能量高效传递的钻柱联接器制造技术

一种钻柱以及一种用于钻柱的螺纹联接区域，其中公螺纹端和母螺纹端被优化，以最大化冲击钻进的能量传递效率。本发明专利技术的联接器包括容纳在母套筒中的公套管，使得该套管在所述套筒内的重叠部分的轴向长度小于所述套筒的外径。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于连接多个单个伸长钻柱构件的钻柱联接器，并且特别但不是唯一地是，涉及一种能量高效传递的联接器，其最小化所联接的构件之间的阻抗失配。
技术介绍
冲击钻进是一种设计为通过在钻孔底部从钻柱向钻头传递冲击力从而破碎岩石的现有技术。典型地，通过安装在钻柱的地面水平高度端的气动或液压致动锤来产生破坏岩石所需的能量。特别地，压缩活塞被向前驱动来接触在钻柱端部的柄部转接器，使得活塞的动能被转换为应力(或冲击)波，该应力(或冲击)波穿过钻柱传播到安装于钻柱最前端的钻头。为了最大化能量传递效率，由在相联接的钻柱构件之间的反射造成的能量损失应当被最小化。特别地，已经被证明的是，在冲击钻进系统中的阻抗失配，特别是由于发生在每个螺纹联接器的反射将会降低传递能量。例如，典型的能量波在每次穿过联接器时会损失掉可观比例的能量。这种损失部分地是由于公螺纹连接头和母螺纹连接头之间的横截面区域不同，另外部分地是由于钻杆端部之间的缺陷接触。由B.Lundberg写的“带有伸长杆的冲击钻进的效率(Efficiencyofpercussivedrillingwithextensionrods)”，《国际岩石力学和采矿科学杂志及岩土力学文摘期刊》(InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences&GeomechanicsAbstracts)，第24卷第4期，1987年8月1日，第213-222页，ISSN：0148-9062，DOI：10.1016/0148-9062(87)90176-8；以及由E.Beccu等人写的“带有损耗接头的冲击钻进的效率(Efficiencyofpercussivedrillingofrockwithdissipativejoints)”，《国际冲击工程杂志》(InternationalJournalofImpactEngineering)，第9卷第3期，1990年1月1日，第277-287页，ISSN：0734-743X，DOI：10.1016/0734-743X(90)90003-E对岩石冲击钻进相对于钻杆接头的效率进行了探讨。在US6,485,061和US2006/0032629中描述了具有螺纹端部连接的示例钻柱系统。非冲击钻进系统也使用具有螺纹端的钻杆，其中在下列文章中描述了示例的钻杆：“钻杆&套管尺寸(DrillRod&CasingDimensions)”作者匿名，2012年12月1日，第1-1页：URL：http：//www.mobiledrill.net/page/drill-rod-and-casing-dimensions；“工具接头尺寸数据(ToolJointDimensionalData)”，2003年12月1日，第1-3页：；“rotaryshoulderhandbooks”，2011年11月1日，第1-116页：URL：URL：http//www.nov.com/uploadedFiles/BusinessGroups/GrantPrideco/DrillingTubulars/Catalog/D392002466-MKT-001Rev02RotaryShoulderHandbookRS.pdf。为了优化钻进性能，操作者特别地选择与冲击压力、进给力以及旋转相关的钻进参数。然而，最高效率受联接器的阻抗失配限制。另外，最大冲击波振幅受公连接头的结构限制。因此，需要改进钻柱系统的联接区域之间的能量传递。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是最大化穿过钻柱的公母联接器的能量传递，从而最大化钻进效率。进一步的目的是提供一种钻柱构件来最小化阻抗失配，该钻柱能够与已有钻井装置和方法相兼容，因此本专利技术适用于已有的机器和工艺。本专利技术的进一步目的是最大化可到达的冲击波振幅，而不对能量波所传递穿过的钻柱联接区域造成伤害。通过提供一种钻柱以及特别是一种用于连接钻柱构件的螺纹联接器来实现上述目的，其中公母联接器部分特别适用于最大化在钻柱纵向轴线方向的能量传递。根据本专利技术的第一方面，提供一种用于冲击钻进的钻柱，包括：具有主要区段和公端的第一伸长钻柱构件；具有主要区段和母端的第二伸长钻柱构件；母端的外径大于主要区段的外径并且公端的外径包括大约等于主要区段的外径的外径；公端和母端各自具有螺纹，从而使公端能够紧固在母端内部，使得公端和母端的轴向长度在轴向上相重叠；其特征在于：重叠部分的轴向长度小于母端的外径。通过最小化联接器的公连接头部分的长度(造成阻抗失配的原因)，阻抗失配相应地降低。已经发现母端的外径和公端的轴向长度之间的关系会显著地影响联接器的能量传递效率。此外，缩短公联接器部分也会降低在联接器内部产生的应力。特别是，当应力波到达公连接头的“自由”端面时，进入的压缩应力波在公端产生张应力。由于自由端没有“止挡”，所以公端被迫显著地轴向向前伸长。这样在钻杆主要长度和公连接头之间的接合部处产生了张应力。该张应力的大小取决于公端的长度，以及特别是，公端的质量(公端越长/越重，张应力越高)。若不调整，张应力会在钻杆主要长度和公端的接合部处产生损坏，并会显著地限制最大冲击振幅。具有相对“更短”的公端部分的本发明的结构被构造用以使张应力最小化，增加钻杆的寿命以及实现“更高”的冲击振幅(其是最大化钻孔底部的破岩作用所需的)。在说明书中，提及的“螺纹”指的是在轴向上沿着公端和母端的长度部分延伸的螺旋脊部和螺旋槽部。该术语包括具有单个轴向延伸的螺旋脊部的螺纹以及在螺纹上具有多个螺纹入口的多个螺旋脊部的螺纹。可选地，在公端和/或母端处的螺旋螺纹具有在2-4个之间的完整螺旋圈。这种结构允许钻柱构件被方便的联接在一起并避免了由于围绕穿过钻柱构件延伸的纵向轴线的不良旋转导致的任何轴向滑动或脱离联接。可选地，公端的轴向长度在100-150mm之间。公端的轴向长度被定义为钻柱构件(在公端处)的最端部部分与主要区段(或由主要区段突出的径向延伸的台肩)减小的区域之间的轴向距离，减小的区域代表主要区段和公端的过渡区域。可选地，公端的轴向长度在110-140mm或者120-130mm范围内。可选地，在重叠部分处，母端的壁厚大于公端的壁厚。这种结构的优势是在联接器重叠部分的区域处提供了足够的强度，以承受在使用时沿着钻柱长度产生的由冲击波和弯折本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于冲击钻进的钻柱，包括：具有主要区段(101)和公端(103)的第一伸长钻柱构件(100)；具有主要区段(101)和母端(104)的第二伸长钻柱构件(100)；所述母端(104)的外径大于所述主要区段(101)的外径并且所述公端(103)的外径包括大约等于所述主要区段(101)的外径的外径；所述公端(103)和母端(104)各自具有螺纹，以能够使所述公端(103)紧固在所述母端(104)内部，使得所述母端(104)和公端(103)的轴向长度(L)在轴向上相重叠；其特征在于：重叠部分的轴向长度(L)小于所述母端(104)的外径(D)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.09.09 EP 13183533.21.一种用于冲击钻进的钻柱，包括：
具有主要区段(101)和公端(103)的第一伸长钻柱构件(100)；
具有主要区段(101)和母端(104)的第二伸长钻柱构件(100)；
所述母端(104)的外径大于所述主要区段(101)的外径并且所
述公端(103)的外径包括大约等于所述主要区段(101)的外径的外
径；
所述公端(103)和母端(104)各自具有螺纹，以能够使所述公
端(103)紧固在所述母端(104)内部，使得所述母端(104)和公端
(103)的轴向长度(L)在轴向上相重叠；
其特征在于：
重叠部分的轴向长度(L)小于所述母端(104)的外径(D)。
2.如权利要求1中的钻柱，其中各个螺纹为螺旋螺纹并且所述公
端(103)和/或母端(104)具有在2-4个之间的完整螺旋螺纹圈。
3.如权利要求1或2中的钻柱，其中所述公端(103)的轴向长
度在100-150mm之间。
4.如权利要求3中的钻柱，其中所述公端(103)的轴向长度在
110-140mm范围内。
5.如权利要求3中的钻柱，其中所述公端(103)的轴向长度在
120-130mm范围内。
6.如前述权利要求中任意一项的钻柱，其中在重叠部分处，所述
母端(104)的壁厚大于所述公端(103)的壁厚。
7.如前述权利要求中任意一项的钻柱，其中所述公端(103)和

\t母端(104)的各自螺纹的纵向排列大体平行于所述第一和第二构件
(101)的纵向轴线(221)，使得重叠部分的排列大体平行于所述纵
向轴线(221)。
8.如前述权利要求中任意一项的钻柱，其中所述公端(...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔纳斯·罗森，托马斯·什·扬森，
申请(专利权)人：山特维克知识产权股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞典;SE