DE60023504T2

DE60023504T2 - Schraubverbindung für rohre

Info

Publication number: DE60023504T2
Application number: DE60023504T
Authority: DE
Inventors: P. Huey OLIVIER
Original assignee: Hunting Energy Services Lp Houston; Hunting Energy Services LP
Current assignee: Hunting Energy Services Lp Houston; Hunting Energy Services LP
Priority date: 1999-08-10
Filing date: 2000-08-07
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2020-08-08
Also published as: WO2001011182A1; AU761378B2; CN1375034A; NO20020646D0; US20030075924A1; AR025038A1; DE60023504D1; ATE307957T1; MXPA02001524A; EP1200704B1; AU7054600A; CN1271309C; JP2003506602A; US6990719B2; US6485063B1; NO20020646L; CA2381711A1; CA2381711C; NZ517173A; EP1200704A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Verbindung für Bohrrohre und genauer auf Einführ- und Aufnahmeverbindungsteile, die zum Verbinden rohrförmiger Bauteile für das Bohren von Bohrlöchern in der Pipeline- und Versorgungsindustrie an den Enden der rohrförmigen Bauteile angeordnet sind.
Bohrgestänge sind spezifisch für die Installation von Telefonleitungen, Glasfaserkabel, Abwasserleitungen, Wasserleitungen und ähnlichen Installationen entworfen, die sich auf Einrichtungen für die Pipeline- und Versorgungsindustrie beziehen. Die typische Aufgabe besteht in dem Bohren eines Bohrlochs von einer Stelle A zu einer Stelle B für die Installation einer Einrichtung, und zwar im allgemeinen unter einem bestimmten Typ von Hindernis oder Struktur hindurch. Typischerweise beträgt die gebohrte Bohrlochstrecke zwischen 60 und 80 m (200 und 600 Fuß), Ebenfalls ist das Bohrloch typischerweise flach und verläuft im allgemeinen horizontal.
Bei einem typischen Bohrvorgang wird eine Bohrerspitze wie z.B. ein Fischschwanzmeißel an dem Ende des Bohrgestänges befestigt, wobei ein Sender unmittelbar hinter der Bohrerspitze vorgesehen wird. Das Bohrgestänge wird unter Druck gesetzt und rotiert, um sich zu drehen und der Bohrerspitze Kraft zuzuführen, damit das Bohrloch gebohrt wird. Fluide werden durch das Bohrgestänge und die Bohrerspitze und anschließend zurück zu dem zwischen der Wand des Bohrlochs und dem Bohrgestänge ausgebildeten Ringraum zirkuliert, um das Erdreich, durch das sich die Bohrerspitze bohrt, zu befeuchten. Dies verringert die Tendenz, dass das Bohrgestänge in dem Bohrloch stecken bleibt. Ein in der Hand gehaltener Empfänger ist übertage angeordnet, um den Sender verfolgen und die Ausrichtung der Bohrerspitze, d.h. die Neigung und den Azimut bestimmen zu können. Wenn die Bohrerspitze von der Trajektorie des geeigneten Bohrlochpfades zwischen den Stellen A und B abweicht, passt der Anwender die Ausrichtung der Bohrerspitze an.
Ist das Bohrloch unter dem Hindernis gebohrt worden, wird die Bohrerspitze entfernt, ein Erweiterungsbohrer wird an einem Gelenk mit dem Ende des Bohrgestänges befestigt, und das Bohrgestänge sowie der Erweiterungsbohrer mit der daran befestigten Versorgungseinrichtung werden zurück durch das Bohrloch gezogen. Das Gelenk wird z.B. mittels eines Kabels an der Versorgungsleitung befestigt. Das Bohrgestänge wird unter Spannung gesetzt, wenn der Erweiterungsbohrer zusammen mit der an ihm befestigten Versorgungseinrichtung zurück durch das Bohrloch gezogen wird.
Der Anwender minimiert die durch das Bohrgestänge zirkulierte Fluidmenge, da das Vorliegen von zu viel Fluid in dem die Bohrung umgebenden Erdreich unerwünscht ist. Wenn zu viel Fluid durch und um das Bohrgestänge herum umgewälzt wird, beginnt das Fluid den Sand, Schmutz und das Erdreich auszuwaschen, was zu einer Unterspülung unterhalb des Hindernisses bzw. der Struktur wie z.B. einer öffentlichen Straße oder einem Wasserweg, unter dem/der das Bohrloch gebohrt ist, führt. Es werden strukturelle Probleme aufgeworfen, wenn ein Hohlraum unterhalb einer öffentlichen Straße oder bestimmten anderen Strukturen erzeugt wird.
Für die Pipeline- und Versorgungsindustrie verwendete Bohrgestänge unterscheiden sich sehr von den in Ölfeldern benutzten Bohrgestängen. Bei dem Bohren in Ölfeldern wird ein Bohrgestänge zum Bohren eines weiten offenen Bohrlochs verwendet. Bohrfluid wird zirkuliert, um die Abtragungen abzuführen und die Bohrerspitze zu kühlen. Daher ist es hier wichtig, dass die Verbindungen in dem Bohrgestänge gegenüber Druck und Fluiden abgedichtet werden. Bei einem Bohrgestänge für die Pipeline- und Versorgungsindustrie ist es hingegen typischerweise nicht von Bedeutung, ob eine Fluidleckage durch die Verbindung auftritt. Somit müssen hier die Verbindungen zwischen den Bohrgestängeverbindungsstellen nicht bezüglich Druck oder Fluiden abgedichtet werden, und die Wärme bzw. der Druck sind nicht relevant. Der einzig vorhandene Druck ist der Pumpendruck für den Durchfluss von Bohrfluid.
Bei dem Entwurf des Bohrgestänges und anderen damit in Verbindung stehenden rohrförmigen Gegenständen für die jeweilige Bohranwendung muss nicht nur die physikalische Ausrichtung des Bohrgestänges, sondern auch der erwünschte Verwendungszweck berücksichtigt werden. Das Bohrgestänge kann in einer waagerechten oder senkrechten Ausrichtung bzw. in einer abgelenkten Stellung angeordnet werden. Die tatsächliche Ausrichtung hängt von dem jeweiligen Anwendungstyp ab.
Das erfolgreiche Bohren von Bohrlöchern in der Pipeline- und Versorgungsindustrie erfordert den Zusammenbau vieler einzelner rohrförmiger Bauteile zu einem Bohrgestänge. Der tatsächliche Zusammenbau umfasst das Verschrauben und Anziehen vieler individueller rohrförmiger Bauteile. Das tatsächliche Bohrverfahren beteiligt ein wiederholtes Verschrauben und Lösen der Verbindungen zwischen einzelnen rohrförmigen Bauteilen des Bohrgestänges. Die Anzahl an Verschraubungen und Lösevorgängen hängt von der Umgebung und dem Betreiber ab. Typischerweise wird eine Verbindung vier oder fünf Mal pro Tag erstellt und gelöst, dies könnte jedoch auch bis zu sechs oder sieben Mal pro Tag erfolgen. Somit kann eine Verbindung zwischen Rohrverbindungsstellen pro Jahr bis zu 1000 Mal verschraubt oder gelöst werden, weshalb sie robust und widerstandsfähig beschaffen sein muss, um derart verwendet werden zu können. Weiterhin muss der Zusammenbau sehr schnell erfolgen, da der Zeitfaktor ein sehr wichtiger Faktor ist.
Entwurfsberücksichtigungen für das Verbinden der Bohrgestängeverbindungsstellen beinhalten, ohne jedoch darauf notwendigerweise begrenzt zu sein, ein wiederholtes Ver- und Entkoppeln der Verbindungen, Anziehen, Biegen, zyklisches Belasten, Ermüdungen, Zugbelastungen und die Druckfestigkeit. Die Verbindung beinhaltet typischerweise Gewindeeinführ- und -aufnahmeverbindungen.
Das Dokument EP 0 713 952 B1 offenbart Gewindeverbindungen für Rohre für Ölquellen einschließlich integraler Typen, bei welchen ein Einführteil an einem Ende eines Rohrs und ein Aufnahmeteil an dem anderen Ende ausgebildet sind und Rohrpaare miteinander verbunden werden, sowie Verkoppelungstypen, in denen eine Verkoppelung mit einem an jedem Ende ausgebildeten Aufnahmeteil benutzt und mit Rohren verbunden wird, die an beiden Enden Einführteile aufweisen. Im einzelnen verfügen Gewindeverbindungen, die ein Einführteil aufweisen, über ein Außengewinde und solche mit einem Aufnahmeteil verfügen über ein Innengewinde, wobei offenbart ist, dass alle Gewinde eine Form haben, die als ein Sägezahngewinde geformt ist und sich verjüngt.
Die Gewinde müssen sich einfach mit anderen Gewindeverbindungsstellen verbinden lassen können. Die Langlebigkeit der einzelnen Gewinde ist mehrerer Gründe halber ebenfalls sehr wichtig. Wenn sich erstens ein Gewinde zu verformen beginnt, nimmt die weitere Deformation danach üblicherweise exponentiell zu. Wenn sich zweitens das Gewinde verschlechtert hat, muss das gesamte Bohrgestänge entfernt werden, da die Länge des Bohrgestänges eine nur sehr begrenzte Varianz aufweist. Drittens führt ein Ausfall des Gewindes während sich das Bohrgestänge in dem Prozess des tatsächlichen Bohrens eines Bohrlochs befindet, zu wesentlichen finanziellen Einbußen. Diese obige Liste versteht sich dabei lediglich als illustrativ.
Wenn trotz dieser Ausgestaltung ein Bohrgestängebauteil ein Gewinde aufweist, das in mehreren Anwendungen zum Bohren von Bohrlöchern in der Versorgungs- und Pipeline-Industrie verwendet wird, können die aneinander liegenden Schultern aufgrund eines zu starken Anziehens erweitert werden. Ebenfalls führen die beim Stand der Technik vorliegenden Entwürfe zu einer Verformung des Gewindeprofils, wodurch wiederum die Entwurfsprofile der Außen- und Innengewinde ihr Verschraubungsvermögen verlieren und zu einem vorzeitigen Versagen führen. Hat eine Deformation eingesetzt, erhöht eine kontinuierliche Verwendung die Probleme des Zueinanderpassens zwischen zusammenwirkenden rohrförmigen Bauteilen exponentiell. Werden darüber hinaus das Einführteil und das Aufnahmeteil voneinander gelöst, erhöhen sich, wenn sie anschließend wieder miteinander verbunden werden, lediglich die Verformungskräfte. Mit anderen Worten beschleunigt das mehrfache Ver- und Losschrauben der Verbindungen den Deformationsprozess, so dass wenn die Verformung einmal aufgetreten ist, der Deformationsprozess danach exponentiell zunimmt.
1 illustriert eine Verbindung vom Stand der Technik und das inhärente Problem mit einem mehrfachen Verschrauben und Lösen von in der Versorgungsindustrie vorliegenden Verbindungen beim Stand der Technik aufgrund eines zu starken Anziehens und auftretender Wechselbeanspruchungen des Aufnahme- und Einführteils. Die Verbindung vom Stand der Technik beinhaltet typischerweise ein Einführende 150, das mit einem Aufnahmeende 152 zusammenpasst. Das Einführende 150 beinhaltet eine ringförmige Schulter 154, die senkrecht zu der Achse der Verbindung liegt. Ein Außengewindeprofil 156 mit rundem Gewinde erstreckt sich von der Schulter 154 zu einem Außendurchmesser 158 hin. Ein ebenfalls senkrecht zu der Achse der Verbindung liegendes radiales Abschlussende 160 erstreckt sich von dem Außendurchmesser 158 zu einem Innendurchmesser 161 hin.
Das Aufnahmeende 152 beinhaltet ein radiales Abschlussende 162 mit einer Oberfläche, die senkrecht zu der Achse der Verbindung liegt. Ein rundes Innengewindeprofil 164 erstreckt sich von dem Abschlussende 162 zu einer Innenfläche 166 hin. Eine Radialschulter 168 erstreckt sich von der Innenfläche 166 zu einem Innendurchmesser 170 des rohrförmigen Bauteils hin.
Wie in 1 dargestellt ist das radiale Abschlussende 162 auf die Schulter 154 gerutscht und verformt worden. Ein Grund für diese Deformation kann ein zu starkes Anziehen des Aufnahmeendes 152 und des Einführendes 150 sein, wodurch das radiale Ende 162 dazu gedrängt worden ist, nach außen auf die Stirnseite der Schulter 154 des Einführendes 150 zu rutschen. Die derart zugeführten Kräfte können auch das radiale Ende 160 des Einführendes 150 verformen, sodass das radiale Ende 160 verformt worden ist, und zwar im einzelnen derart, dass die Außenfläche 158 und die korrespondierende Innenfläche 161, die durch die Kompressionswirkung der Radialschulter 168 nach außen expandiert worden sind, in das radiale Ende 160 gezwängt werden.
Das Einführteil und Aufnahmeteil sind auf einer Verjüngung mit einem Konus von 5,08 cm (2 inch) ausgeschnitten. Wenn das Rohrgestänge angetrieben wird, werden der Außenkonus des Aufnahmeteils sowie das Gestänge unter Druck gesetzt, wobei der Außenkonus des Aufnahmeteils dazu tendiert, an der Basis des Einführteils nach außen getrieben zu werden. Somit liegt bei einem Unter-Druck-Setzen an dem schmalen Ende ein fester und an dem großen Ende ein loser Eingriff vor. Wenn daher die Verbindung einer Belastung ausgesetzt wird und eine zyklische Bewegung auftritt, ermüdet die Verbindung und bricht. Das Hin- und Herschwanken der rohrförmigen Bauteile zueinander bewirkt eine Lockerung der Verbindung.
Der Umstand eines zu starken Anziehens wird auch dazu führen, dass die Gewindeprofile nicht länger geeignet zueinander passen. Somit entsteht wie in 1 dargestellt ein erster Spalt 172 und ein zweiter Spalt 174. Obgleich in 1 zwei Spalten 172, 174 gezeigt sind, können in der Realität natürlich auch weitere Spalten entlang des Gewindeprofils auftreten.
Typischerweise weisen beim Stand der Technik vorliegende Verbindungen Standard-API-Gewinde 176, 178 an dem Einführende 150 bzw. an dem Aufnahmeende 152 auf, wie in 1A dargestellt. Die API-Gewinde verfügen sowohl an den Einführflanken 151 wie an den Lastflanken 153 über positive Flankenwinkel. US 5 154 452 offenbart eine rohrförmige Verbindung für Ölfelder mit einem S-förmigen Gewindeprofil, wodurch eine Umkehrwinkel-Gewindeform bereitgestellt wird, die einer starken Spannung widersteht, welche während des Bohrens an der Verbindung entsteht. Allerdings verfügt die Verbindung über ein nur sehr geringes Kompressionsvermögen.
Bei einem zyklischen Biegen, das auch als Schwanken bekannt ist und durch laterale Kräfte entsteht, kann sich das Einführende 150 relativ zu dem Aufnahmeende 152 bewegen oder über dieses rutschen, was ein weiterer Grund zu einem Aufweiten ist und wodurch sich die Spalten 172, 174 ausbilden. Idealerweise sollte keine plötzliche Veränderung der Bohrrichtung auftreten. Allerdings führen viele Umstände wie z.B. fehlerhafte Einstellungen zu mehreren abrupten Knicken in dem Bohrloch, da der Bediener plötzliche Änderungen in der Bohrrichtung vornimmt. Plötzliche Veränderungen der Bohrtrajektorie führen zu einer Tortuosität, wobei dieser Begriff ein Bohrloch beschreibt, das eine verkrümmte Trajektorie aufweist. Die Tortuosität erhöht das zyklische Biegen, das Drehmoment sowie den Zug auf das Bohrgestänge wesentlich.
Wenn sich das Gestänge dreht und durch eine Biegung oder eine Wölbung in der Trajektorie des Bohrlochs verläuft, bewirken die Biegungen des Bohrgestänges, dass die ineinander greifenden Oberflächen der Verbindung insbesondere an den Drehschultern zurück und nach vorne rutschen. Je kleiner der Radius der Biegung in dem Bohrloch ist, umso größer ist die auf das Einführteil einwirkende Ermüdung, Wenn das Bohrgestänge abgelenkt und verdreht wird, wird das Schwanken innerhalb des Gewindeprofils noch verschlimmert werden. Bei einer fortschreitenden Verformung kann das Schwanken nur noch zunehmen.
Wenn das Rohrgestänge um Hindernisse in dem Bohrpfad herumläuft, durchläuft es steile Krümmungsradien. Wenn das Rohrgestänge durch die mehreren scharfen Krümmungsradien läuft, wird die Verbindung einer Krümmung ausgesetzt, die dazu führt, dass die Gewinde an einer Seite der Verbindung außer Eingriff kommen. Wenn die Verbindung durch weitere Biegungen verläuft, biegt sich die Verbindung in die andere Richtung.
Bei einem Durchlaufen der Verbindung durch diese scharfen Biegungen fungieren die positiven Flan kenwinkel an den API-Gewinden 176, 178 als Rampen und bewirken es, dass die Gewinde vermehrt in Eingriff kommen, wodurch die Verbindung fester wird. Die positiven Gewindeflanken des API-Gewindes ermöglichen ein Schwanken der Verbindung, da sich die Gewinde in die Gewindegründe eintreiben. Wenn die Verbindung hin und her schwankt, vollzieht sich zwischen den Gewinden ein Auframpen. Dieses Auframpen führt zu einer Nachgiebigkeit des Gewindematerials und das Gewindebauteil wird gedehnt. Das Auframpen der Gewinde bewirkt eine Nachgiebigkeit des Materials und beschädigt somit die Verbindung. Mit anderen Worten kommt der Gewindewerkstoff über seinen Elastizitätspunkt hinaus und bewirkt es schließlich, dass das Einführteil abbricht. Das Schwanken führt zu einer Ermüdung und dem Brechen des Einführteils.
Ist der Erweiterungsbohrer mit dem Ende des Bohrgestänges verbunden und wird er durch das Bohrloch zurückgezogen, wird auf das Bohrgestänge und insbesondere auf die Verbindungen eine hohe Spannung ausgeübt. Wenn der Erweiterungsboher mit Hindernissen in dem Bohrpfad in Eingriff kommt, wirken auf die Verbindungen Verbiegungen und ein Drehmoment ein, wodurch sich die Gewinde öffnen und schließen. Wenn die Gewinde auseinander gezogen werden, wird die Verbindung aufgrund des auf das Gestänge einwirkende Drehmoment fester zusammengezogen.
Jedes Mal wenn sich das Bohrgestänge einmal dreht, wird dies als ein Zyklus bezeichnet. Das Bohrgestänge wird während des Bohrvorgangs mit 300 bis 400 Zyklen pro Minute gedreht. Jedes Mal wenn die Verbindung durch eine Biegung läuft und rotiert wird, rutschen die Schultern aneinander zurück und nach vorne. Diese sich wiederholenden Zyklen mit verrutschenden Schultern führen zu einer fortgesetzten Ermüdung an dem Mittelbereich des Einführteils. Dies führt zu einer substantiellen Belastung und bewirkt es, dass das Einführteil an der Verbindung abbricht. Das Einführteil tendiert zu einem Abbrechen in der Nähe der Basis des Einführteils, was für Verbindungsstellen beim Stand der Technik typisch ist. Wenn das Rohr durch eine Wölbung oder Krümmung in dem Bohrloch gedreht wird, neigt das Abschlussende des Aufnahmeteils dazu, von der Basis des Einführteils wegzurutschen. Wenn die beiden Stirnseiten aneinander rutschen, entsteht die Tendenz, dass sich diese voneinander trennen. Dies führt wiederum dazu, dass sich die Gewinde nahe der Schulter des Einführteils und des Abschlussendes des Aufnahmeteils voneinander trennen. Allerdings bleibt die Verbindung an dem Mittelbereich der Gewinde feststehend. Wenn die mittleren Bereiche der Gewinde fest bleiben und die Schulter des Einführteils sowie das Abschlussende des Aufnahmeteils schwanken, tendiert das Einführteil an der Basis zu brechen. Während eines halben Zyklus wird das Einführteil in einer Richtung gebogen und während der anderen Hälfte des Zyklus wird es in der anderen Richtung gebogen, wodurch es ermüdet und bricht. Dieser nach hinten und nach vorne wirkende Vorgang führt zu einer enormen Ermüdung. Das Einführteil bricht typischerweise nach ein paar tausend Zyklen. Ein wendelförmiges Bohrloch übt auf das Bohrgestänge besondere Biegungen und Zyklen aus, welche die Krümmungsradiuskapazität der Verbindungsstelle durchaus verdoppeln können. All diese Faktoren bewirken eine rasche Ermüdung der Verbindung.
Während des Bohrverfahrens wirkt ebenfalls eine große Kompressionskraft auf das Bohrgestänge ein, das dazu tendiert, das aufnehmende Abschlussende nach außen zu treiben, wenn die Oberflächen rutschen. Je größer diese Kraft ist, umso größer ist der Spalt zwischen der Basis des Einführteils und dem Abschlussende des Aufnahmeteils. Allerdings bleibt der Mittelbereich der Gewinde fest. Dann beginnt mit jedem Zyklus die zurück und nach vorne wirkende Gegendehnung die Verbindung zu ermüden.
Mit einer sehr schlechten Umgebung und einem unerfahrenen Bedienungspersonal neigen die Bediener zu einem Überkompensieren und übermäßigen Steuern. Ebenfalls unterläuft einem unerfahrenen Bediener mit dem Bohrgestänge eine direkte Drehung. Wenn der unerfahrene Bediener bemerkt hat, dass er das Bohrgestänge zu weit geschwenkt hat, macht er eine abrupte Drehung in die andere Richtung. Dies führt zu einer Tortuosität in dem gebohrten Loch, was ein erhebliches Verklemmen des Bohrgestänges bewirkt, wenn es durch das Bohrloch gedreht wird. Dadurch wird die Anzahl an Zyklen, die die Verbindung aushält, beträchtlich verringert.
Ein anderes Problem der Verbindung vom Stand der Technik besteht in ihrem Unvermögen, einem großen Drehmoment zu widerstehen. Der Bediener zieht die Verbindungen häufig zu stark an. Im Vergleich zu dem kleinen Rohrdurchmesser wird an die Verbindung ein extrem hohes Drehmoment angelegt, was dazu führt, dass eine großes Drehmoment an das Bohrgestänge mit kleinem Durchmesser angelegt werden muss. Wenn das Rohrgestänge weiterhin durch mehrere scharfe Biegungen verläuft, werden die Verbindungen einem großen Trägheitsdrehmoment ausgesetzt, da das Rohrgestänge um Hindernisse herum laufen und mehrere scharfe Biegungen bilden muss. Somit muss die Verbindung auch einem hohen Trägheitsdrehmoment widerstehen.
In Ölfeldern hat das Bohrbedienungspersonal eine viel größere Erfahrung und die gebohrten Strecken sind viel länger. Ebenfalls wird eine höher entwickelte Ausrüstung verwendet, so dass das Bohren unter kontrollierteren Bedingungen abläuft. Dazu überwachen Experten das Bohren kontinuierlich. In der Versorgungsindustrie ist das Bedienungspersonal häufig unerfahren und zwängt das Bohrgestänge voran, um ein von der Stelle A zu der Stelle B verlaufendes Bohrloch zu bewerkstelligen, wobei kein glattes Bohrloch gebohrt wird. Das Bedienungspersonal in Bohrversorgungstrassen ist eher an der Fertigstellung seiner Arbeit interessiert und berücksichtigt den Verschleiß sowie Risse seiner Ausrüstung weniger.
Es ist bevorzugt, dass zwischen den Oberflächen keine Bewegung auftritt, da es hierdurch zu einem Ermüden kommt. Wenn die Oberflächen zu verrutschen beginnen, setzt das Dehnen des Einführ- und Aufnahmeteils ein. Das Einführteil kann während des Hin-und-Her-Pendelns des Bohrgestänges eine gewisse Dehnung absorbieren. Vollzieht sich die Dehnung innerhalb gewisser Grenzwerte, tritt keine Ermüdung auf. Überschreitet die Dehnung jedoch den Grenzwert, beginnt die Verbindung zu ermüden, was zu einem Bruch führt.
Die Verbindung der vorliegenden Erfindung löst diese und weitere beim Stand der Technik bestehende Probleme und Mängel, was aus der nachstehenden Beschreibung der Vorteile, Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung deutlich werden wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung beinhaltet ein rohrförmiges Gestänge, das ein erstes Rohr mit einem Einführverbindungsteil und ein zweites Rohr mit einem Aufnahmeverbindungsteil aufweist. Die Einführ- und Aufnahmeverbindungsteile haben Außen- bzw. Innengewinde, die für einen Gewindeeingriff ausgelegt sind, wenn die Verbindung verschraubt wird.
Das Einführverbindungsteil beinhaltet ein Gewindesatz mit benachbart zu seiner Basis liegenden Auslaufgewinden sowie mit Gewinden voller Höhe, die sich von den Auslaufgewinden zu dem Einführende hin erstrecken, wobei das Aufnahmeverbindungsteil einen Gewindesatz mit Gewinden voller Höhe beinhaltet. Die Gewindesätze haben Gewinde mit Einführflanken, die einen positiven Flankenwinkel aufweisen, sowie Gewinde mit Lastflanken mit negativem Flankenwinkel. Die Einführflanken verfügen zum Führen der Gewinde in die Gewindegründe über Scheiteleckenradien und Gewindegrund-Eckenradien. Die Lastflanken sind aus zwei kontinuierlichen Radien gefertigt, die sich von dem Scheitel zu dem Gewindegrund hin erstrecken. Unter Spannung, die der Verbindung zugeführt wird, verriegeln die Lastflanken die Einführ- und Aufnahmeverbindungsteile miteinander.
In der bevorzugten Ausführungsform beinhaltet das Einführverbindungsteil eine Außennut an der Basis der Außengewinde, um einen Vorsprung an dem Abschlussende des Aufnahmeverbindungsteils aufzunehmen. Der Vorsprung hat einen Querschnitt in der Form einer Abrundung oder eines Radius, die/der sich über das Abschlussende des Aufnahmeverbindungsteils erstreckt. Die Nut an dem Einführverbindungsteil weist einen Radius auf, der bei dem Erstellen der Verbindung für eine Aufnahme des Vorsprungs bemessen ist. Der zusammen passende Vorsprung und die Nut bilden einen nicht-rutschenden Eingriff aus, um das Rutschen zwischen der zusammen passenden Nut und dem Vorsprung im wesentlichen zu eliminieren.
In einer weiteren Ausführungsform können die Einführ- und Aufnahmeverbindungsteile einen weiteren nicht-rutschenden Eingriff zwischen einem Vorsprung und einer Nut aufweisen. Das Aufnahmeende beinhaltet eine Innennut, die für die Aufnahme eines Vorsprungs an dem Abschlussende des Einführverbindungsteils ausgelegt ist. In dieser Ausführungsform existieren effektive Eingriffe zwischen einer Außen- und Innennut und einem Vorsprung an jeder Verbindung.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Nut an dem Aufnahmeverbindungsteil zu dem Vorsprung an dem Einführverbindungsteil passt. Ein weiterer Vorteil besteht in der Kontrolle des Anschwellens des Aufnahmeverbindungsteils bei einem zu starken Anziehen und/oder bei wiederholter Benutzung.
Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass die gesamte Länge des Gewindeprofils in Eingriff gebracht wird. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Verbindung mit Bohrgestängen verschiedener Größen verwendet werden kann. Noch ein weiterer Vorteil besteht in dem schnellen Erstellen der verschiedenen Verbindungsstellen sowie in der Ermöglichung eines mehrfachen Verschraubens und Lösens während des Bohrens. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass die Lebensdauer der Verbindungsstellengewinde erhöht wird.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen für ein Zusammenwirken mit der Schulternut ausgelegten Vorsprung, was einen vermehrten Metall-zu-Metall-Kontakt zwischen den beiden Verbindungsstellen führt, wodurch ein Aufweiten des Aufnahmeverbindungsteils ausgeschlossen wird. Der Vorsprung liegt im allgemeinen in der Form eines ringförmigen Bauteils mit einem abgerundeten Querschnitt vor. Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass der Vorsprung an dem Aufnahmeverbindungsteil und dass die Nut an dem Einführverbindungsteil angeordnet ist.
Noch ein weiteres Merkmal beinhaltet eine zweite Ausführungsform, bei welcher der Vorsprung an beiden Aufnahme- und Einführverbindungsteilen angeordnet ist, wobei sowohl an den Aufnahme- wie an den Einführverbindungsteilen zusammenwirkende Nuten vorgesehen sind. Noch ein weiteres Merkmal beinhaltet eine Ausführungsform, bei welcher der Vorsprung ausschließlich an dem Einführverbindungsteil und die Nut ausschließlich an dem Aufnahmeverbindungsteil angeordnet ist. Noch ein zusätzliches Merkmal beinhaltet den Umstand, dass die Erfindung für verschiedene Gewindetypen und Verwendungszwecke anwendbar ist.
Eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung besteht in der Maximierung der Anzahl an Zyklen des Einführverbindungsteils, indem ein Radius verwendet wird, um das Verrutschen der Drehschultern an den Aufnahme- und Einführbauteilen zu verringern. Die Verbindung der vorliegenden Erfindung hält in einer typischen Anwendungsumgebung ein ganzes Jahr lang und widersteht 1000 bis 100 Ver- und Entkoppelungen, ohne dass das Einführverbindungsteil ermüdet. Ebenfalls ist die Lebensdauer der Gewinde erhöht.
Die Verriegelungsschultern des Vorsprungs und der Nut nehmen die Kompression auf und die Gewindesätze der Verbindung nehmen die Spannung auf. Bei dieser Art von Rohr ist eine Abdichtung nicht von Belang, vielmehr liegen die wichtigsten Gesichtspunkte in der Spannung und einem hohen Drehmoment.
Der negative Flankenwinkel der Lastflanken verriegelt den Einführgewindesatz und den Aufnahmegewindesatz unter Spannung miteinander. Je größer daher die auf die Verbindung einwirkende Spannung ist, umso größer ist die Verriegelungswirkung zwischen den Lastflanken der Gewinde. Der negative Flankenwinkel verhindert nicht nur ein Auframpen, sondern erhöht auch die Drehmomentkapazität der Verbindung und eliminiert ein Auframpen, sodass keine Nachgiebigkeit und kein zu starkes Anziehen auftritt. Ebenfalls vermeiden die mit einem Radius versehenen Ecken der Gewinde eine Ermüdung.
Die negativen Flankenwinkel und Verriegelungsschultern der Erfindung verriegeln die Verbindung. Somit besteht für die Gewindesätze eine geringere Tendenz, sich voneinander zu trennen. Diese Merkmale bewirken es, dass die Gewinde gegeneinander verriegelt bleiben, wodurch das Problem der Nachgiebigkeit sowie eines zu starken Anziehens reduziert wird. Zusätzlich stehen die Lastflanken und die äußeren Einführscheitel und die Aufnahmegewindegründe ebenfalls in einem Verriegelungseingriff wodurch die Drehmomentkapazität der Verbindung erhöht wird.
Die flachen Gewindegründe und Scheitel stellen aufgrund eines maximalen Verjüngungskonus-Oberflächenkontakts ein zusätzliches Drehmoment bereit, wenn die Gewinde miteinander verkoppelt werden. Zusätzlich verhindern die flachen Gewindegründe und Scheitel ein Schwanken.
Das Gewindeprofil der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf sämtliche kritischen Elemente der Arbeitsumgebung und der Schwachpunkte von beim Stand der Technik bestehenden Gewindeentwürfen. Das neue Gewindeprofil verhindert ein Auframpen, Schwanken und Ermüden der Verbindung und ermöglicht weiterhin ein gesteigertes Drehmoment sowie eine höhere Lebensdauer des Rohrs, was am wichtigsten ist.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Für eine ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in welchen:
1 eine Querschnittsansicht einer Verbindung vom Stand der Technik ist und erweiterte Gewinde darstellt;
1A eine vergrößerte Querschnittsansicht von API-Gewinden vom Stand der Technik für die Verbindung von 1 ist;
2 eine Querschnittsansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine Querschnittsansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine Querschnittsansicht einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
5 eine Ansicht dreier Abschnitte eines rohrförmigen Gestänges ist, wobei die einzelnen rohrförmigen Bauteile die in 3 der vorliegenden Erfindung dargestellte Verbindung aufweisen;
6 eine Querschnittsansicht der Einführ- und Aufnahmeverbindungsteile einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
7 eine Querschnittsansicht der Einführ- und Aufnahmeverbindungsteile von 6 in der in Eingriff stehenden Position ist;
8 eine Querschnittsansicht der Einführ- und Aufnahmeverbindungsteile noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
9 eine Querschnittsansicht der Einführ- und Aufnahmeverbindungsteile von 8 in der in Eingriff stehenden Position ist;
10 eine Ansicht von drei Abschnitten eines rohrförmigen Gestänges ist, wobei die einzelnen rohrförmigen Bauteile die in den 6 und 7 dargestellte Verbindung der vorliegenden Erfindung aufweisen;
11 eine Querschnittsansicht der Einführ- und Aufnahmeverbindungsteile der vorliegenden Erfindung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Gewindesätze der Verbindung der vorliegenden Erfindung ist;
12 eine Querschnittsansicht der Einführ- und Aufnahmeverbindungsteile von 11 in der in Eingriff stehenden Position ist;
13 eine Querschnittsansicht des Gewindesatzes an dem Aufnahmeteil der in 11 dargestellten Verbindung ist;
14 eine Querschnittsansicht des Gewindesatzes an dem Einführteil der in 11 dargestellten Verbindung ist;
15 eine vergrößerte Ansicht der Gewinde ist, die in 12 in der in Eingriff stehenden Position dargestellt sind;
16 eine vergrößerte Ansicht von einem der Einführ- und Aufnahmegewinde ist, die in 15 in der in Eingriff stehenden Position dargestellt sind;
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Anfänglich auf 2 Bezug nehmend ist eine bevorzugte Ausführungsform der Verbindung der vorliegenden Erfindung zum Verbinden zwei Rohre oder rohrförmiger Bauteile zum Aufbau eines Bohrgestänges dargestellt. Wie sich für den Fachmann versteht hat jedes rohrförmige Bauteil ein erstes als das Einführteil bezeichnetes Ende und ein zweites Ende, das als ein Aufnahmeteil bezeichnet wird. In 2 sind zwei rohrförmige Bauteile dargestellt, ein erstes rohrförmiges Bauteil 2 und ein zweites rohrförmiges Bauteil 4. Das erste rohrförmige Bauteil 2 weist an einem Ende ein Einführverbindungsteil 6 der vorliegenden Erfindung auf, während das zweite rohrförmige Bauteil 4 an einem Ende über ein Aufnahmeverbindungsteil 8 der vorliegenden Erfindung verfügt. Das Einführverbindungsteil 6 ist für eine Gewindeverbindung mit dem Aufnahmeverbindungsteil 8 ausgelegt, um die Verbindung der vorliegenden Erfindung auszubilden, die nachstehend ausführlich beschrieben werden wird. Dabei sollte sich natürlich verstehen, dass an dem anderen Ende des ersten rohrförmigen Bauteils 2 ein (nicht dargestelltes) Aufnahmeverbindungsteil und an dem anderen Ende des zweiten rohrförmigen Bauteils 4 ein (nicht dargestelltes) Einführverbindungsteil vorhanden ist.
Das erste rohrförmige Bauteil 2 ist ein generell zylindrisches Bauteil oder Rohr mit einem Außendurchmesser 10 und einem Innendurchmesser 12 und weist an seinem Abschlussende das Einführverbindungsteil 6 der vorliegenden Erfindung auf. Das Einführverbindungsteil 6 beinhaltet eine ringförmige Außenschulter 15 mit einem äußeren radialen Bundabschnitt 14 sowie eine benachbarte ringförmige Innennut 16, die beide in eine Richtung weisen, welche im allgemeinen quer zu der Achse des rohrförmigen Bauteils 2 verläuft. Ein Außengewindeprofil 20 erstreckt sich von einer zylindrischen Außenfläche 18 an der Basis der Nut 16 zu einer zylindrischen Außenfläche 22 hin, die benachbart zu dem radialen Abschlussende 24 des rohrförmigen Bauteils 2 liegt.
Das zweite rohrförmige Bauteil 4 ist ein generell zylindrisches Bauteil oder Rohr mit einem Außendurchmesser 28 und einem Innendurchmesser 42, wobei an seinem Abschlussende das Aufnahmeverbindungsteil 8 der vorliegenden Erfindung angeordnet ist. Das Aufnahmeverbindungsteil 8 beinhaltet eine ringförmige Innenschulter 40, die in eine im allgemeinen quer zu der Achse des rohrförmigen Bauteils 4 verlaufenden Richtung weist. Ein Innengewindeprofil 36 erstreckt sich von einer zylindrischen Innenfläche 38 an der Basis der Schulter 40 zu einer zylindrischen Innenfläche 34 hin, die benachbart zu dem radialen Abschlussende 30 des rohrförmigen Bauteils 4 liegt.
Das radiale Abschlussende 35 beinhaltet einen Bundabschnitt 30 und einen benachbarten Vorsprung 32 in der Form eines ringförmigen Bauteils, das dazu ausgelegt ist, bei dem Gewindeeingriff des Einführverbindungsteils 6 und des Aufnahmeverbindungsteils 8 in die Nut 16 eingesetzt zu werden. Es sei darauf hingewiesen, dass der dargestellte Vorsprung einen Querschnitt in der Form einer Noppe bzw. eines Radius beinhaltet, jedoch können auch andere Formen wie z.B. eine angewinkelte Oberfläche verwendet werden, und wo die Nut 16 zu einem Zusammenwirken mit der angewinkelten Oberfläche ausgelegt ist. Darüber hinaus können die Länge und der Radius des Vorsprungs 32 variiert werden, was wiederum die Tiefe der Nut 16 variieren würde, wobei diese Variablen von der erwünschten Menge an Metall-zu-Metall-Oberflächenkontakt abhängen.
Verschiedene Typen von Gewindesätzen können mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Diese werden nachstehend ausführlich mit Bezug auf die 11–16 erläutert werden.
Im Betrieb wird das Einführverbindungsteil 6 an dem rohrförmigen Bauteil 2 in das Aufnahmeverbindungsteil 8 des rohrförmigen Bauteils 4 eingeführt. Bei dem Eingriff der Gewindeprofile 20, 36 wird eines der rohrförmigen Bauteile 2, 4 mit Bezug auf das andere verdreht, um mit den Verbindungsteilen 6, 8 in Gewindeeingriff zu treten. Bei einem fortgeführten Gewindeeingriff wird der ringförmige Vorsprung 32 in der Nut 16 aufgenommen. Wenn die Verbindung vollständig verschraubt ist, ist der Vorsprung 32 vollständig von der Nut 16 aufgenommen und liegt in ihr an, wobei das Abschlussende 24 an der ringförmigen Schulter 40 ansteht. Die Oberflächen der Schulter 15 und des radialen Abschlussendes 35 stehen dann vollständig miteinander in Eingriff, um ein Verrutschen dazwischen zu verhindern. Dann wird das Drehmoment erhöht, um die Verbindung vollständig zu verschrauben.
Nun auf 3 Bezug nehmend ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Verbindung der vorliegenden Erfindung dargestellt. In dieser alternativen Ausführungsform weist ein erstes rohrförmiges Bauteil 40 an einem Ende ein Einführverbindungsteil 60 der vorliegenden Erfindung auf und ein zweites rohrförmiges Bauteil 42 hat an einem Ende ein Aufnahmeverbindungsteil 78. Das Einführverbindungsteil 60 ist für eine Gewindeverbindung mit dem Aufnahmeverbindungsteil 78 ausgelegt, um die Verbindung der vorliegenden Erfindung auszubilden, die im folgenden ausführlicher beschrieben werden wird. Dabei sollte sich natürlich verstehen, dass ein (nicht dargestelltes) Aufnahmeverbindungsteil an dem anderen Ende des ersten rohrförmigen Bauteils 40 und ein (nicht dargestelltes) Einführverbindungsteil an dem anderen Ende des zweiten rohrförmigen Bauteils 78 vorgesehen ist.
Das erste rohrförmige Bauteil 40 ist ein generell zylindrisches Bauteil oder Rohr mit einem Außendurchmesser 62 und einem Innendurchmesser 80, wobei das Einführverbindungsteil 60 der vorliegenden Erfindung an seinem Abschlussende angeordnet ist. Das Einführverbindungsteil 60 beinhaltet eine ringförmige Außenschulter 65 mit einem radialen Bundabschnitt 64 sowie eine benachbarte Nut 66, die beide in eine Richtung weisen, welche im allgemeinen quer zu der Achse des rohrförmigen Bauteils 40 verläuft. Die Nut 66 endet an einer Oberfläche 68 mit einem Durchmesser des rohrförmigen Bauteils 40. Ein Außengewindeprofil 70 erstreckt sich von der zylindrischen Oberfläche 68 an der Basis der Nut 66 zu der zylindrischen Oberfläche 72 hin, die benachbart zu dem radialen Abschlussende 75 des rohrförmigen Bauteils 40 liegt.
Das radiale Abschlussende 75 beinhaltet einen Bundabschnitt 76 und einen Vorsprung 74, wobei beide Bauteile in eine Richtung weisen, die im allgemeinen quer zu der Achse des rohrförmigen Bauteils 78 verläuft. Der Vorsprung 74 ist ein ringförmiges Bauteil mit einem Querschnitt in der Form einer Noppe bzw. eines Radius und dazu ausgelegt, in eine Nut 96 bei dem Gewindeeingriff des Einführverbindungsteils 60 und des Aufnahmeverbindungsteils 78, der nachfolgend beschrieben werden wird, eingesetzt zu werden.
Das zweite rohrförmige Bauteil 42 ist ein generell zylindrisches Bauteil oder Rohr mit einem Außendurchmesser 82 und einem Innendurchmesser 100, wobei das Aufnahmeverbindungsteil 78 der vorliegenden Erfindung an seinem Abschlussende vorgesehen ist. Das Aufnahmeverbindungsteil 78 beinhaltet eine ringförmige Innenschulter 95 mit einem Bundabschnitt 98 sowie eine benachbarte ringförmige Nut 96, wobei beide Bauteile in eine Richtung weisen, die im allgemeinen quer zu der Achse des rohrförmigen Bauteils 78 liegt. Der Bundabschnitt 98 erstreckt sich von dem Innendurchmesser 100 zu der Nut 96 hin. Ein Innengewindeprofil 90 erstreckt sich von der zylindrischen Oberfläche 92 an der Basis der Nut 96 zu der zylindrischen Oberfläche 88 hin, die benachbart zu dem radialen Abschlussende 85 des rohrförmigen Bauteils 42 liegt.
Das radiale Abschlussende 85 beinhaltet einen Bundabschnitt 84 und einen Vorsprung 86, der sich von der Oberfläche 88 mit einem Innendurchmesser zu dem Bundabschnitt 84 hin erstreckt, wobei beide Bauteile in eine Richtung weisen, die im allgemeinen quer zu der Achse des rohrförmigen Bauteils 78 liegt. Der Vorsprung 86 ist ein ringförmiges Bauteil mit einem Querschnitt in der Form einer Noppe bzw. eines Radius und ist dazu ausgelegt, bei dem nachfolgend beschriebenen Gewindeeingriff des Einführverbindungsteils 60 und des Aufnahmeverbindungsteils 78 in die Nut 66 eingesetzt zu werden.
Im Betrieb wird das Einführverbindungsteil 60 an dem rohrförmigen Bauteil 40 in das Aufnahmeverbindungsteil 78 des rohrförmigen Bauteils 42 eingeführt. Bei dem Eingriff der Gewindeprofile 70, 90 wird eines der rohrförmigen Bauteile 40, 42 mit Bezug auf das andere Bauteil gedreht, um mit den Verbindungsteilen 60, 78 in Gewindeeingriff zu treten. Wenn der Gewindeeingriff fortgeführt wird, wird der ringförmige Vorsprung 86 an dem Aufnahmeverbindungsteil 78 zuerst in der Nut 66 des Einführverbindungsteils 60 aufgenommen und anschließend wird der Vorsprung 74 des Einführverbindungsteils 60 in der Nut 96 des Aufnahmeverbindungsteils 78 aufgenommen. Wenn die Verbindung vollständig verschraubt ist, ist der Vorsprung 86 vollständig durch die Nut 66 aufgenommen und liegt an ihr an, während der Vorsprung 74 vollständig in der Nut 96 aufgenommen ist und an dieser anliegt. Die Oberflächen der Schulter 65 treten mit dem radialen Abschlussende 85 vollständig in Eingriff und die Oberflächen der Schulter 95 treten mit dem radialen Abschlussende 75 vollständig in Eingriff, um ein Verrutschen während des Bohrens zu verhindern. Die weiteren Bundabschnitte 64, 84 und 76, 98 stehen in einem anstehenden Eingriff. Danach wird das Drehmoment erhöht, um die Verbindung vollständig zu verschrauben.
Nun auf 4 Bezug nehmend ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Verbindung der vorliegenden Erfindung dargestellt. In dieser alternativen Ausführungsform weist ein erstes rohrförmiges Bauteil 102 an einem Ende ein Einführverbindungsteil 110 der vorliegenden Erfindung auf und ein zweites rohrförmiges Bauteil 104 hat an einem Ende ein Aufnahmeverbindungsteil 128. Das Einführverbindungsteil 110 ist für eine Gewindeverbindung mit dem Aufnahmeverbindungsteil 128 ausgelegt, um die im folgenden ausführlich beschriebene Verbindung der vorliegenden Erfindung auszubilden. Dabei sollte sich natürlich verstehen, dass ein (nicht dargestelltes) Aufnahmeverbindungsteil an dem anderen Ende des ersten rohrförmigen Bauteils 102 und ein (nicht dargestelltes) Einführverbindungsteil an dem anderen Ende des zweiten rohrförmigen Bauteils 102 vorgesehen ist.
Das erste rohrförmige Bauteil 102 ist ein generell zylindrisches Bauteil oder Rohr mit einem Außendurchmesser 112 und einem Innendurchmesser 126, wobei das Einführverbindungsteil 110 der vorliegenden Erfindung an dessen Abschlussende vorgesehen ist. Das Einführverbindungsteil 110 beinhaltet eine ringförmige Außenschulter 114, die im allgemeinen senkrecht zu der Achse des rohrförmigen Bauteils 102 angeordnet ist. Die Schulter 114 erstreckt sich von dem Außendurchmesser 112 zu der zylindrischen Oberfläche 116 des rohrförmigen Bauteils 102 hin. Ein Außengewindeprofil 118 erstreckt sich von der zylindrischen Oberfläche 116 an der Basis der Schulter 114 zu der zylindrischen Oberfläche 120 hin, die benachbart zu dem radialen Abschlussende 125 des rohrförmigen Bauteils 102 liegt.
Das radiale Abschlussende 125 beinhaltet einen Bundabschnitt 124 und einen Vorsprung 122, die beide in eine Richtung weisen, welche im allgemeinen quer zu der Achse des rohrförmigen Bauteils 102 verläuft.
Der Vorsprung 122 ist ein ringförmiges Bauteil mit einem Querschnitt in der Form einer Noppe bzw. eines Radius und ist dazu ausgelegt, bei dem nachstehend beschriebenen Gewindeeingriff des Einführverbindungsteils 110 und des Aufnahmeverbindungsteils 128 in die Nut 142 eingesetzt werden.
Das zweite rohrförmige Bauteil 128 ist ein generell zylindrisches Bauteil oder Rohr mit einem Außendurchmesser 130 und einem Innendurchmesser 146, wobei das Aufnahmeverbindungsteil 128 der vorliegenden Erfindung an dessen Abschlussende angeordnet ist. Das Aufnahmeverbindungsteil 128 beinhaltet eine ringförmige Innenschulter 145 mit einem Bundabschnitt 144 sowie eine benachbarte ringförmige Nut 142, die beide in eine Richtung weisen, welche im allgemeinen quer zu der Achse des rohrförmigen Bauteils 104 verläuft. Der Bundabschnitt 144 erstreckt sich von dem Innendurchmesser 146 zu der Nut 142 hin. Ein Innengewindeprofil 136 erstreckt sich von der zylindrischen Oberfläche 138 an der Basis der Nut 142 zu der zylindrischen Oberfläche 134 hin, die benachbart zu dem radialen Abschlussende 132 des rohrförmigen Bauteils 104 liegt.
Das radiale Abschlussende 132 ist eine ringförmige Schulter, die im allgemeinem senkrecht zu der Achse des rohrförmigen Bauteils 104 angeordnet ist. Das radiale Abschlussende 132 ist dazu ausgelegt, bei dem nachstehend beschriebenen Gewindeeingriff des Einführverbindungsteils 110 und des Aufnahmeverbindungsteils 128 in einem anstehenden Eingriff mit der Schulter 114 zu stehen.
Im Betrieb wird das Einführverbindungsteil 110 an dem rohrförmigen Bauteil 102 in das Aufnahmeverbindungsteil 128 des rohrförmigen Bauteils 104 eingeführt. Bei dem Eingriff der Gewindeprofile 118, 136 wird eines der rohrförmigen Bauteile 102, 104 mit Bezug auf das andere gedreht, um mit den Verbindungsteilen 110, 128 in Gewindeeingriff zu treten. Bei einem fortgeführten Gewindeeingriff wird der ringförmige Vorsprung 122 in der Nut 146 aufgenommen. Wenn die Verbindung vollständig verschraubt ist, ist der Vorsprung 122 vollständig durch die Nut 146 aufgenommen und liegt an ihr an, während das Abschlussende 132 an der ringförmigen Schulter 114 ansteht. Die Oberflächen der Schulter 145 treten mit dem radialen Abschlussende 125 in Eingriff, um während des Bohrens ein Verrutschen dazwischen zu vermeiden. Dann wird das Drehmoment erhöht, um die Verbindung vollständig zu verschrauben.
Nun auf 5 Bezug nehmend ist ein Bohrgestänge 150 dargestellt, das aus rohrförmigen Bauteilen 180, 182, 184 und 186 aufgebaut ist und die bevorzugte Verbindung von 3 der vorliegenden Erfindung aufweist. Es sei darauf hingewiesen, dass sich gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren auf gleiche Komponenten beziehen. Weiterhin sollte sich verstehen, dass obgleich die Verbindung von 3 in 5 illustriert ist, auch die Verbindung aus den 2 und 4 anwendbar ist. Die rohrförmigen Bauteile 180, 182, 184 und 186 weisen an ihren jeweiligen Enden das Einführverbindungsteil 60 und das Aufnahmeverbindungsteil 78 auf und sind mittels Gewindeeingriff durch die Gewindeprofile 70, 90 miteinander verbunden. Für jede Verbindung des Einführverbindungsteils 60 und des Aufnahmeverbindungsteils 78 ist der ringförmige Vorsprung 86 an dem Aufnahmeverbindungsteil 78 in der Nut 66 des Einführverbindungsteils 60 aufgenommen und der Vorsprung 74 des Einführverbindungsteils 60 ist in der Nut 96 des Aufnahmeverbindungsteils 78 aufgenommen. Die Oberflächen der Schulter 65 stehen mit dem radialen Abschlussende 85 in vollständigem Eingriff und die Oberflächen der Schulter 95 stehen mit dem radialen Abschlussende 75 in vollständigem Eingriff um während des Bohrens ein Verrutschen zu verhindern. Die weiteren Bundabschnitte 64, 84 und 16, 98 stehen in einem anstehenden Eingriff.
In den Ausführungsformen der 2–5 der vorliegenden Anmeldung war der Vorsprung ein dünnes ringförmiges Bauteil, das in einer Nut aufgenommen war, um ein Rutschen zwischen den Oberflächen zu verhindern. In den zu beschreibenden Ausführungsformen hat der Vorsprung einen viel größeren Radius und erstreckt sich über die Schulter und das Abschlussende. Ein dünner Vorsprung könnte am Einsatzort beschädigt werden, bevor er vollständig in der Nut angeordnet sein würde. Würde der Vorsprung beschädigt werden, würde er nicht richtig in die Nut passen. Darüber hinaus kann ein dünner Vorsprung schwieriger herzustellen sein.
Nun auf die 6 und 7 Bezug nehmend ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Verbindung der vorliegenden Erfindung dargestellt. In dieser alternativen Ausführungsform weist ein erstes rohrförmiges Bauteil 190 an einem Ende ein Einführverbindungsteil 192 der vorliegenden Erfindung auf und ein zweites rohrförmiges Bauteil 194 hat an einem Ende ein Aufnahmeverbindungsteil 196. Das Einführverbindungsteil 192 ist für eine Gewindeverbindung mit dem Aufnahmeverbindungsteil 196 ausgelegt, um die nachfolgend ausführlicher beschriebene Verbindung der vorliegenden Erfindung auszubilden. Dabei sollte sich natürlich verstehen, dass ein (nicht dargestelltes) Aufnahmeverbindungsteil an dem anderen Ende des ersten rohrförmigen Bauteils 190 und ein (nicht dargestelltes) Einführverbindungsteil an dem anderen Ende des zweiten rohrförmigen Bauteils 194 vorgesehen ist.
Das erste rohrförmige Bauteil 190 ist ein generell zylindrisches Bauteil oder Rohr mit einem Außendurchmesser 198 und einem Innendurchmesser 200, wobei das Einführverbindungsteil 192 der vorliegenden Erfindung an dessen Abschlussende angeordnet ist. Das Einführverbindungsteil 192 beinhaltet eine ringförmige Außenschulter 202 mit einer ringförmigen Nut bzw. eine mit einem Radius versehene konkave Oberfläche 204, die in eine Richtung weist, welche im allgemeinen quer zu der Achse des rohrförmigen Bauteils 190 verläuft. Die mit einem Radius versehene konkave Oberfläche 204 erstreckt sich über die gesamte Schulter 202. Der Außenrand der mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche 204 ist bei 206 abgeschrägt und der Innenrand der mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche 204 erstreckt sich zu der zylindrischen Oberfläche 208 hin. Es sollte kein scharfer radialer Außenrand an der konkaven, mit einem Radius versehenen Nut 204 vorliegen, sodass der Außenrand nicht nach innen gebogen wird, um die mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche 228 davon abzuhalten, von der mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche 204 aufgenommen zu werden.
Ein Außengewindeprofil 210 erstreckt sich von der zylindrischen Oberfläche 208 an der Basis der mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche 204 zu der zylindrischen Oberfläche 212 hin, die benachbart zu dem radialen Abschlussende 214 des rohrförmigen Bauteils 190 vorgesehen ist. Vorzugsweise ist das Gewindeprofil ein Hakenlastgewinde.
Das zweite rohrförmige Bauteil 194 ist ein generell zylindrisches Bauteil oder Rohr mit einem Außendurchmesser 216 und einem Innendurchmesser 218, wobei das Aufnahmeverbindungsteil 196 der vorliegenden Erfindung an dessen Abschlussende angeordnet ist. Das Aufnahmeverbindungsteil 196 beinhaltet eine ringförmige Innenschulter 220, die in eine Richtung weist, welche im allgemeinen quer zu der Achse des rohrförmigen Bauteils 194 verläuft. Ein Innengewindeprofil 222 erstreckt sich von der zylindrischen Oberfläche 224 an der Basis der Schulter 220 zu dem radialen Abschlussende 226 des rohrförmigen Bauteils 194 hin. Es ist ersichtlich, dass Gewindeentlastungen für beide Gewindeprofile 210 und 222 vorgesehen sind.
Das radiale Abschlussende 226 beinhaltet einen Vorsprung bzw. eine mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche 228 in der Form eines ringförmigen Bauteils, das dazu ausgelegt ist, bei dem Gewindeeingriff des Einführverbindungsteils 192 und des Aufnahmeverbindungsteils 196 in die mit einem Radius versehene konkave Oberfläche 204 eingesetzt zu werden. Die mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche 228 weist einen Querschnitt in der Form einer Abrundung bzw. eines gekrümmten Radius auf. Der Radius der Nase 228 erstreckt sich über das gesamte Abschlussende des Aufnahmeteils 196 und ist etwas kleiner, z.B. einige Tausendstel von 2,5 cm (1 inch), als der Radius der mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche 204 an der Basis des Einführverbindungsteils 192. Somit ist die mit einem Radius versehene konvexe Einsetzoberfläche 228 um einige Tausendstel von 2,5 cm (1 inch) kleiner als die mit einem Radius versehene konkave Aufnahmeoberfläche 204. Dies ermöglicht es, dass die mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche 228 von der mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche 204 einfach aufgenommen werden kann. Darüber hinaus können die Länge und der Radius der mit einem Radius versehenen konvexen Oberfläche 228 variiert werden, wodurch wiederum die Tiefe der mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche 204 variiert werden würde und wobei diese Variablen von dem erwünschten Ausmaß an Metall-zu-Metall-Oberflächenkontakt abhängen.
Im Betrieb wird das Einführverbindungsteil 192 an dem rohrförmigen Bauteil 190 in das Aufnahmeverbindungsteil 196 des rohrförmigen Bauteils 194 eingeführt. Bei dem Eingriff der Gewindeprofile 210, 222 wird eines der rohrförmigen Bauteile 190, 194 mit Bezug auf das andere Bauteil gedreht, um mit den Verbindungsteilen 192, 196 in Gewindeeingriff zu treten. Wenn der Gewindeeingriff fortgeführt wird, wird die mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche 228 in der mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche 204 aufgenommen. Wenn die Verbindung vollständig verschraubt ist, ist die mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche 228 vollständig durch die mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche 204 aufgenommen und liegt an ihr an, um eine nicht-rutschende Verbindung 215 mit einer mit einem Radius versehenen Oberfläche auszubilden, wobei das Abschlussende 214 an der ringförmigen Schulter 220 ansteht, um eine anstehende Schulterverbindung 225 auszubilden. Die mit Radien versehenen Oberflächen der Schulter 202 und des radialen Abschlussendes 226 treten miteinander in Eingriff, um während des Bohrens ein Verrutschen zu verhindern. Dann wird das Drehmoment erhöht, um die Verbindung vollständig zu verschrauben.
Nun auf die 8 und 9 Bezug nehmend ist noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Verbindung der vorliegenden Erfindung dargestellt. In dieser alternativen Ausführungsform weist ein erstes rohrförmiges Bauteil 230 an einem Ende ein Einführverbindungsteil 232 der vorliegenden Erfindung auf und ein zweites rohrförmiges Bauteil 234 verfügt an einem Ende über ein Aufnahmeverbindungsteil 236. Das Einführverbindungsteil 232 ist für eine Gewindeverbindung mit dem Aufnahmeverbindungsteil 236 ausgelegt, um die nachstehend ausführlicher beschriebene Verbindung der vorliegenden Erfindung auszubilden. Dabei sollte sich natürlich verstehen, dass ein (nicht dargestelltes) Aufnahmeverbindungsteil an dem anderen Ende des ersten rohrförmigen Bauteils 230 und ein (nicht dargestelltes) Einführverbindungsteil an dem anderen Ende des zweiten rohrförmigen Bauteils 234 vorgesehen sind.
Das erste rohrförmige Bauteil 230 ist ein generell zylindrisches Bauteil oder Rohr mit einem Außendurchmesser 238 und einem Innendurchmesser 240, wobei das Einführverbindungsteil 232 der vorliegenden Erfindung an dessen Abschlussende angeordnet ist. Das Einführverbindungsteil 232 beinhaltet eine ringförmige Außenschulter 242 mit einer Nut bzw. eine mit einem Radius versehene konkave Oberfläche 244, die in eine Richtung weist, welche im allgemeinen quer zu der Achse des rohrförmigen Bauteils 230 verläuft. Die mit einem Radius versehene konkave Oberfläche 244 erstreckt sich über die gesamte Schulter 242. Der Außenrand der mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche 244 ist bei 246 abgeschrägt und der Innenrand der mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche 244 erstreckt sich zu der zylindrischen Oberfläche 248 hin. Ein Außengewindeprofil 250 erstreckt sich von der zylindrischen Oberfläche 248 an der Basis der mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche 244 zu der zylindrischen Oberfläche 252 hin, die benachbart zu dem radialen Abschlussende 254 des rohrförmigen Bauteils 230 angeordnet ist.
Das radiale Abschlussende 254 beinhaltet einen Vorsprung bzw. eine mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche 256, der/die in eine Richtung weist, welche im allgemeinen quer zu der Achse des rohrförmigen Bauteils 230 verläuft. Die mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche 256 ist ein ringförmiges Bauteil, das dafür ausgelegt ist, bei dem nachstehend beschriebenen Gewindeeingriff des Einführverbindungsteils 232 und des Aufnahmeverbindungsteils 236 in eine mit einem Radius versehene konkave Oberfläche 264 eingesetzt zu werden. Die mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche 256 hat einen Querschnitt in der Form einer Abrundung oder eines gekrümmten Radius und erstreckt sich über das gesamte Abschlussende 254 des Einführverbindungsteils 232. Die mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche 256 ist an der Basis des Aufnahmeverbindungsteils 236 etwas kleiner, z.B. einige Tausendstel von 2,5 cm (1 inch), als der Radius der mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche 264 an der Basis des Aufnahmeverbindungsteils 236. Daher ist der Einsetzradius 256 um einige Tausendstel von 2,5 cm (1 inch) kleiner als der Aufnahmeradius 264.
Das zweite rohrförmige Bauteil 234 ist ein generell zylindrisches Bauteil oder Rohr mit einem Außendurchmesser 258 und einem Innendurchmesser 260, wobei das Aufnahmeverbindungsteil 236 der vorliegenden Erfindung an dessen Abschlussende angeordnet ist. Das Aufnahmeverbindungsteil 236 beinhaltet eine ringförmige Innenschulter 262 mit einer ringförmigen Nut bzw. eine mit einem Radius versehene konkave Oberfläche 264, die in eine Richtung weist, welche im allgemeinen quer zu der Achse des rohrförmigen Bauteils 234 verläuft. Die mit einem Radius versehene konkave Oberfläche 264 erstreckt sich über die gesamte Schulter 262. Der Außenrand der mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche 264 ist bei 266 abgeschrägt und der Innenrand der Nut 264 erstreckt sich zu der zylindrischen Oberfläche 268 hin. Ein Innengewindeprofil 270 erstreckt sich von der zylindrischen Oberfläche 268 an der Basis der Nut 264 zu dem radialen Abschlussende 272 des rohrförmigen Bauteils 234 hin.
Das radiale Abschlussende 272 beinhaltet einen Vorsprung bzw. eine mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche 274, der/die sich von dem Ende des Gewindeprofils 270 zu der Oberfläche 258 mit einem Durchmesser hin erstreckt und in eine Richtung weist, die im allgemeinen quer zu der Achse des rohrförmigen Bauteils 234 verläuft. Die mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche 256 ist ein ringförmiges Bauteil, das dazu ausgelegt ist, bei dem hier beschriebenen Gewindeeingriff des Einführverbindungsteils 232 und des Aufnahmeverbindungsteils 236 in die mit einem Radius versehene konkave Oberfläche 264 eingesetzt zu werden. Die mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche 274 weist einen Querschnitt in der Form einer Abrundung oder eines gekrümmten Radius auf. Die mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche 274 erstreckt sich über das gesamte Abschlussende 272 des Aufnahmeverbindungsteils 236 und ist etwas kleiner, z.B. um einige Tausendstel von 2,5 cm (1 inch), als der Radius der mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche 244 an der Basis des Einführverbindungsteils 232. Daher ist der Einsetzradius 274 um einige Tausendstel von 2,5 cm (1 inch) kleiner als der Aufnahmeradius 244.
Im Betrieb wird das Einführverbindungsteil 232 an dem rohrförmigen Bauteil 230 in das Aufnahmeverbindungsteil 236 des rohrförmigen Bauteils 234 eingeführt. Bei dem Eingriff der Gewindeprofile 250, 270 wird eines der rohrförmigen Bauteile 230, 234 mit Bezug auf das andere gedreht, um mit den Verbindungsteilen 232, 236 in Gewindeeingriff zu treten. Bei einem anhaltenden Gewindeeingriff wird die mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche 274 an dem Aufnahmeverbindungsteil 236 zuerst durch die mit einem Radius versehene konkave Oberfläche 244 des Einführverbindungsteils 232 aufgenommen und die mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche 256 des Einführverbindungsteils 232 wird anschließend in der mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche 264 des Aufnahmeverbindungsteils 236 aufgenommen. Wenn die Verbindung vollständig verschraubt ist, ist die mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche 274 vollständig durch die mit einem Radius versehene konkaven Oberfläche 244 aufgenommen und liegt an ihr an, um eine nicht-rutschende und mit einem Radius versehene Verbindung 255 auszubilden, und die mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche 256 ist vollständig von der mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche 264 aufgenommen und liegt an ihr an, um eine weitere nicht-rutschende und mit einem Radius versehene Verbindung 265 auszubilden. Anschließend wird das Drehmoment erhöht, um die Verbindung vollständig zu verschrauben. Die mit einem Radius versehenen Verbindungen 255 und 265 verhindern während des Bohrens ein Rutschen zwischen den Oberflächen.
Nun auf die 11 und 12 Bezug nehmend ist die bevorzugte Ausführungsform der Gewinde für die Verbindung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Darstellungsgründen halber sind die bevorzugten Gewinde in einer Ausführungsform dargestellt, die ähnlich zu derjenigen der 6 und 7 ausfällt. Ein erstes rohrförmiges Bauteil 290 verfügt an einem Ende über ein Einführverbindungsteil 292 und ein zweites rohrförmiges Bauteil 294 weist an einem Ende ein Aufnahmeverbindungsteil 296 auf, wobei das Einführverbindungsteil 292 für eine Gewindeverbindung mit dem Aufnahmeverbindungsteil 296 ausgelegt ist, um die in 12 dargestellte Verbindung der vorliegenden Erfindung auszubilden. Das Einführverbindungsteil 292 beinhaltet an seiner Basis eine ringförmige Außenschulter 302 mit einer mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche 304; die sich im wesentlichen über die gesamte Schulter 302 erstreckt. Ein Außengewindesatz 310 erstreckt sich von der zylindrischen Oberfläche 308 an der Basis der mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche 304 zu der zylindrischen Oberfläche 312 benachbart zu dem radialen Abschlussende 314 des Einführverbindungsteils 292 hin.
Das zweite rohrförmige Bauteil 294 beinhaltet an seiner Basis eine ringförmige Innenschulter 322. Ein Innengewindesatz 320 erstreckt sich von der zylindrischen Oberfläche 324 an der Basis der Aufnahmeteilschulter 322 zu dem radialen Abschlussende 326 des Aufnahmeverbindungsteils 296 hin. Das radiale Abschlussende 326 beinhaltet einen Vorsprung bzw. eine mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche 328 in der Form eines ringförmigen Bauteils, die dazu ausgelegt ist, bei dem Gewindeeingriff des Einführverbindungsteils 292 und des Aufnahmeverbindungsteils 296 in die mit einem Radius versehene konkave Oberfläche 304 eingesetzt zu werden. Der Radius der Oberfläche 328 erstreckt sich über das gesamte Abschlussende des Aufnahmeteils 296 und ist etwas kleiner, z.B. einige Tausendstel von 2,5 cm (1 inch), als der Radius der mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche 304 an der Basis des Einführverbindungsteils 292.
Der Gewindesatz 310 an dem Einführverbindungsteil 292 beinhaltet vorzugsweise einen Abschnitt von Auslaufgewinden 330, die sich von der zylindrischen Oberfläche 308 zu einem Abschnitt von Gewinden 332 voller Höhe erstrecken, welche sich wiederum zu der zylindrischen Oberfläche 312 an dem Einführabschlussende 314 hin erstrecken. Ein Abschnitt mit Auslaufgewinden versteht sich als ein Abschnitt von Gewinden, deren Gewindegründe an einer Verjüngung mit Bezug auf die Längsachse des rohrförmigen Bauteils bearbeitet sind, aber deren Scheitel parallel zu der Längsachse des rohrförmigen Bauteils bearbeitet sind, wobei sich die Konstruktions-(Abspanungs)-Spirale der Scheitel und der Gewindegründe graduell überschneiden und das Gewinde verschwindet.
Der Gewindesatz 320 an dem Aufnahmeverbindungsteil 296 beinhaltet einen Abschnitt von Gewinden 334 voller Höhe, die sich von dem radialen Aufnahmeabschlussende 326 zu der zylindrischen Oberfläche 324 an seiner Basis hin erstrecken. Die Auslaufgewinde 330 passen zu den Gewinden 334 voller Höhe an dem Aufnahmeverbindungsteil 296. Die Auslaufgewinde 330 an der Basis des Einführverbindungsteils 292 sind Gewinde mit reduzierter Höhe, um es zu ermöglichen, dass die Breite der Schulter 302 maximiert wird. Wenn die geradlinige Verjüngung des Scheitels der Gewinde fortgeführt wird, wird die Dicke der Schulter wesentlich verringert. Der zylindrische Abschnitt 308 der Gewinde nahe der Basis des Einführverbindungsteils 292 ermöglicht eine Steigerung der Dicke der Verriegelungsschulter 302. Ein volles Auslaufgewinde an der Basis des Einführverbindungsteils 292 wird nicht verwendet, da es den Gewindeeingriff der Verbindung wesentlich verringern würde. Dies stellt einen Kompromiss zwischen der Ermöglichung einer Festigkeit für die Verriegelungsschulter 302 und einem ausreichenden Gewindeeingriff für ein großes Drehmoment dar. Es besteht ein ausreichender Gewindeeingriff, damit die Verbindung der auf sie einwirkenden Scherung widerstehen kann.
Das anfängliche Gewinde 396 an dem Einführverbindungsteil 292 ist bei 398 abgeschrägt sodass es kein quadratisches Gewinde ist. Wäre für das anfängliche Gewinde ein quadratisches Gewinde vorgesehen, würde die Einführflanke dieses anfänglichen Gewindes beim Einführen beschädigt werden. Dies wiederum würde zu Beschädigungen der anderen Gewinde während des Verschraubens führen. Dieses anfängliche Gewinde 396 stellt eine führende Rampe 398 zum Einführen des Einführverbindungsteils 292 in das Aufnahmeverbindungsteil 296 bereit.
Nun auf die 13 und 14 Bezug nehmend sind die Einführ- und Aufnahmegewindesätze 310, 320 aus Gründen der Beschreibung als getrennt voneinander dargestellt. Eine Einführflanke ist "positiv", wenn das Gewinde unter einem von der benachbarten Gewindenut weg weisenden Winkel angeordnet ist. Eine Lastflanke ist, obgleich sie im allgemeinen bezüglich der Achse in der gleichen Richtung wie die Einführflanke angewinkelt ist, dann "negativ", wenn das Gewinde unter einem Winkel über der benachbarten Gewindenut vorgesehen ist. Ein Gewindeflankenwinkel versteht sich als derjenige Winkel, der zwischen der Gewindeflanke und einer senkrecht zu der Längsachse der Verbindung verlaufenden Linie ausgebildet ist.
Der Einführgewindesatz 310 an dem Einführverbindungsteil 292 weist Einführ- und Lastflanken 340 bzw. 350 auf, die um das konusförmige Einführverbindungsteil 292 herum in einer Spirale gewunden sind, welche von dem am nächsten zu dem Einführabschlussende 314 liegenden Ende des Gewindes 396 ausgehen, und vergleichbar ist ein Aufnahmegewindesatz 320 an dem Aufnahmeverbindungsteil 296 mit Einführ- und Lastflanken 342 bzw. 352 vorgesehen, die in einer Spirale gewunden sind, welche von dem Ende des Gewindes ausgeht, das am nächsten zu dem mit einem Radius versehenen Aufnahmeabschlussende 326 des Aufnahmeverbindungsteils 296 liegt. Eine Gewindeeinführflanke versteht sich als die weiter vorne liegende bzw. führende Flanke des Gewindes, wenn das Einführteil in das Aufnahmeteil ausgefahren wird, und die Gewindelastflanke versteht sich als die Rückflanke eines Gewindes, wenn das Einführverbindungsteil 292 in das Aufnahmeverbindungsteil 296 ausgefahren wird.
Die Gewindesätze 310, 320 an dem Einführverbindungsteil 292 und Aufnahmeverbindungsteil 296 verfügen über Scheitel 344 bzw. 354 und Gewindegründe 346 bzw. 356. Der Gewindescheitel versteht sich als diejenige Stelle in dem Gewinde, bei der die Wand des rohrförmigen Bauteils auf ihre minimale Tiefe bearbeitet worden ist und den Hauptdurchmesser eines Einführgewindes sowie den kleineren Durchmesser eines Aufnahmegewindes ausbildet. Der Gewindegrund versteht sich als diejenige Stelle in dem Gewinde, bei der die Wand des rohrförmigen Bauteils auf ihre maximale Tiefe bearbeitet worden ist und den Hauptdurchmesser des Aufnahmegewindes sowie den kleineren Durchmesser des Einführgewindes festlegt. Die Scheitel 344, 354 und die Gewindegründe 346, 356 sind flach und parallel zu der Achse 358 der Verbindung angeordnet, um ein tieferes und verbessertes Einführen des Einführverbindungsteils 292 in das Aufnahmeverbindungsteil 296 zu ermöglichen. Ein weiterer Vorteil ist die Verhinderung eines Gewindeausreißens, indem die Scheitel 344, 354 über die Gewindegründe 346, 356 rutschen können.
Zur Erhöhung der Dehnbarkeitseffizienz der Verbindung ist das Gewindeprofil vorzugsweise ein Hakengewinde, wobei die Lastflanken 350, 352 einen negativen Flankenwinkel und die Einführflanken 340, 342 einen positiven Flankenwinkel aufweisen. Die Kompressionseffizienz der Verbindung wird durch den Eingriff der Schultern 314, 322 und 302, 326 bereitgestellt.
Die Einführflanken 340, 342 verfügen vorzugsweise über einen größeren Winkel zu der Achse 358 der Verbindung bzw. sind radialer angeordnet als die Lastflanken 350, 352, Der Winkel an den Flanken fällt so aus, dass die Lastflanken 350, 352 radial näher an der Achse 358 der Verbindung als die Einführflanken 340, 342 liegen, um eine Scheitelweite 364 bereitzustellen, die etwas enger als die Gewindegrundweite bzw. -öffnung 366 ist.
Die Einführflanken 340, 342 weisen einem größeren positiven Flankenwinkel 360 auf, der vorzugsweise etwa 20° zu der Senkrechten 364 von der Zentralachse 358 der rohrförmigen Bauteile 290, 294 beträgt. Die Lastflanken 350, 352 haben einen kleineren negativen Flankenwinkel 362, der vorzugsweise etwa 15° zu der Senkrechten 364 beträgt.
Die Gewindescheitel 344, 354 verfügen über eine Querschnittsbreite 364, die kleiner als die Querschnittsbreite 366 der Gewindegründe 346, 356 ist. Die Breite 364 und die Breite 366 werden zwischen den regulären Einführflanken 340, 342 und den Lastflanken 350 bzw. 352 gemessen. Die Breite 364 der Scheitel 344, 354 ist annähernd 0,15 mm (0,006 inch) kleiner als die Breite 366 der Gewindegründe 346, 356, um zwischen den Gewinden und den Nuten ein Freiraum bereitzustellen. Ein Freiraum ist zwischen den Einführflanken 340, 350 notwendig, um an dem Mund des Gewindegrunds eine ausreichende Öffnung bereitzustellen, damit die negativen Lastflanken 342, 352 in die Gewindegründe 346, 356 eingesetzt werden können. Wenn die Einführscheitelecken-Eckenradien 370, 372 in anfänglichem Eingriff stehen, um die Scheitel 344, 354 mit den Gewindegründen 346, 356 geeignet auszurichten, reicht dieser Freiraum aus, damit sich die Gewinde in die Nuten bewegen können, wenn sie drehend zusammengebaut werden.
Die Einführflanken 340, 342 verfügen vorzugsweise über Einführscheitel-Eckenradien 370, 372 und Einführgewindegrund-Eckenradien 374, 376, wobei dazwischen ein sich verjüngender Flankenabschnitt 378 bzw. 380 vorliegt, Die Einführscheitel-Eckenradien 370, 372 sind größer als die Einführgewindegrund-Eckenradien 374, 376. Es ist erwünscht, dass ein größerer Radius in einen kleineren Radius übergeht, um zu vermeiden, dass sich die Gewinde gegeneinander verriegeln. Der unterschiedliche Radius bildet zwischen den Einführscheitel-Eckenradien 370, 372 und den Einführgewindegrund-Eckenradien 374, 376 weiterhin einen Spalt bzw. Freiraum 392 aus, der es ermöglicht, dass Fremdbestandteile wie z.B. Gewindematerial in dem Freiraum 392 beherbergt werden. Die Einführscheitel-Eckenradien 370, 372 erlauben es, dass die Scheitel 344, 354 mit einem äußerst minimalen Freiraum in die Gewindegründe 346, 356 rutschen und in die Öffnungen 366 der Gewindegründe 346, 356 übertragen werden, ohne sich infolge Fehlausrichtungen, Exzentrizitäten oder infolge einer anderen Ablenkung des vorliegenden Rohrs von der Form eines perfekten Zylinders zu verklemmen. Bei dem Herstellen der Verbindung bewegen sich die Gewinde in die entsprechenden Nute, da bei der Drehung eines Bauteils mit Bezug auf das andere Bauteil der Durchmesser der Einführgewinde größer und der Durchmesser der Aufnahmegewinde kleiner wird (als eine Funktion der Verjüngung der jeweiligen Koni), wodurch sich die Scheitel 344, 354 zu und in die Öffnungen 366 der Gewindegründe 346, 356 hinein bewegen. Die Scheiteleckenradien 370, 372 stellen sicher, dass ein adäquater Bewegungsfreiraum vorliegt, um die Gewinde in die Nuten einzuführen, die Gewinde zu den Öffnungen der Nuten zu bewegen und die Gewinde in die Nuten zu führen.
Die Einführscheitel-Eckenradien 370, 372 weisen vorzugsweise ebenfalls einen "positiven" Winkel auf, um zu einer Selbstzentrierung des in das Aufnahmeverbindungsteil 296 vordringenden Einführverbindungsteils 292 beizutragen, ohne unnötigerweise mit den Gewinderändern in Eingriff zu treten, wie dies in US 5 462 315 beschrieben ist. Die Einführscheitel-Eckenradien 370, 372 an den Gewinden voller Höhe ermöglichen es, dass mehrere der Gewinde an dem Einführverbindungsteil 292 und an dem Aufnahmeverbindungsteil 296 in Eingriff stehen und ausgerichtet sind, bevor der Drehaufbau erfolgt. Erwünschterweise steht mindestens die Hälfte der Gewinde in einem derartigen Eingriff. Vorzugsweise wird das Einführverbindungsteil 292 mit annähernd 65% bis 70% der Tiefe des Aufnahmeverbindungsteils 296 eingesetzt, um ein sehr tiefes Einführen zu bewerkstelligen, bevor die Gewinde in einen Anfangseingriff treten.
Die Einführscheitel 344 und Aufnahmegewindegründe 356 verfügen bei 382 über eine radiale Interferenz. Die Aufnahmescheitel 354 und die Einführgewindegründe 346 haben einen Freiraum 402 von annähernd 0,05 mm (0,002 inch). Ein 0,05 mm (0,002 inch) großer Freiraum zwischen den Aufnahmescheiteln 354 und den Einführgewindegründen 346 ist für die Bereitstellung einer angemessenen Toleranz zum Schneiden der Gewinde während der Herstellung erforderlich. In Abhängigkeit von den tatsächlichen Abmessungen kann kein Freiraum zwischen den Aufnahmescheiteln 354 und den Einführgewindegründen 346 vorliegen. In einem festen Arbeitszustand treten die Aufnahmescheitel 354 mit den Einführgewindegründen 346 in Eingriff.
Nun auf die 13–16 Bezug nehmend bestehen die Lastflanken 350, 352 aus einem Lastscheitelradius 384, 386 sowie einem Lastgewindegrundradius 388, 390. Die Lastscheitelradien 384, 386 und die Lastgewindegrundradien 388, 390 weisen vorzugsweise den gleichen Radius auf und können den glei chen Radius wie die Einführgewindegrund-Eckenradien 374, 376 haben. Zwischen den Radien an den Lastflanken 350, 352 liegt keine Flanke oder Abflachung vor, da die Lastscheitelradien 384, 386 zu den Gewindegrundradien 388 bzw. 390 fortgeführt werden, um an den Lastflanken 350, 352 eine allgemein S-förmige Form auszubilden. Die Scheitelradien 384, 386 sind vorzugsweise so groß wie möglich, um während des Verschraubens eine scharfe Ecke zu vermeiden, wodurch die Gewinde brechen könnten. Wie am besten in den 15 und 16 ersichtlich bilden die Lastflanken 342, 352 ein Verriegelungshakengewinde, das eine Trennung verhindert, wenn die Verbindung unter Spannung gesetzt wird. Die 15 und 16 stellen die Einführflanken 340, 342 und die Lastflanken 350, 352 in der abschließenden Verschraubungsposition dar.
Im folgenden wird das sequenzielle Verschrauben der Verbindung der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Das Verfahren des Zusammenbaus beginnt mit dem Einführen des Einführverbindungsteils 292 in das Aufnahmeverbindungsteil 296. Die konische Außenform des Einführverbindungsteils 292 und die konische Innenform des Aufnahmeverbindungsteils 296 lösen die Ausrichtung des Einführverbindungsteils 292 innerhalb des Aufnahmeverbindungsteils 296 aus. Die Einführscheitel-Eckenradien 370, 372 an den Einführflanken 340 bzw. 350 treten in Eingriff, nachdem das Aufnahmeverbindungsteil 292 mindestens die Hälfte bis zu Dreiviertel des Einführverbindungsteils 292 aufgenommen hat. Bei dieser Stufe berühren sich die Einführflanken 340, 350 gerade. Die Tiefe des Einführens kann durch die Verjüngung und Steigung der Gewinde reguliert werden. Das Ineingrifftreten der Einführscheitel-Eckenradien 370, 372 führt die Selbstausrichtung des Einführverbindungsteils 292 innerhalb des Aufnahmeverbindungsteils 296 weiter.
Der Eingriff und die Ausrichtung der Einführscheitel-Eckenradien 370, 372 verlagern das Einführverbindungsteil 292 innerhalb des Aufnahmeverbindungsteils 296 nach vorne, um den notwendigen Einführfreiraum bereitzustellen und es zu ermöglichen, dass die Gewinde an den Einführ- und Aufnahmeverbindungsteilen 292, 296 zu den Öffnungen der jeweiligen Anpassungsöffnungen 366 an den korrespondierenden Aufnahme- und Einführverbindungsteilen 292, 296 bewegt und in diesen aufgenommen werden. Die mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche 328 des radialen Aufnahmeabschlussendes 326 ist noch nicht mit der mit einem Radius versehenen konkaven Einführoberfläche 304 in Eingriff getreten und das Einführabschlussende 314 ist noch nicht mit der aufnehmenden ringförmigen Innenschulter 322 in Eingriff getreten.
Nach dem anfänglichen Einführen gleiten die Gewinde in die Gewindegründe an den Einführflanken, bis die Schultern in Eingriff treten. Bei dem Eingriff der Schultern verlagert zusätzliches Drehmoment den Eingriff der Gewinde von den Einführflanken zu den Lastflanken. Die Schultern und das zusätzliche Drehmoment treiben die Lastflanken aneinander. Das an den Lastflanken wirkende hohe Drehmoment ermöglicht das Anlegen einer hohen Spannung an das Gestänge.
Nach dem anfänglichen Kontakt der Einführscheitel-Eckenradien 370, 372 wird eines der rohrförmigen Bauteile 290, 294 mit Bezug auf das andere verdreht, wobei sich die Einführflanken 340, 342 in einen Eingriff bewegen. Eine Drehung mit sehr niedrigem Drehmoment bewegt die Gewinde der Einführ- und Aufnahmeverbindungsteile 292, 296 von der Einführposition zu der Führungsposition. Wenn dieses Drehmoment zugeführt wird, bewegt sich die Verbindung sowohl axial wie radial zusammen, wenn die Verbindung verschraubt wird. Während der anfänglichen Drehungen eines Bauteils mit Bezug auf das andere Bauteil bewegen sich die Gewinde zu den Mündern 366 der Gewindegründe 346, 356 hin und die Einführscheitel-Eckenradien 370, 372 führen die flachen Flanken 378, 380 an den Einführflanken 340, 350 in einen Eingriff. Die Führung durch die Einführscheitel-Eckenradien 370, 372 stoppt, nachdem eine ausreichende Anzahl an Drehungen erfolgt ist, wobei der Gewindedurchmesser einen erhöhten Abstand aufweist, der gleich zu der Absatzhöhe zwischen den benachbarten Gewinden ist. Die Scheitel 344, 354 sind nun von den sich anpassenden Nuten 366 der Gewindegründe 346, 356 aufgenommen worden. Anfänglich stehen nur die Einführflanken 340, 350 in Kontakt. Die Lastflanken 342, 352 weisen untereinander einen Freiraum auf.
Wenn eine zusätzliche Drehung auftritt, werden die Gewinde durch die flachen Flanken 378, 380 in die Gewindegründe 346, 356 geführt, wobei die Gewinde immer noch auf den Einführflanken 340, 350 gleiten. Das Einführverbindungsteil 292 dreht sich innerhalb des Aufnahmeverbindungsteils 296 frei, da sowohl in den Gewinden wie in den Schultern nur wenige oder gar keine störenden Oberflächen vorhanden sind. Diese relativ freie Drehung wird solange fortgeführt, bis die mit einem Radius versehene konvexe Aufnahmeoberfläche 328 mit der mit einem Radius versehenen konkaven Einführoberfläche 304 in Eingriff tritt und das radiale Einführabschlussende 314 mit der aufnehmenden ringförmigen Innenschulter 322 in Eingriff tritt. Dies ist die anfängliche Interferenz zwischen dem Einführverbindungsteil 292 und dem Aufnahmeverbindungsteil 296. Solange eine gewisse Interferenz vorliegt, kann der Verbindung kein Drehmoment zum Festziehen zugeführt werden.
Wenn die Schultern 326, 302 und 314, 322 in Eingriff getreten sind, beginnt sich die Last von den Einführflanken 340, 342 zu den Lastflanken 342, 352 hin zu verlagern. Dieses Verlagern wird ebenfalls durch die Gewindeinterferenz verursacht, die sich zwischen den Einführ- und den Aufnahmegewindesätzen 310, 320 entwickelt. Wenn der Kontakt von den Einführflanken 340, 350 zu den Lastflanken 342, 352 übertragen wird, beginnt sich das Drehmoment zu erhöhen, da ein Kontakt zwischen den Abschlussenden 328, 304 und 314, 322 des Einführteils 290 bzw. des Aufnahmeteils 294 sowie ein Kontakt zwischen den Lastflanken 342, 352 besteht.
Das Verlagern der Gewinde von dem Einführ-Flanken-Eingriff zu dem Last-Flanken-Eingriff führt zu einem Freiraum 400 zwischen den Einführflanken 340, 350. Somit muss ein Drehmoment zum Festziehen zugeführt werden, um das Drehverschrauben der Verbindungsteile 292, 296 fortführen zu können, wodurch wiederum eine Veränderung des Flankenkontakts von den Einführflanken 340, 350 zu den Lastflanken 342, 352 der Gewinde erzwungen wird. Mit anderen Worten ist ein Lastflankenkontakt erforderlich, um die interferierenden Einführ- und Aufnahmeverbindungsteile 292, 296 anzuziehen, d.h. mittels Drehmoment zusammenzubringen.
Wenn die Verbindung vollständig verschraubt ist, ist die mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche 328 vollständig von der mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche 304 aufgenommen und liegt an ihr an, um eine nicht-rutschende Verbindung 315 auszubilden, die eine mit einem Radius versehene Oberfläche aufweist, und das Abschlussende 314 steht an die ringförmige Schulter 322 an, um eine anstehende Schulterverbindung 325 auszubilden. Die mit Radien versehenen Oberflächen der Schulter 302 und des radialen Abschlussendes 326 treten in Eingriff, um ein Verrutschen während des Bohrens zu verhindern.
Beim abschließenden Verschrauben in der fest angezogenen Position stellt zusätzlich zugeführtes Drehmoment zum Verschrauben einen Sitz zwischen der mit einem Radius versehenen konvexen Aufnahmeoberfläche 328 und der mit einem Radius versehenen konkaven Einführoberfläche 304 her. Die Gewinde interferieren mit den komplementären aneinander liegenden Gewinden minimal, bis sie nahezu vollständig zusammengebaut sind. Wenn der Verbindung zusätzliches Drehmoment zugeführt wird, erhöhen sich die Interferenzkontaktflächen zwischen den Einführscheiteln 344 und den Aufnahmegewindegründen 356. Nachdem die mit einem Radius versehene Oberfläche 304 und die mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche 328 fest aneinander gezogen worden sind, treten der Aufnahmeteilgewindegrund 356 und der Einführteilscheitel 344 in Interferenzeingriff und der Einführteilgewindegrund 346 und der Aufnahmeteilscheitel 354 können in Abhängigkeit der Kombination von Wandstärke und Toleranzen der jeweiligen Verbindung in Interferenzeingriff treten. Je mehr Torsion angewendet wird, umso größer ist die Interferenz.
Die Schultern 314, 322 und 302, 326 der Verbindung nehmen die Kompression auf und die Gewindesätze 310, 320 der Verbindung nehmen die Spannung auf. Für diese Rohrart ist eine Abdichtung nicht relevant. Die wichtigsten Schwerpunkte bilden die Spannung und ein hohes Drehmoment.
Der negative Flankenwinkel 360 der Lastflanken 350, 352 verriegelt den Einführgewindesatz 310 und den Aufnahmegewindesatz 320 unter Spannung miteinander. Je größer daher die der Verbindung zugeführte Spannung ist, umso größer ist die Verriegelungswirkung zwischen den Lastflanken 350, 352 der Gewinde. Der negative Flankenwinkel verhindert nicht nur ein Auframpen, sondern erhöht auch die Drehmomentkapazität der Verbindung und eliminiert ein Auframpen, sodass keine Nachgiebigkeit und kein zu starkes Anziehen auftritt. Ebenfalls verhindern die maximierten und mit einem Radius versehenen Ecken der Gewinde die Ermüdung.
Der negative Flankenwinkel 360 und die Verriegelungsschultern 302, 328 der Erfindung verriegeln die Verbindung. Daher besteht für die Gewindesätze 310, 320 eine geringere Tendenz zu einem Trennen voneinander. Diese Merkmale bewirken es, dass die Gewinde zueinander verriegelt bleiben, wodurch das Problem der Nachgiebigkeit und des zu starken Anziehens reduziert wird. Darüber hinaus stehen die Lastflanken 350, 352 und der äußere Einführscheitel 344 sowie der Aufnahmegewindegrund 356 ebenfalls in einem Verriegelungseingriff, wodurch die Drehmomentkapazität der Verbindung erhöht wird.
Die flachen Gewindegründe 346, 356 und die Scheitel 344, 354 stellen aufgrund eines maximalen Verjüngungskonus-Oberflächenkontakts ein zusätzliches Drehmoment bereit, wenn die Gewinde verschraubt werden. Die flachen Gewindegründe 346, 356 und Scheitel 344, 354 verhindern ebenfalls ein Schwanken.
Das Gewindeprofil der vorliegenden Erfindung geht sämtliche kritische Elemente der Arbeitsumgebung und die Schwachpunkte der beim Stand der Technik bestehenden Gewindeentwürfe an. Das neue Gewindeprofil verhindert ein Auframpen, Schwanken und Ermüden der Verbindung und ermöglicht ein erhöhtes Drehmoment; am wichtigsten ist jedoch, dass die Lebensdauer des Rohrs erhöht wird.
Es sollte sich verstehen, dass die Verbindung der vorliegenden Erfindung mit anderen Gewindeprofilen verwendet werden kann. Weiterhin könnten die Verriegelungsschultern 320, 328 mit einem Standardgewinde benutzt werden.
Andere Gewindetypen, die bei der Verbindung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, beinhalten ein Standard 30°-V-Gewinde mit einem Radiusgewindegrund und einem Radiusscheitel, ein Gewinde mit einem 45°-Winkel an der Einführflanke und einem 30°-Winkel an der Lastflanke, oder ein Gewinde mit einer 3°- oder 4°-Umkehrwinkel-Lastflanke (eine Hakenlastflanke) und einer 7°-Einführflanke. Bei einem Typ einer Verbindung, die mehrfach verschraubt werden kann, ist es bevorzugt, dass die Gewinde eine steile Verjüngung aufweisen, die typischerweise bei 17 cm pro Meter (2 inch pro Fuß) beginnt. Mit einer steilen Verjüngung wird das Einführteil vor dem Eingriff der Gewinde tiefer in das Aufnahmeteil eingeführt, wodurch das Verschrauben weniger Zeit erfordert. Ebenfalls wird dadurch der Verschleiß an den Gewinden verringert.
Das Hakenlastgewinde ist, wenn die Verbindung verschraubt worden ist, die bei weitem bessere Verbindung, da es dazu tendiert, das Rutschen zwischen den Oberflächen der Schulter und dem radialen Abschlussende zu verhindern. Aufgrund der großen Anzahl an Ver- und Entkopplungen der Verbindung weist das Hakenlastgewinde jedoch keine so guten Verschleißeigenschaften wie das V-Gewinde auf.
Andere Gewindetypen können ebenfalls in der Verbindung verwendet werden. Es sollte sich verstehen, dass jeder Typ eines robusten Industriestandard-Schnellgewindes verwendbar ist. Die Verbindung kann ein quadratisches Gewinde, ein Hakenlastgewinde oder ein V-förmiges Gewinde benutzen. Andere Typen von in der Erfindung verwendbaren Gewindeprofilen beinhalten Sägezahn-, Acmetrapez-, Premium- und andere Gewindetypen. Die Gewinde werden typischerweise von dem Verbraucher bestimmt.
Nun auf 10 Bezug nehmend ist ein Bohrgestänge 278 dargestellt, das aus rohrförmigen Bauteilen 280, 282, 284 und 286 aufgebaut ist, welche die bevorzugte Verbindung der 6 und 7 der vorliegenden Erfindung aufweisen. Es sei darauf hingewiesen, dass sich die in den verschiedenen Figuren auftretenden Bezugszeichen auf gleiche Komponenten beziehen. Weiterhin sollte sich verstehen, dass obwohl die Verbindung der 6 und 7 in 10 illustriert ist, auch die Verbindung der 8 und 9 verwendet werden kann. Die rohrförmigen Bauteile 280, 282, 284 und 286 weisen an ihren jeweiligen Enden jeweils ein Einführverbindungsteil 192 und ein Aufnahmeverbindungsteil 196 auf und werden durch die Gewindeprofile 210, 222 miteinander verschraubt. Für jede Verbindung des Einführverbindungsteils 192 und des Aufnahmeverbindungsteils 196 wird ein Vorsprung 228 mit einer mit einem Radius versehenen konvexen Oberfläche an dem Aufnahmeverbindungsteil 196 in einer mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche 204 des Einführverbindungsteils 192 aufgenommen, um eine nicht-rutschende und mit einem Radius versehene Drehverbindung 215 auszubilden, und die anstehende Schulter 214 des Einführverbindungsteils 192 steht an die Schulter 220 des Aufnahmeverbindungsteils 196 an, um eine anstehende Schulterverbindung 225 auszubilden.
Nun auf die 11–16 Bezug nehmend sind die bevorzugte Gewinde für die Verbindung der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Die profilierten konkaven und konvexen mit Radien versehenen Oberflächen stellen eine viel größere Kontaktoberfläche als beim Stand der Technik vorliegende Oberflächen bereit. Da ein größerer Metall-zu-Metall-Kontakt besteht und die Menge des Metalls gesteigert wird, besteht für die beiden profilierten und mit Radien versehenen Oberflächen während eines zu starken Anziehens und zyklischen Biegens eine geringere Tendenz zu einem gegenseitigen Verrutschen. Die in Eingriff stehenden profilierten und mit Radien versehenen Oberflächen fungieren wie ineinander greifende Lagerflächen. Die mit einem Radius versehenen Schultern der Ausführungsformen der 6–10 tendieren zu keinem Sich-Verriegeln, sondern hindern die Schultern daran, aneinander nach hinten und nach vorne zu rutschen, wenn sich das Rohr biegt. Dies minimiert die Nachgiebigkeit des Abschlussendes des Aufnahmeverbindungsteils während der zyklischen Bewegung des Bohrgestänges.
Bei einem Verschrauben tritt zuerst das Abschlussende des Aufnahmeverbindungsteils mit der äußeren Schulter des Einführverbindungsteils in Eingriff und nach einer weiteren Bewegung in der Größenordnung von einigen Tausendsteln von 2,5 cm (1 inch) kommt das Abschlussende des Einführverbindungsteils beim vollständigen Verschrauben mit der inneren Schulter des Aufnahmeverbindungsteils in Eingriff. Somit ergeben das Abschlussende des Aufnahmeverbindungsteils und die äußere Schulter an dem Einführverbindungsteil ein vollständiges Verschrauben. Obgleich eine Interferenz besteht, ist sie nicht von demjenigen Typ, der z.B. bei einer Qualitätsverbindung für Ölfelder eine geplante Interferenz herstellt und wo zwecks Abdichtung des Fluiddrucks eine Metall-zu-Metall-Dichtung ausgebildet ist. Das Ziel, dass das Abschlussende des Aufnahmeverbindungsteils zuerst anliegt, besteht darin, von dem Einführverbindungsteil, das dazu tendiert das zuerst nachgebende Bauteil zu sein, etwas Druck abzuführen.
An die Verbindung der vorliegenden Erfindung wird ein erhöhtes Drehmoment angelegt, damit die Gewindeprofile auf geeignete Weise in Eingriff treten, um die zusammenwirkenden Schultern miteinander zu verbinden. Das bevorzugte Drehmoment hängt von der Größe der Verbindung ab. Zum Beispiel wird die vorliegende Erfindung typischerweise mit Rohrgrößen von 60,3 mm (2 3/8 inch) und größer verwendet. Eine Größe von 60,3 mm (2 3/8 inch) weist ein bevorzugtes Drehmoment von 3252 bis 3381 Nm (2400 bis 2500 Fuß-Pfund) auf.
Bei dem Bohrvorgang werden die Bohrgestänge mit einer großen Ablenkung in einem Bohrloch angeordnet. Zunächst sollte sich verstehen, dass die Anzahl an miteinander verbundenen rohrförmigen Bauteilen in die Tausende gehen kann. Somit sind die den verschiedenen Einführ- und Aufnahmeverbindungen zugeführten Kräfte sehr signifikant. Die Verbindung der vorliegenden Erfindung stellt sicher, dass die Gewindeprofile mit einander in Eingriff treten. Darüber hinaus werden die Knickkräfte durch das Ineinandergreifen der mit Radien versehenen Oberflächen und den ineinander greifenden Bundabschnitten und Schultern gesteuert. Zusätzlich können die rohrförmigen Bauteile anschließend dazu verwendet werden, einen Erweiterungsbohrer zurück durch das Bohrloch zu ziehen. Die rohrförmigen Bauteile können mehrfach verwendet werden.
Die Verbindung der vorliegenden Erfindung löst die beim Stand der Technik bestehenden Probleme und Nachteile, indem eine einzige mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche an dem Einführverbindungsteil angeordnet wird, indem eine einzige mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche an dem Aufnahmeteil angeordnet wird oder indem eine mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche sowohl an den Aufnahme- wie an den Einführverbindungsteilen vorgesehen wird. Die ineinander greifenden und mit einem Radius versehene Schultern halten die Einführ- oder Aufnahmeverbindungsteile im Unterschied zu Verbindungen vom Stand der Technik davon ab, sich zu dehnen. Die mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche ist für ein Zusammenwirken mit der mit einem Radius versehenen konkaven Oberfläche ausgelegt, was wiederum einen größeren Metall-zu-Metall-Kontakt zwischen den beiden rohrförmigen Bauteilen und dadurch mehr Metall zur Stärkung der Verbindung herstellt, wodurch ein Aufweiten des Aufnahmeteils verhindert wird. Darüber hinaus werden die Gewindeprofile auf geeignete Weise in einem Eingriff miteinander gehalten, wodurch das Schwanken, das in Verbindungen vom Stand der Technik auftritt, vermieden wird. Weiterhin werden, selbst wenn sich das Abschlussende des Aufnahmeverbindungsteils erweitert, die Gewindeprofile in einem Eingriff gehalten. Dies ermöglicht eine mehrfache Verwendung und vermeidet einen Ausfall des Einführverbindungsteils, während das Bohrgestänge in Verwendung ist.
Es können Änderungen und Modifikationen von den spezifisch beschriebenen Ausführungsformen erfolgen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, welcher beabsichtigter Weise lediglich durch den Rahmen der beiliegenden Ansprüche bestimmt wird.

Claims

Rohrförmiges Bohrgestänge versehen mit: einem ersten Rohr und einem zweiten Rohr mit Innendurchmessern (12, 200, 42, 218) und Außendurchmessern (10, 198, 28, 216), wobei ein Einführende an dem ersten Rohr eine erste Schulter (15, 202, 302), erste Gewinde mit negativen Lastflanken (350) und positiven Einführflanken (340), sowie ein erstes radiales Ende (24, 214, 314) aufweist, wobei die erste Schulter einen ersten Bund (14, 206) und eine erste Nut (16, 204, 304) mit einer ersten Oberfläche aufweist; wobei ein Aufnahmeende an dem zweiten Rohr ein zweites radiales Ende (35, 226, 326), zweite Gewinde mit negativen Lastflanken (352) und positiven Einführflanken (342) für einen Schraubeingriff mit den ersten Gewinden, sowie eine zweite Schulter (40, 220, 322) aufweist, wobei das zweite radiale Ende einen zweiten Bund (30) und ein zweites vorstehendes Teil (32, 228, 328) aufweist, wobei eine an dem Aufnahmeende des zweiten Rohrs angeordnete zweite Oberfläche von der ersten Nut an dem Einführende aufgenommen wird, wenn eine Verbindung hergestellt wird; wobei die erste und die zweite Oberfläche Radien aufweisen, um den Oberflächenkontakt zwischen dem Einführende und dem Aufnahmeende zu vergrößern, wenn beim Verschrauben ein Drehmoment aufgebracht wird; und wobei im verschraubten Zustand das erste radiale Ende gegen die zweite Schulter ansteht.
Rohrförmiges Bohrgestänge gemäß Anspruch 1, bei welchem der erste und der zweite Bund (14, 206, 30) im verschraubten Zustand gegeneinander anstehen.
Rohrförmiges Bohrgestänge gemäß Anspruch 2, bei welchem die zweite Schulter (40, 220, 322) einen dritten Bund und eine zweite Nut mit einer dritten Oberfläche aufweist und das erste radiale Ende einen vierten Bund und ein erstes vorstehendes Bauteil mit einer vierten Oberfläche aufweist, wobei die dritte und die vierte Oberfläche Radien aufweisen, um den Oberflächenkontakt zwischen dem Einführende und dem Aufnahmeende zu vergrößern, wenn beim Verschrauben Drehmoment aufgebracht wird.
Rohrförmiges Bohrgestänge gemäß Anspruch 3, bei welchem der dritte und der vierte Bund im verschraubten Zustand gegeneinander anstehen.
Verbindung versehen mit: einem Einführverbindungsteil (6, 60, 110, 192, 232, 292) mit sich verjüngenden Außengewinden mit negativen Lastflanken und positiven Einführflanken; einem Aufnahmeverbindungsteil (8, 78, 128, 186, 236, 296) mit sich verjüngenden Innengewinden mit negativen Lastflanken und positiven Einführflanken; dadurch gekennzeichnet, dass das Einführverbindungsteil ein Abschlussende (24, 75, 125, 214, 254, 314) und eine Schulter (15, 65, 114, 202, 242, 302) aufweist, wobei das Abschlussende des Einführverbindungsteils und/oder die Schulter des Einführverbindungsteils eine mit einem Radius versehene Oberfläche (16, 74, 66, 122, 204, 256, 304) aufweist; das Aufnahmeverbindungsteil ein Abschlussende (35, 85, 132, 226, 272, 326) und eine Schulter (40, 95, 145, 220, 262, 322) aufweist, wobei das Abschlussende des Aufnahmeverbindungsteils und/oder die Schulter des Aufnahmeverbindungsteils eine mit einem Radius versehene Oberfläche (32, 86, 96, 142, 228, 274, 328) aufweist; und beim Verschrauben die mit einem Radius versehene(n) Oberfläche(n) des Abschlussendes und/oder der Schulter des Einführverbinders mit der (den) mit einem Radius versehenen Oberfläche(n) der Schulter und/oder des Abschlussendes des Aufnahmeverbindungsteils in Eingriff tritt.
Verbindung gemäß Anspruch 5, bei welcher die mit einem Radius versehene Oberfläche (16, 74, 66, 122, 204, 256, 304, 32, 86, 96, 142, 228, 274, 328) konkav oder konvex ist.
Verbindung gemäß Anspruch 6, bei welcher die mit einem Radius versehene konvexe Oberfläche durch einen Vorsprung (32, 74, 86, 122, 228, 256, 274, 328) gebildet ist und die mit einem Radius versehene konkave Oberfläche von einer Nut gebildet wird (16, 66, 96, 142, 146, 204, 244, 264).
Rohrförmiges Bohrgestänge oder Verbindung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem/welcher der Winkel (360) der positiven Flanke größer ist als der Winkel (362) der negativen Flanke (362).
Rohrförmiges Bohrgestänge oder Verbindung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem/welcher der Winkel (362) der negativen Flanke näherungsweise 15° beträgt und der Winkel (360) der positiven Flanke näherungsweise 20° beträgt.
Rohrförmiges Bohrgestänge oder Verbindung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, ferner versehen mit einem Freiraum (392) von mindestens 0,15 mm (0,006 inch) zwischen den Lastflanken (350) nach dem Einführen des Einführverbindungsteils in das Aufnahmeverbindungsteil.
Rohrförmiges Bohrgestänge oder Verbindung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem/welcher ferner die Lastflanken (350, 352) eine kontinuierliche Radien bildende S-Form aufweisen.
Verfahren zum Herstellen einer Rohrverbindung, bei welchem: ein ein Gewinde aufweisendes Einführteil (292) in ein ein Gewinde aufweisendes Aufnahmeteil (296) eingeführt wird; Eckenradien (370, 372, 374, 376) der Einführflanken der Einführ- und Aufnahmegewinde miteinander in Eingriff gebracht werden; zwischen den Gewinden ein Freiraum (392, 400) gebildet wird; das Einführteil und das Aufnahmeteil mit Bezug zueinander verdreht werden, wobei die Gewinde an dem Einführ- und dem Aufnahmeteil in Aufnahmenuten an dem Aufnahme- bzw. Einführteil geführt werden; mit Radien versehene Oberflächen (328, 304) an einem Ende des Aufnahmeteils (326) und einer Basis (302) des Einführteils miteinander in Eingriff gebracht werden; Last von den Einführflanken (340, 342) auf die Lastflanken (350, 352) an den Gewinden verlagert wird; und die mit Radien versehenen Oberflächen (328, 304) gegeneinander verriegelt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei welchem ferner das Einführteil (292) innerhalb des Aufnahmeteils (296) zentriert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei welchem das Einführteil (292) mindestens zur Hälfte in das Aufnahmeteil (296) eingeführt wird, bevor die Eckradien (370, 372, 374, 376) miteinander in Eingriff treten.
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei welchem die Einführflanken (340, 342) in Eingriff treten und die Lastflanken (350, 352) nicht in Eingriff treten, wenn die Gewinde in die Nuten geführt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei welchem der Eingriff der mit Radien versehenen Oberflächen (328, 304) bewirkt, dass die Last von den Einführflanken (340, 342) auf die Lastflanken (350, 352) verlagert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei welchem eine Verriegelungsschulter zwischen der Basis des Einführteils (302) und dem Ende des Aufnahmeteils (326) ausgebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei welchem ferner das Ende (312) des Einführteils und die Basis (322) des Aufnahmeteils miteinander in Eingriff treten, um eine Verriegelungsschulter zu bilden.
Verfahren zum Bohren eines Bohrlochs, bei welchem: eine Mehrzahl rohrförmiger Bauteile (180, 182, 184, 186, 280, 282, 284, 286) zu einem Bohrgestänge (150, 278) verbunden werden, wobei jedes der Bauteile ein mit einem Gewinde versehenes Einführverbindungsteil (60, 192) und ein mit einem Gewinde versehenes Aufnahmeverbindungsteil (78, 196) aufweist; die Gewinde benachbarter Einführ- und Aufnahmeverbindungsteile miteinander in Eingriff gebracht werden, um benachbarte rohrförmige Bauteile miteinander zu verbinden; mindestens ein Satz von Verriegelungsschultern (65, 202, 95, 220) an dem Einführverbindungsteil und dem Aufnahmeverbindungsteil an jeder Verbindung miteinander in Eingriff gebracht werden; Hakenlastflanken an den Gewinden der Einführ- und Aufnahmeverbindungsteile miteinander in Eingriff gebracht werden; das Bohrgestänge gedreht und angetrieben wird, um das Bohrloch zu bohren; Kompression an dem Bohrgestänge an den Verriegelungsschultern absorbiert wird, wenn das Bohrgestänge in das Bohrloch getrieben wird; die Verbindungen zyklisch gebogen werden, wenn das Bohrgestänge gewundene Bereiche des Bohrlochs passiert; der Eingriff der Verriegelungsschultern und Lastflanken während dem zyklischen Biegen aufrecht erhalten wird; an dem Bohrgestänge ein Erweiterungsbohrer befestigt wird; der Erweiterungsbohrer an dem Bohrgestänge durch das Bohrloch zurück gezogen wird; und Spannung an dem Bohrgestänge an den Lastflanken absorbiert wird, wenn der Erweiterungsbohrer durch das Bohrloch zurückgezogen wird.