專利名稱：旋轉(zhuǎn)鉆柱連接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)鉆柱的連接頭。
本發(fā)明還涉及可用螺紋連接起來的管子或管道的連接頭。這樣的管道或管子應(yīng)包括在術(shù)語“旋轉(zhuǎn)鉆柱”內(nèi)。
本發(fā)明還涉及適用于這種連接頭的螺紋牙形。
旋轉(zhuǎn)鉆桿的部件在使用期限內(nèi)要裝拆多達1000-1500次。
據(jù)知在陽螺紋與陰螺紋連接件的各自的環(huán)形支承面之間放一塊墊片，承受各螺紋連接部分的全部磨損。
由于此連接接頭必須能傳遞很大的轉(zhuǎn)矩，所以在松開結(jié)合在一起的陽螺紋與陰螺紋連接件時常有很大困難，這是由于兩螺紋部分相應(yīng)的螺紋之間大的摩擦接觸，這已是常識。
本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，摩擦力大是由傳統(tǒng)連接頭中常用的6″(152.4mm)BECO螺紋的導(dǎo)角小造成的。
本發(fā)明的一個目的是在旋轉(zhuǎn)鉆柱的陽螺紋與陰螺紋連接件之間提供一個環(huán)(或環(huán)形件)，此環(huán)(或環(huán)形件)比連接件有較低的摩擦系數(shù)。
本發(fā)明的一個優(yōu)選目的是在至少一個環(huán)形支承面中提供一個環(huán)形凹槽，以便安放環(huán)并將其定位。
本發(fā)明又一優(yōu)選目的是為旋轉(zhuǎn)鉆柱提供包括上述的環(huán)的連接頭。
本發(fā)明還有一優(yōu)選目的是為連接頭提供多線螺紋，以便增加螺紋的導(dǎo)角，如增加100％。
本發(fā)明還有一優(yōu)選目的是增加陽螺紋端連接頭及陰螺紋端的螺紋與支承面的硬度。
其他優(yōu)選目的可從以下說明中明了。
本發(fā)明一方面在于上述的旋轉(zhuǎn)鉆柱的陽螺紋連接件和陰螺紋連接件的連接頭，其中有較低摩擦系數(shù)的環(huán)或環(huán)形件插入或放在陽螺紋和陰螺紋連接件的環(huán)形支承面之間。
最好在至少一個環(huán)形支承面中有一環(huán)形凹槽，以便放置并定位該環(huán)。
本發(fā)明第二方面在于(上述的)旋轉(zhuǎn)鉆柱的插入摩擦系數(shù)低的放在陽螺紋和陰螺紋連接件之間的環(huán)或環(huán)形件的連接頭。
環(huán)或環(huán)形件最好接合或放置在至少一個環(huán)形支承面的環(huán)形凹槽中。
陰螺紋端連接平面及/或連接件的連接平面最好用感應(yīng)淬火工藝淬火。該平面淬火深度為0.3至0.5mm。
本發(fā)明第三方面在于旋轉(zhuǎn)鉆柱陽螺紋連接件與陰螺紋連接件的連接頭，其中各連接件具有多線螺紋且導(dǎo)角較大。
連接件的螺紋與支承面最好用例如熱處理辦法來提高硬度。
本發(fā)明第四方面在于旋轉(zhuǎn)鉆柱的陽螺紋連接件和陰螺紋連接件的連接頭，它包括第一方面的環(huán)或環(huán)形件以及第三方面的多線螺紋。
圖3是具有本發(fā)明陽螺紋連接件的連接組件的側(cè)向剖視圖，連接件具有本發(fā)明的螺紋；圖4是環(huán)的側(cè)向剖視圖；圖5是圖4中細部5的放大圖；圖6是一示意圖，示出螺紋導(dǎo)角度量方法；圖7-9分別是陽螺紋連接頭(或陽螺紋端)的立體圖、端視圖及側(cè)視圖；

圖10-12分別是陰螺紋連接頭(或陰螺紋端)的立體圖，端視圖和側(cè)向剖視圖；圖13是陽螺紋端及陰螺紋端的螺紋牙形的放大側(cè)向剖視圖；圖14-17的四個備選的陽螺紋端及陰螺紋端的多線螺紋的側(cè)向剖視圖；及圖18是表面感應(yīng)淬火的陰螺紋端的側(cè)向剖視圖。
(注意圖中的尺寸和角度只是說明性的，并不對本發(fā)明范圍構(gòu)成限制)。
上接頭11連接適合的轉(zhuǎn)盤(未示)，鉆頭(未示)可連接鉆頭接頭(或扶正器)13。
陰螺紋連接件130(見圖2)有一錐螺紋內(nèi)孔131(構(gòu)成可放置配對的陽螺紋連接件120的套口)，螺紋孔131的遠端端接一環(huán)形支承面132，此環(huán)形支撐面位于陰螺紋連接件的端部。
參看圖3，在鉆柱部件末端，陰螺紋連接件120有一錐螺紋部分121，在其端部與頂部或前緣123相對處有一環(huán)形支承面122。
當(dāng)傳統(tǒng)的陽螺紋與陰螺紋連接件用螺紋嚙合時，各環(huán)形支承面(即支承面122、132)接合(或被一鋼墊片隔開，未示)，從而使轉(zhuǎn)矩能從一個鉆柱部件傳遞到另一個。如前述，支承面之間產(chǎn)生很高摩擦力，這使傳統(tǒng)的陽螺紋與陰螺紋連接件拆開十分困難(如果不是不可能的話)。
如圖3所示，本發(fā)明的陽螺紋連接件120有一扭矩減輕環(huán)124，它放置在環(huán)形支承面122的環(huán)形凹槽125中，扭矩減輕環(huán)124比環(huán)形支承面122伸出2mm(此時扭矩減輕環(huán)的厚度可為4mm)。
參看圖2，本發(fā)明的陰螺紋連接件130在其環(huán)形支承面132的凹槽135中放置一扭矩減輕環(huán)134并凸出環(huán)形支承面132。
陽螺紋連接件120可與傳統(tǒng)的陰螺紋連接件一起使用，也可與改進的陰螺紋連接件130一起使用；而陰螺紋連接件130可與傳統(tǒng)的陽螺紋連接件或改進的陰螺紋連接件120一起使用。
在圖4、5中詳示的扭矩減輕環(huán)124、134提供低摩擦的表面，降低拆開連接件所需的扭矩。環(huán)124、134可用不同材料制造，以適合不同用途，包括黑色金屬及其合金，如AISI4140滲氮鋼；有色金屬及其合金，如HTBI青銅，及/或非金屬材料，如塑料，橡膠或復(fù)合材料，或上述二種或二種以上材料的組合。
凹槽125、135及低摩擦系數(shù)的(扭矩減輕)環(huán)124、134使用的具體目的是能比目前在多程旋轉(zhuǎn)鉆柱產(chǎn)生的連接件拆開力矩小些。
凹槽125、135可用作三種用途第一，當(dāng)在裝拆過程中有垂直于鉆柱軸線的力作用于環(huán)124、134上時使環(huán)在徑向定位；第二，當(dāng)環(huán)124、134受到載荷作用時保持環(huán)的形狀不變，因為環(huán)的一部分嵌入剛性凹槽中，環(huán)的材料(特別是塑料環(huán))不會受壓而改變形狀；第三，將環(huán)保持在連接頭特定側(cè)面，因而不會向上滑移或從下一個連接位置向外移動。
當(dāng)連接頭經(jīng)常裝拆時不能簡單地將薄的平墊片(尤其是非金屬材料)放置在環(huán)形支承面之間來使用，因為(a)墊片會因側(cè)向力而裂開，及(b)粘上螺紋上的油脂而離開原位。
本發(fā)明人已證實，陽螺紋及陰螺紋連接件120、130(即陽螺紋端120及陰螺紋端130)如果是多線螺紋且其導(dǎo)角比傳統(tǒng)的BECO螺紋的導(dǎo)角大，則比較容易連結(jié)。
導(dǎo)角是一邊放在螺紋中徑上而另一邊是螺紋螺矩的一半的直角三角形所形成的角度。如為錐螺紋，則從陽螺紋面量2.54cm(＝1″)。
螺紋導(dǎo)角α由下式定義(見圖6)。
導(dǎo)角α＝(×螺距/中徑)tan-1
例如，6″BECO螺紋的中徑為25.4，陽螺紋工作面＝152.4mm(＝6″)，螺距為12.7mm(＝0.5″)。
∴導(dǎo)角α＝(×12.7/152.4)tan-1＝2.39°傳統(tǒng)BECO螺紋的典型導(dǎo)角如下3″4.75°34.08°4″3.58°4″ 3.18°51/4″ 3.18°6″2.39°8″1.79°如圖7-13所示，陽螺紋連接頭(或陽螺紋端)120及陰螺紋連接頭(或陰螺紋端)130有多線的，特別是2線的螺紋140、150，其導(dǎo)角分別為等直徑的BECO螺紋導(dǎo)角的二倍，如直徑BECO螺紋的導(dǎo)角本發(fā)明的導(dǎo)角6″ 2.39° 4.76°8″ 1.79° 3.58°參看圖14-17，示出陽螺紋端(或陽螺紋連接頭)120a-d及陰螺紋端(或陰螺紋連接頭)130a-d備選的二線螺紋。注意本發(fā)明不局限于圖中所示的特定尺寸/角度。在圖14-17中的螺紋實施例中，各螺紋均有截頭圓錐形螺牙及半圓形根部，螺紋的前工作面和背面與垂直于螺紋軸線的平面的夾角都是30°。
螺紋導(dǎo)角α比標(biāo)準(zhǔn)的6″和8″BECO螺紋的導(dǎo)角大，確實，是其二倍(如α＝4.76°和4.58°，而BECO螺紋是2.39°和1.79°)。這樣降低支承面125，135上的壓力，因而也降低扭矩減輕環(huán)124，134上的載荷。這樣降低環(huán)的磨損率，延長其使用壽命及/或使“較軟的”環(huán)可以應(yīng)用(如用HTB1青銅替代AISI4140滲氮鋼)。
多線螺紋較大的導(dǎo)角也可降低連結(jié)連接頭所需力矩值。
螺紋工作性能還可通過增加其硬度得到進一步改善，包括諸如滲氮，表面淬火，穿透淬火等熱處理。增加硬度可增加連接頭裝拆次數(shù)，因為這時螺紋表面較硬。
本發(fā)明人已對上述平面環(huán)應(yīng)用與6″及4″BECO陽螺紋端連接進行跟蹤。這些平面板用表面淬火鋼制造，經(jīng)過機械加工，表面淬火及表面拋光。特別是用上述二線螺紋(圖14-17)后，螺紋咬住事故大為降低。但平面環(huán)仍有事故，因為其較軟的陰螺紋端連接平面與油脂中的金屬顆粒接觸。如圖18所示，該問題的解決辦法是應(yīng)用叫做感應(yīng)淬火工藝使陰螺紋端連接平面200硬化。感應(yīng)淬火工藝需將高溫電極穿過連接螺母，將其加熱到這樣的溫度，致使電極過后噴水使材料淬火。淬火深度0.3-0.5mm，表面硬度受淬火溫度、鉆桿陰螺紋端端面及急冷度的影響。如果陰螺紋端端面淬火硬度與平面環(huán)一樣，則這兩平面在工作過程保持光滑，因而螺紋咬住的機會減少。
將扭矩減輕環(huán)與多線螺紋結(jié)合就可明顯降低拆開連接頭所需扭矩。
有經(jīng)驗的受件人懂得，本發(fā)明提供一相對簡單又很有效的辦法來解決轉(zhuǎn)盤鉆井工業(yè)中鉆井操作時擰緊鉆柱以致鉆頭扳手不能將部件松開的問題。
可以對所示和說明過的實施例作各種更改和修改但仍不脫離本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.轉(zhuǎn)鉆柱的連接組件，包括一陽螺紋連接件或陽螺紋端，及一相配的陰螺紋連接件或陰螺紋端，可將旋轉(zhuǎn)鉆柱的相鄰部件連結(jié)在一起；陽螺紋連接件有一錐螺紋的遠端部分，由一環(huán)形支承面端接；陰螺紋連接件，即陰螺紋端，有一錐螺紋內(nèi)孔或插孔，此陰螺紋連接件的遠端端接一環(huán)形支承面，可與陽螺紋連接件的環(huán)形支承面接合，其中一低摩擦系數(shù)的環(huán)或環(huán)形件插入或放置在陽螺紋與陰螺紋連接件的環(huán)形支承面之間，以降低拆開該連接組件所需力矩。
2.如權(quán)利要求1所述的連接組件，其中環(huán)或環(huán)形件接合或放置在至少一個環(huán)形支承面的環(huán)形凹槽中。
3.如權(quán)利要求1所述的連接組件，其中各環(huán)或環(huán)形件接合或放置在相應(yīng)環(huán)形支承面中各自的環(huán)形凹槽中。
4.如權(quán)利要求2或3所述的連接組件，其中一個或二個環(huán)的接觸面比環(huán)形支承面高出1-2mm。
5.如權(quán)利要求2-4中任一項所述的連接組件，其中環(huán)是用黑色金屬或其合金，有色金屬及/或非金屬材料制造的。
6.如權(quán)利要求5所述的連接組件，其中環(huán)是用AISI440滲氮鋼，HTBI青銅，塑料或以上二種或二種以上材料的組合制成的。
7.如權(quán)利要求1-6任一項所述的連接組件，其中沒有環(huán)或環(huán)形件時，陽螺紋連接件或陰螺紋連接件的環(huán)形支承面作感應(yīng)淬火，淬火深度為0.3-0.5mm。
8.如權(quán)利要求1-7任一項所述的連接組件，其中帶螺紋的遠端部分，帶螺紋的孔，及陽螺紋與陰螺紋連接件的環(huán)形支承面都用熱處理淬火。
9.如權(quán)利要求1-8任一項所述的連接組件，其中帶螺紋的遠端部分及帶螺紋的孔具有相配的螺紋牙形，其導(dǎo)角(上面定義)大于相同直徑的BECO連接件的導(dǎo)角。
10.如權(quán)利要求9所述的連接組件，其中導(dǎo)角是相同直徑BECO連接件導(dǎo)角的二倍。
11.如權(quán)利要求10所述的連接組件，其中導(dǎo)角范圍為是3.58°-4.76°。
12.如權(quán)利要求9-11任一項所述的連接組件，其中螺紋牙形是二線螺紋牙形。
13.如權(quán)利要求12所述的連接組件，其中二線螺紋牙形的各條螺紋，具有截頭圓錐螺紋牙及半圓形根部，螺紋的前工作面和背面與垂直于螺紋軸線平面的夾角均為30°。
14.如權(quán)利要求1-13任一項中所述的連接組件的陽螺紋連接件和陰螺紋連接件。
全文摘要
鉆柱(10)的陽螺紋及陰螺紋連接件(120，130)具有支承面(122，132)，并裝有低摩擦的扭矩減輕環(huán)(124，135)，以及多線螺紋(140，150)，加上導(dǎo)角α比傳統(tǒng)連接螺紋的導(dǎo)角大，使連接件(120，130)拆開力矩可以減小。
文檔編號E21B17/02GK1441873SQ01812832
公開日2003年9月10日 申請日期2001年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月21日
發(fā)明者T·A·哈伊內(nèi)什 申請人:T·A·哈伊內(nèi)什