На фиг.3 показаны в разобранном виде продольные сечения охватываемой части с внешней трапецеидальной резьбой на ней и охватывающей части с внутренней трапецеидальной резьбой на ней.

На фиг.4A, 4B, 4C показаны увеличенные детализированные сечения, иллюстрирующие форму профиля охватывающей резьбы в поперечных сечениях по линиям A, B, C фиг.3.

На фиг.5 показаны увеличенные продольные сечения частей охватывающей и охватываемой резьбы в соединении друг с другом.

На фиг.6 показаны в разобранном виде те же резьбы, отсоединенные друг от друга.

На фиг.7 показано продольное сечение охватываемой части, выполненной с резьбой согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

На фиг.1 и 2 показаны охватывающая часть 1 и охватываемая часть 2, которые можно стыковать или соединять друг с другом посредством резьбового соединения, включающего в себя внутреннюю резьбу или охватывающую резьбу 3 внутри охватывающей части 1 и внешнюю резьбу или охватываемую резьбу 4 на охватываемой части 2. Части 1 и 2 имеют общую центральную ось C. Охватывающая резьба 3 проходит от переднего конца 5 (фиг.3) к заднему концу 6. Охватываемая резьба 4 проходит от переднего конца 7 к заднему концу 8. В данном варианте передний конец 7 охватываемой резьбы 4 расположен непосредственно вблизи переднего конца охватываемой части, представленной концевой поверхностью 9, в которой имеется отверстие промывочного канала 10. Вместе с тем, также обоснованным является выполнение, например, цилиндрической направляющей поверхности между резьбой и концевой поверхностью 9. Аналогично охватывающая резьба 3 может начинаться как непосредственно вблизи переднего конца охватывающей части 1, так и на расстоянии от переднего конца в охватывающей части.

Следует подчеркнуть, что охватывающая часть 1 и охватываемая часть 2 показаны схематично на фиг.1 и 2. На практике втулкообразная охватывающая часть может входить в состав соединительной муфты или соединительной втулки, переходной втулки или бурового долота. Единственно важным является то, что охватывающая часть включает в себя полость с внутренней резьбой. Каждая резьба 3, 4 представляет собой трапецеидальную резьбу, имеющую в данном варианте цилиндрическую базовую форму.

На фиг.3-6 подробно показано резьбовое соединение согласно изобретению. Нормальным направлением бурения является направление вниз на фиг.3.

На фиг.6 показано, что охватывающая резьба 3 состоит из гребня резьбы, ограниченного вершиной 11 (или вершиной профиля) и двумя боковыми сторонами 12a, 12b профиля резьбы. Канавка 13, имеющая дно 14 (или впадину) профиля резьбы, проходит между двумя вершинами 11. Боковые стороны 12a, 12b преобразуются в вершину 11 через выпуклые радиусные переходы 15. Способом, типичным для каждой резьбы, гребень резьбы 3 проходит по спирали множество витков (например, три или больше) между ее противоположными концами.

Аналогично охватываемая резьба 4 имеет форму спирального гребня резьбы, ограниченного вершиной 16 (или вершиной профиля) и двумя боковыми сторонами 17a, 17b. Канавка 18, имеющая дно 19 (или впадину) профиля резьбы, проходит между двумя вершинами 16. Также в данном случае боковые стороны 17a, 17b преобразуются в вершину 16 посредством выпуклых радиусных переходов 20. Одновременно поверхность дна 19 канавки преобразуется в боковую сторону посредством вогнутых радиусных переходов 21.

В показанном варианте изобретение применяется только к охватывающей резьбе 3, тогда как охватываемая резьба 4 имеет обычный трапецеидальный профиль, так что не только вершина 16, но также дно 19 канавки имеет форму цилиндрических поверхностей, образованных прямыми образующими, параллельными центральной оси C.

В одном варианте углы боковых сторон составляют 55° (двойной угол боковой стороны равен 110°). Дополнительно к этому дно 19 профиля охватываемой резьбы 4 очерчивает диаметр, который несколько меньше, чем диаметр вершины 11 профиля охватывающей резьбы 3. При этом образуется узкий зазор между поверхностями 11 и 19, как видно на фиг.5. Дополнительно к этому выпуклые радиусные переходы 15 между поверхностью вершины 11 и боковыми сторонами 12a, 12b имеют радиус, несколько превышающий радиус вогнутых радиусных переходов 21 между дном 19 канавки профиля охватываемой резьбы и примыкающими боковыми сторонами 17a, 17b. Это означает, что контакт между двумя взаимодействующими резьбами строго ограничен контактом боковых сторон. Более точно, контакт во время работы ограничен контактом между сжимающимися боковыми сторонами 12a, 17a (фиг.5), тогда как боковые стороны 12b, 17b по существу действуют только при отсоединении частей друг от друга.

Показанное резьбовое соединение, по существу, является известным.

Для пояснения общей идеи изобретения необходимо рассмотреть фиг.3 и 4. На фиг.3 показано, с одной стороны, что охватываемая резьба 4 состоит из чисто трапецеидальной резьбы, имеющей, по существу, идентичную форму профиля по всей длине резьбы, и, с другой стороны, что охватывающая резьба 3 состоит из трапецеидальной резьбы, форма профиля которой модифицирована согласно изобретению. Точнее, охватывающая резьба модифицирована по дну канавки, тогда как форма профиля, отличительная для трапецеидальных резьб, сохранена для вершины и боковых сторон гребня резьбы.

На фиг.4A-C, показано последовательное изменение формы профиля канавки 13, отличающей изобретение, различные сечения A, B и C, соответственно взятые по первому, третьему и пятому виткам охватывающей резьбы. В одном варианте профиль изменяется от так называемого полностью скругленного профиля в сечении A к чисто трапецеидальному профилю в сечении С. Таким образом, в сечении, упомянутом последним, дно 14 канавки состоит из поверхности цилиндра, который образован прямолинейной образующей и имеет ширину или осевую протяженность W1. Данная поверхность 14 цилиндра преобразуется в две боковые стороны 12a, 12b через радиусные переходы 22, радиусы r2 которых равны. Одинаково с поверхностью 14 цилиндра радиусные переходы 22 имеют некоторую ширину W2.

В сечении A дно 14 канавки состоит из дугообразной линии, включенной в состав воображаемой окружности, имеющей радиус r1 и касающейся боковых сторон 12a, 12b в точках TP касания. Таким образом, именно в данном сечении дно канавки резьбы имеет форму профиля, аналогичную охватывающим резьбам, показанным в патентах США № 4040756, US 6196598.

На подходящем осевом расстоянии от сечения A может начинаться модификация формы профиля. В сечении B дно 14 канавки, имеющее ширину W1, имеет больший радиус r1, чем в сечении A, одновременно с началом образования вогнутых радиусных переходов 22, имеющих ширину W2 и уменьшенный радиус r2. Это изменение профиля успешно проходит к заднему концу резьбы, чтобы закончиться в сечении C с радиусом r1, являющимся бесконечно большим, при этом радиусы r2 радиусных переходов 22 являются минимальными. Другими словами, радиус r1 дна 14 канавки увеличивается от минимального в переднем сечении A до бесконечно большого в заднем сечении C, а радиусы r2 радиусных переходов 22 уменьшаются в обратном порядке от наибольшего значения в сечении A до наименьшего значения в сечении C.

Фундаментальным преимуществом резьбового соединения согласно изобретению является то, что решена проблема концентрации напряжений переходов с острыми углами или малыми радиусами без ненужного ослабления по данной причине охватывающей части чрезмерным уменьшением материала. В области, где охватывающая часть подвергается значительным изгибающим нагрузкам, а именно вблизи переднего конца, нет необходимости образования радиусных переходов. Таким образом, образование радиусных переходов может начинаться в области, где переходы безболезненны, то есть на подходящем числе витков или части витка за передним концом.

Даже если изобретение является особенно предпочтительным в охватывающей части бурового оборудования, то же самое также можно применить к внешним резьбам охватываемой части. Такой вариант осуществления изобретения показан на фиг.7, на которой видно, что все вершины 16 резьбы касаются общего воображаемого цилиндра (аналогично вершинам 11 профиля охватывающей резьбы в предыдущем примере), при этом глубина и форма канавки резьбы меняется в разнесенных по оси частях сечения. Вместе с тем, в данном случае дно канавки имеет наименьшую глубину (или подъем) ближайшей к переднему концу 9 охватываемой части 2 и максимальную глубину на заднем конце 8 резьбы. Другими словами, радиус правильного дна канавки уменьшается в направлении назад вдоль охватываемой части одновременно с увеличением радиусов радиусных переходов. Является подходящим, но, вместе с тем, необязательным, чтобы дно канавки резьбы имело трапецеидальную форму профиля на переднем конце и полностью скругленный профиль на заднем конце.

На практике вышеупомянутые охватывающая и охватываемая части могут быть изготовлены из стали с резьбами, выполненными токарной обработкой, точнее, посредством современной технологии токарной обработки, основанной на умеренной продольной подаче инструмента с программным управлением, в котором одновременно осуществляется поперечная подача, с быстрыми прерывистыми движениями в радиальном направлении.

Изобретение не ограничено только вариантами осуществления, описанными выше и показанными на чертежах. Так, описанное изменение формы профиля дна канавки может начинаться и заканчиваться в произвольных сечениях вдоль резьбы. Также дно канавки не обязательно должно иметь полностью скругленный профиль на своем одном конце и трапецеидальный профиль на своем другом конце при условии, что изменения профиля дна и радиусных переходов осуществляются вышеописанным способом. Дополнительно к этому изобретение можно применять к резьбам, две боковые стороны которых имеют неодинаковую ширину, так, как показано в примерах. Таким образом, сжимающая боковая сторона, по меньшей мере, одной из резьб может иметь большую ширину, чем боковая сторона, так, как раскрыто в патенте США № 4040756. Фактически изобретение является также применимым для резьб с двойными входами и резьб конической базовой формы вместо цилиндрической формы.

Группа изобретений относится к резьбовому соединению для бурового оборудования. Техническим результатом является повышение прочности и срока службы резьбового соединения. Буровое оборудование содержит охватывающую и охватываемую части, соединенные друг с другом посредством резьбового соединения. Резьбовое соединение включает внутреннюю трапецеидальную резьбу в охватывающей части и внешнюю трапецеидальную резьбу на охватываемой части. Каждая из резьб имеет форму спирального гребня, ограниченного вершиной и двумя боковыми сторонами, канавку с дном. Канавка проходит между двумя вершинами, причем гребень резьбы проходит множество витков между передним и задним концами бурового оборудования. Индивидуальная вершина резьбы касается воображаемого цилиндра или конуса, концентричного с центральной осью. При этом дно канавки, по меньшей мере, одной из резьб имеет вогнутую и частично круговую форму сечения, по меньшей мере, вдоль части протяженности канавки. Индивидуальная вершина резьбы преобразуется в боковые стороны через вогнутые радиусные переходы. Эти радиусы уменьшаются в осевом направлении от одного конца спирального гребня резьбы к другому концу. При этом радиус дна канавки увеличивается в том же направлении. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Буровое оборудование, содержащее охватывающую часть (1) и охватываемую часть (2), соединенные друг с другом посредством резьбового соединения, включающего внутреннюю трапецеидальную резьбу (3) в охватывающей части (1) и внешнюю трапецеидальную резьбу (4) на охватываемой части (2), при этом каждая из резьб имеет форму спирального гребня, ограниченного вершиной (11, 16) и двумя боковыми сторонами (12а, 12b; 17а, 17b), канавку (13, 18) с дном (14, 19), проходящую между двумя вершинами, причем гребень резьбы проходит множество витков между передним и задним концами (5, 6; 7, 8) бурового оборудования, и индивидуальная вершина резьбы касается воображаемого цилиндра или конуса, концентричного с центральной осью (С), отличающееся тем, что дно (14) канавки, по меньшей мере, одной из резьб (3) имеет вогнутую и частично круговую форму сечения, по меньшей мере, вдоль части протяженности канавки и преобразуется в боковые стороны (12а, 12b) через вогнутые радиусные переходы (22), радиусы (r2) которых уменьшаются в осевом направлении от одного конца спирального гребня резьбы к другому концу, при этом радиус (r1) дна (14) канавки увеличивается в том же направлении.

2. Буровое оборудование по п.1, отличающееся тем, что индивидуальная боковая сторона (12а, 12b) имеет одинаковую ширину на всем своем протяжении.

3. Буровое оборудование по п.2, отличающееся тем, что две боковые стороны (12а, 12b) имеют равную ширину.

4. Буровое оборудование по любому одному из пп.1-3, отличающееся тем, что в произвольном сечении (А) вдоль протяженности резьбы радиусы (r1, r2) дна (14) канавки и радиусных переходов (22) являются равными при образовании полностью скругленного профиля.

5. Буровое оборудование по любому одному из пп.1-3, отличающееся тем, что в произвольном сечении (С) вдоль протяженности резьбы радиусы (r2) радиусных переходов (22) являются минимальными, и радиус (r1) дна (14) канавки является бесконечно большим.

6. Буровое оборудование по любому одному из пп.1-3, отличающееся тем, что радиус (r1) дна (14) канавки является минимальным в произвольном сечении и равномерно увеличивается к другому сечению, при этом радиусы (r2) радиусных переходов равномерно уменьшаются в том же направлении.

7. Охватывающая часть для бурового оборудования, содержащая внутреннюю трапецеидальную резьбу (3) в форме спирального гребня, ограниченного вершиной (11) и двумя боковыми сторонами (12а, 12b), канавку (13) с дном (14), проходящую между двумя вершинами, причем указанный гребень резьбы проходит множество витков между передним концом (5) и задним концом (6), и вершина резьбы касается воображаемого цилиндра или конуса, концентричного с центральной осью (С) охватывающей части, отличающаяся тем, что дно (14) канавки (13) имеет вогнутую и частично круговую форму поперечного сечения, по меньшей мере, вдоль части протяженности канавки и преобразуется в боковые стороны (12а, 12b) через вогнутые радиусные переходы (22), радиусы (r2) которых уменьшаются в направлении от переднего конца (5) резьбы к заднему концу (6), при этом радиус (r1) дна (14) канавки увеличивается в том же направлении.

8. Охватывающая часть по п.7, отличающаяся тем, что индивидуальная боковая сторона (12а, 12b) имеет одинаковую ширину на всем своем протяжении.

9. Охватывающая часть по п.8, отличающаяся тем, что две боковые стороны (12а, 12b) имеют равную ширину.

10. Охватывающая часть по любому одному из пп.7-9, отличающаяся тем, что в сечении (А), расположенном ближайшим к переднему концу, радиусы (r1, r2) дна (14) канавки и радиусных переходов (21) являются равными при образовании полностью скругленного профиля.

11. Охватывающая часть по любому одному из пп.7-9, отличающаяся тем, что в сечении (С) вблизи заднего конца резьбы радиусы (r2) радиусных переходов (21) являются минимальными, и радиус (r1) дна (14) канавки является бесконечно большим.

12. Охватывающая часть по любому одному из пп.7-9, отличающаяся тем, что радиус (r1) дна (14) канавки является минимальным на переднем конце резьбы и равномерно увеличивается к ее заднему концу, при этом радиусы (r2) радиусных переходов (22) равномерно уменьшаются в том же направлении.

13. Охватываемая часть для бурового оборудования, содержащая внешнюю трапецеидальную резьбу в форме спирального гребня, ограниченного вершиной (16) и двумя боковыми сторонами (17а, 17b), канавку (18) с дном (19), проходящую между двумя вершинами, причем гребень резьбы проходит множество витков между передним концом (7) охватываемой части и задним концом (8), и вершина резьбы касается воображаемого цилиндра или конуса, концентричного с центральной осью (С) охватываемой части, отличающаяся тем, что дно (19) канавки имеет вогнутую и частично круговую форму поперечного сечения, по меньшей мере, на части протяженности канавки и преобразуется в боковые стороны (17а, 17b) через вогнутые радиусные переходы, радиусы которых увеличиваются в направлении от переднего конца резьбы к заднему ее концу, при этом радиус дна канавки увеличивается в том же направлении.