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CN105637168B - 能量高效传递的钻柱联接器 - Google Patents

能量高效传递的钻柱联接器 Download PDF

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CN105637168B CN201480049781.1A CN201480049781A CN105637168B CN 105637168 B CN105637168 B CN 105637168B CN 201480049781 A CN201480049781 A CN 201480049781A CN 105637168 B CN105637168 B CN 105637168B
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Abstract

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。

Description

能量高效传递的钻柱联接器
技术领域
本发明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。
背景技术
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(Efficiency of percussive drilling with extension rods)”，《国际岩石力学和采矿科学杂志及岩土力学文摘期刊》(International Journal of Rock Mechanicsand Mining Sciences&Geomechanics Abstracts)，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(Efficiency of percussive drilling of rock withdissipative joints)”，《国际冲击工程杂志》(International Journal of ImpactEngineering)，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US 6,485,061和US 2006/0032629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(Drill Rod&Casing Dimensions)”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(Tool Joint Dimensional Data)”，2003年12月1日，第1-3页：；“rotaryshoulder handbooks”，2011年11月1日，第1-116页：URL：URL：http//www.nov.com/ uploadedFiles/Business Groups/Grant Prideco/Drilling Tubulars/Catalog/ D392002466-MKT-001 Rev 02 Rotary Shoulder Handbook RS.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。
发明内容
本发明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，因此本发明适用于已有的机器和工艺。本发明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。
根据本发明的第一方面，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运动导致的应力。
优选地，公端和母端的各自螺旋圈的顶点的径向位置(在沿着螺纹长度的不同轴向位置上)大体一致，使得每个顶点的排列或通过每个顶点的等分线大致平行于第一和第二构件的纵向轴线。因此，重叠部分的排列大体平行于纵向轴线。这样的布置有利于减少阻抗失配并能提供穿过联接器区域的冲击波的高效传递。
优选地，公端为中空的并且公端的内径等于主要长度区段的内径。这些内径各自的尺寸被构造用以避免阻碍穿过钻柱的冲洗流体的流动。
优选地，主要区段的内径在与母端的相接合部处增大。该增大的直径联接区域的优势是：提供钻柱的弯曲强度以承受作用在钻柱上的大弯曲运动和非对称力。再次，这种结构提供了联接区域的期望强度，而不损害联接钻柱构件之间的冲击波的高效传递。
可选地，本发明的钻柱和螺纹联接器布置结构适合用于“台肩接触”和“底部接触”联接器结构。如将认识到的，术语“台肩接触”指的结构是公螺纹端在其轴向最内部区域处以径向突出的台肩结束，其构造为抵接相邻钻柱构件的母端的轴向最端部区域。术语“底部接触”指的是这样的联接器，其中，公端的最端部区域抵接母套筒的轴向最内侧的内端。
可选地，钻杆可包括在公端区域处从主要区段的一端径向突出的台肩，其中台肩的外径大于主要区段的外径。
可选地，公端包括无螺纹柄部，该无螺纹柄部轴向地定位在主要区段和公端的包括螺纹的区域之间。
可选地，无螺纹柄部的轴向长度大体等于螺纹沿着公端所延伸的轴向长度。
根据本发明的第二方面，提供了一种螺纹联接器，该螺纹联接器用于连接钻柱构件，以形成用于冲击钻进的钻柱，该联接器包括：具有轴向长度和外径的公端；中空的具有轴向长度和外径的母端，母端的外径大于公端的外径；公端和母端各自具有螺纹，从而能够使公端紧固在母端内部，使得公端和母端的轴向长度的至少一部分轴向地重叠以形成联接器；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；其特征在于：重叠部分的轴向长度小于母端的外径。
附图说明
现在将仅通过举例，并且通过参考下列附图描述本发明的特定实施方式：
图1是根据本发明的特定实施例的钻柱的外部视图，钻柱由多个伸长钻杆通过相互配合的公母螺纹联接器首尾相连接而形成；
图2是图1中的钻柱的公母联接器的横截面图；
图3是位于联接器处的入射冲击波的能量和穿过联接器传递的能量的曲线图，用来说明本发明与具有常规螺纹联接器的钻柱相对比的传递效率；
图4是穿过具有不同联接器结构的钻柱的能量传递效率的曲线图。
具体实施方式
如将认识到的，由初始冲击活塞穿过钻柱传递的应力波或冲击波具有常规矩形轮廓，其波长大约为活塞长度的两倍，其波振幅取决于冲击活塞的速度以及活塞横截面面积和钻杆之间的关系。典型地，当冲击波穿过钻柱的联接区域传递时会损失显著比例的能量。此外，已经确定公母螺纹联接器之间的横截面面积之间的差别会导致钻进系统的阻抗失配。
然而，本发明提供一种能量高效传递的联接器，其通过最小化钻柱钻杆的公螺纹联接器端和母螺纹联接器端之间重叠区域的轴向长度来最小化阻抗失配的长度。
参见图1，钻柱包括多个相互连接的钻柱钻杆100。每个钻杆100包括具有第一端部105和第二端部106的主要长度区段101。主要长度区段101的外径在每个端部105，106处增大，以分别形成径向扩张的端部联接区域103，104。每个联接端103，104的一部分具有螺纹部分，用来允许端部103，104彼此之间接合并形成牢固的螺纹联接器102，从而使多个钻杆100相互连接以形成钻柱。
图2更详细地图示了图1中的联接区域102。特别是，公端103从主要区段的端部106轴向地突起。环形的台肩203从端部106径向地突起，使得台肩203的外表面202的直径大于主要区段101在外表面219处的直径。台肩203的径向最外侧区域在第一侧与凹锥表面220接界并在第二侧与垂直对准于穿过钻杆100延伸的纵向轴线221的环形邻接表面201接界。公端103包括柄部204，柄部204大体平行对齐轴线221并具有大体平行对齐轴线221的外表面215。柄部204在其最末端区域以由标记205表示的螺纹区段结束。特别是，区段205在形状和结构上大体与柄部204相同，但区段205包括在(公联接器103的)环形端面208和柄部204之间轴向延伸的面向外的螺纹。根据特定的实施例，该螺纹由两个位于柄部204和端面208之间的具有1.5螺旋圈的螺旋线形成。当从外侧例如从一侧观察该公端时，螺纹区段205的外形轮廓因此包括一系列脊部206和槽部207。根据特定的实施例，螺纹205的外径(对应于每个脊部206的顶点的轴向和径向位置)大约等于主要长度区段101的外径。此外，柄部表面215的外径大致与对应于每个脊部206的轴向和径向位置的外径相等。公端103为中空的，以便具有内表面209，内表面209平行于或同轴于主要长度区段101的内表面210对准。
母端104包括通常的中空套筒结构，其相对于主要长度区段101径向向外扩张并且通过径向的锥形区域217联接于主要长度区段101。套筒104具有外表面218和对应的内表面216。套筒104的轴向最端部区域211包括大体平行对齐轴线221的内表面216。螺纹区域212轴向定位于最端部区域211和扩张区域217之间，并包括形成于内表面216处的螺纹。为了与公端103的螺纹相对应，母端104的螺纹也包括1.5个完全螺旋圈，以限定螺旋延伸的脊部213和槽部214，脊部213在径向上向内朝着公端103的槽部207突出。
当端部区域211的最端部环状表面200抵接于处于台肩203侧部的环形邻接面201时，公端103完全接合在母端104的套筒状结构的内部。因此，通过例如参考“台肩接触”结构描述本发明的实施例。然而，并且如将认识到的，本发明可以等同地采用“底部接触”结构来实施，其中，公端表面208将会抵接设置在扩张区域217的一部分处的相配合邻接表面。如所指出的，本发明包括联接区域102，其被优化，从而最小化任何在相联接钻杆100之间的阻抗失配的长度。也就是，长度L用来表示公端103和母端104之间的重叠部分的轴向长度，在不损害钻柱的联接强度和能力的情况下轴向长度L被维持为最小值，以经受由张力和弯曲力导致的在联接区域102内的应力和应力集中。特别是，公端103和母端104被优化，使得与在公端表面208和母端表面200之间的轴向距离对应的轴向长度L小于母套筒104与外表面218对应的外径D。另外，公套管(spigot)部分的轴向长度小于套筒104的外径D，该公套管部分的轴向长度包括柄部204和螺纹区段205组合起来的轴向长度。这样的结构最小化了公端103的质量以及由此在端部103和台肩203之间的接合部处产生的张应力，否则这有可能导致柄部204的破裂并脱离邻接表面201。本发明的联接器因此构造成经受由更高冲击振幅所形成的显著的更高的压缩冲击波。
根据进一步的特定实施例，每个螺纹区段205，212可包括沿着螺纹区段205，212的全部轴向长度延伸具有在2-4个之间的完整螺旋圈的单螺旋线。
为了展示本发明的最小化阻抗失配并且由此减小任何穿过多个联接区域102传递效率低的效果，在本发明的联接器102和常规的重叠区域L更长的联接器之间进行了对比。特别是，根据该特定实施例，这两套钻杆总长都为3m，并都包括110mm外径、80mm内径的主要长度区段101。每个母联接器104的外径D为140mm。公套管103的轴向长度(包括柄部204和螺纹区段205)为125mm。对应于图2的距离L，常规测试公套管相对应的轴向长度是190mm。因此，这两个钻杆类型的“重叠部分”区域由图2的距离L来表示。
在Linux CentOS5.3.1下编译并使用LS-DYNA mpp R6.1.1 rev.78769在单精度下进行了能量传递模拟。采用12个Xenon64CPU进行了计算。使用嵌入的函数计算弹性能和动能。然后，将这些能量相加，用以获取由初始活塞在主要长度区段101内部区域的冲击所产生的冲击波的总能量，表示在穿过单个联接区域102之后输入能量与穿过钻柱的传递能量的总和。图3展示了模拟的结果，其中300对应穿过区段101的输入能量。本发明的能量传递形状如301所示，以及带有更长重叠区域L的常规联接器的能量传递效率如302所示。如将注意到的，常规联接器的能量效率大约为96％。相比之下，本发明的能量传递效率是98％。图4展示了连续的联接器区域102在总能量传递效率方面的累计效果。特别是，图4展示了四个不同联接器结构的系统效率，其中距离L为变量，对应于效率99.5％的系统400；效率99％的系统401；效率98％的系统402(本发明)以及效率96％的系统403(之前详述的所模拟的现有技术)。如将认识到的，穿过40个联接器的过程可增长近30％的能量传递效率。

Claims (10)

1.一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；
具有主要区段(101)和母端(104)的第二伸长钻柱构件；
所述母端(104)的外径大于所述主要区段(101)的外径，所述主要区段(101)的内径在与所述母端(104)的接合部处增大，并且所述公端(103)的外径包括等于所述主要区段(101)的外径的外径；
所述公端(103)和所述母端(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)和所述公端(103)的轴向长度(L)在轴向上相重叠，其中重叠部分的轴向长度(L)小于所述母端(104)的外径(D)，所述公端(103)包括无螺纹柄部(204)，所述无螺纹柄部(204)轴向地定位在所述主要区段(101)和所述公端(103)的包括公端螺纹的区域之间，并且所述无螺纹柄部(204)的轴向长度等于所述公端螺纹沿着所述公端(103)所延伸的轴向长度。
2.如权利要求1中的钻柱，其中所述公端(103)和所述母端(104)的各个螺纹为螺旋螺纹并且所述公端(103)和/或所述母端(104)具有2-4个完整螺旋螺纹圈。
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.如权利要求1或2中的钻柱，其中在所述重叠部分处，所述母端(104)的壁厚大于所述公端(103)的壁厚。
7.如权利要求1或2中的钻柱，其中所述公端(103)和所述母端(104)的各自螺纹的纵向排列平行于所述第一伸长钻柱构件和所述第二伸长钻柱构件的纵向轴线(221)，使得所述重叠部分的排列平行于所述纵向轴线(221)。
8.如权利要求1或2中的钻柱，其中所述公端(103)为中空并且所述公端(103)的内径等于所述主要区段(101)的内径。
9.如权利要求1或2中的钻柱，进一步包括台肩(203)，所述台肩(203)在所述公端(103)的区域从所述主要区段(101)的一端(106)径向突起，其中所述台肩(203)的外径大于所述主要区段(101)的外径。
10.一种螺纹联接器(102)，所述螺纹联接器(102)用于连接钻柱构件(100)，以形成用于冲击钻进的钻柱，所述螺纹联接器(102)包括：
具有轴向长度和外径的公端(103)；
中空的母端(104)，所述母端(104)具有轴向长度和外径(D)，所述母端(104)的外径(D)大于所述公端(103)的外径；
所述公端(103)和所述母端(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，使得所述公端(103)和所述母端(104)的轴向长度的至少一部分轴向地重叠，以形成所述螺纹联接器(102)；
所述母端(104)的外径(D)大于主要区段(101)的外径，所述主要区段(101)的内径在与所述母端(104)的接合部处增大，并且所述公端(103)的外径包括等于所述主要区段(101)的外径的外径，其中重叠部分的轴向长度(L)小于所述母端(104)的外径(D)，所述公端(103)包括无螺纹柄部(204)，所述无螺纹柄部(204)轴向地定位在所述主要区段(101)和所述公端(103)的包括公端螺纹的区域之间，并且所述无螺纹柄部(204)的轴向长度等于所述公端螺纹沿着所述公端(103)所延伸的轴向长度。
CN201480049781.1A 2013-09-09 2014-08-25 能量高效传递的钻柱联接器 Expired - Fee Related CN105637168B (zh)

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