Средство для соединения буровых штанг

1 Изобретение относится к средству для соединения буровых штанг, согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения. Соответствующее уровню техники средство для соединения буровых штанг известно изWO96/03605. Оно состоит из цапфы, которая имеет расположенный между наружным уступом и торцевой поверхностью цапфы конусный участок с наружной резьбой и расположенный между наружным уступом и участком с наружной резьбой, а также между участком с наружной резьбой и торцевой поверхностью цапфы участок без резьбы, и выполненную с возможностью резьбового соединения с цапфой муфту,которая имеет расположенный между внутренним уступом и торцевой поверхностью муфты конусный участок с внутренней резьбой и расположенный между внутренним уступом и участком с внутренней резьбой, а также между участком с внутренней резьбой и торцевой поверхностью муфты безрезьбовой участок, при этом в свинченном состоянии противоположно лежащие друг другу безрезьбовые участки в зоне наружного уступа длиннее, чем лежащие в зоне внутреннего уступа безрезьбовые участки цапфы и муфты. Входящий при свинчивании в контакт с торцевой поверхностью муфты наружный уступ образует первичный уступ. Возникающие при свинчивании в первичном уступе осевые силы больше, чем возникающие на внутреннем уступе силы. При этом свинчивание осуществляется, по меньшей мере, с 50%, предпочтительно с 60% предела текучести при растяжении соединителя буровых штанг. Наружный диаметр муфты в зоне безрезьбового участка уменьшен по сравнению с остальной муфтой. Это уменьшение поперечного сечения обеспечивает необходимое совместное осаживание безрезьбового участка по отношению к удлинению безрезьбового участка цапфы,когда активируется первичный уступ. Известный соединитель буровых штанг имеет тот недостаток, что при свинчивании и использовании возникающих напряжений учитываются исключительно только осевые напряжения, так что деталь нельзя использовать полностью. Момент свинчивания мал, так что существует опасность рассоединения стыкующихся поверхностей. Такое рассоединение уменьшает стойкость к знакопеременным нагрузкам и может приводить к усталостному разрушению. Похожий соединитель буровых штанг раскрыт в DE 32 45 819 B1. Он имеет те же признаки, что и описанный выше соединитель буровых штанг, при этом и в этой конструкции наружный уступ образует первичный уступ, который при свинчивании активируется первым. Длина лежащего в зоне наружного уступа безрезьбового участка также больше, чем длина лежащего в зоне внутреннего уступа безрезьбового участка. Кроме того, предлагается выбирать расстояние от торцевой поверхности муфты до внутреннего 2 уступа больше, чем расстояние от торцевой поверхности цапфы до наружного уступа. За счет этого образуется зазор, когда при свинчивании вручную торцевая поверхность муфты прилегает к наружному уступу. К этой конструкции также относится указанное выше в отношении только частичного учета общего соотношения напряжений, за счет чего деталь нельзя использовать полностью. Задачей изобретения является создание средства для соединения буровых штанг, которое по сравнению с известными вариантами выполнения может передавать значительно больший вращающий момент при одинаковых соотношениях размеров, т.е. при отношении наружного диаметра к внутреннему диаметру как в известных соединителях буровых штанг,или сравнительно одинаковый вращающий момент при меньших соотношениях размеров, т.е. при меньшем отношении наружного диаметра к внутреннему диаметру. Эта задача решена, исходя из ограничительной части в соединении с отличительными признаками п.1 формулы изобретения. Предпочтительные модификации следуют из зависимых пунктов формулы изобретения. Основная идея изобретения заключается в том, что в противоположность известным вариантам выполнения в конструкции, согласно изобретению, внутренний уступ образует первичный уступ и находящиеся в зоне внутреннего уступа безрезьбовые участки, по меньшей мере,в два раза, предпочтительно в три раза длиннее,чем безрезьбовые участки, находящиеся в зоне наружного уступа. Такое расположение имеет то преимущество, что за счет длинного безрезьбового участка цапфы можно лучше компенсировать допуски соединителя буровых штанг, и что при лежащем у внутреннего уступа первичном уступе из-за более низких сравнительных напряжений могут выдерживаться большие силы. Это происходит даже в том случае, когда наружная поверхность стыка больше внутренней поверхности стыка. Таким образом, можно оптимально использовать наружный и внутренний уступ. За счет предварительной нагрузки внутреннего уступа образуется определенная остаточная составляющая сил для наружного уступа, которую можно оптимизировать с учетом производственных допусков, и обеспечить более высокую загрузку, по сравнению с известными, внутреннего и наружного уступов. Это приводит в целом к более высокому допустимому моменту свинчивания или рабочему вращающему моменту. Расстояние от торцевой поверхности цапфы до наружного уступа выбирается больше,чем расстояние от торцевой поверхности муфты до внутреннего уступа. Это справедливо без учета допусков. При этом длинный, тонкий скос цапфы используется как мягкий пружинный ход 3 для предварительной нагрузки соединителя буровых штанг. В зависимости от допусков длины внутренний и наружный уступы загружаются по разному, однако нагрузка не превышает 90% предела текучести при растяжении. За счет взаимодействия внутреннего и наружного уступов момент кручения достигает примерно 80% предела текучести. Для уменьшения общего напряжения дополнительно предлагается при сохранении грубой стандартной резьбы выбирать для участков с наружной и внутренней резьбой цапфы, соответственно, муфты более крутой угол между 15 и 20 для нагружаемой боковой поверхности вместо 30, согласно API (Американский нефтяной институт). При угле, например, 18 проходящая в радиальном направлении составляющая осевой силы уменьшается почти на половину. За счет этого увеличивается также 45 градусная поверхность среза. Тем самым общие напряжения становятся более благоприятными и деталь можно сильнее нагружать. Дальнейшее улучшение обеспечивается за счет того, что одна часть моментов воспринимается целевым перекрытием в зоне резьбы вблизи внутреннего уступа. Это можно осуществить предпочтительно за счет различной крутизны конусов участков с резьбой. При этом крутизна наклона конуса муфты больше крутизны наклона конуса цапфы. Различие крутизны наклона конусов находится в диапазоне 0,03-0,3 мм/дюйм. За счет перекрытия резьбы разгружается внутренний уступ, так что можно дополнительно увеличить момент свинчивания. Другое улучшение конструкции касается износа наружного диаметра муфты. Для этого предлагается выполнить на наружной поверхности муфты от торцевой поверхности до примерно 3 шага резьбы проточку. За счет этого обеспечивается то, что даже при износе наружного диаметра муфты критические поперечные сечения и тем самым соотношения напряжений остаются постоянными. Как только первые признаки износа появляются также в зоне проточки муфты, необходимо заменить средство для соединения буровых штанг или при возможности регенерировать. Предложенная конструкция позволяет передавать сравнительно одинаковый вращающий момент при меньших соотношениях размеров,т.е. при меньшем отношении наружного диаметра к внутреннему диаметру. Меньшее отношение наружного к внутреннему диаметру, т.е. больший просвет в свету и/или соответственно увеличенное кольцевое пространство снаружи благоприятно, с одной стороны, для минимизации потерь давления внутри буровой скважины,и с другой стороны, для беспрепятственного прохождения промывочного бурового раствора вместе с буровой мелочью в наружном кольцевом пространстве. 4 Ниже приводится описание примера выполнения средства для соединения буровых штанг, согласно изобретению, со ссылками на чертежи, на которых изображено фиг. la - продольный разрез половины муфты, согласно изобретению; фиг. 1b - продольный разрез половины цапфы, согласно изобретению; фиг. 2 - форма резьбы, согласно изобретению, в увеличенном масштабе; фиг. 3 - продольный разрез варианта выполнения половины муфты. На фиг. 1 а показан продольный разрез половины муфты, выполненной согласно изобретению, а на фиг. 1b - цапфы 2, выполненной согласно изобретению. Муфта 1 имеет конусный участок 5 с внутренней резьбой, расположенный между внутренним уступом 3 и торцевой поверхностью 4 муфты. Между началом участка 5 с внутренней резьбой и торцевой поверхностью 4 муфты расположен конусный безрезьбовой участок 6. Второй выполненный цилиндрическим безрезьбовой участок 7 находится между концом участка 5 с внутренней резьбой и внутренним уступом 3. Наружный диаметр муфты 1 обозначен стрелкой 8. Выполненная с возможностью свинчивания с муфтой 1 цапфа 2, согласно изобретению, имеет участок 11 с наружной резьбой, лежащий между наружным уступом 9 и торцевой поверхностью 10 цапфы. Между концом участка 11 с наружной резьбой и наружным уступом 9 находится выполненный цилиндрическим безрезьбовой участок 12, и второй, выполненный также цилиндрическим, безрезьбовой участок 13 находится между началом участка 11 с наружной резьбой и торцевой поверхностью 10 цапфы. Согласно изобретению, внутренний уступ 3 образует первичный уступ, который после свинчивания вручную активируется первым. Это достигается тем, что расстояние 14 между торцевой поверхностью 10 цапфы и наружным уступом 9 больше, чем расстояние 15 между внутренним уступом 3 и торцевой поверхностью 4 муфты. Другим существенным отличием средства для соединения буровых штанг, согласно изобретению, является то, что длина 16 обоих лежащих противоположно друг другу безрезьбовых участков 7, 13 муфты 1, соответственно, цапфы 2, по меньшей мере, в два раза больше, чем длина 17 обоих лежащих противоположно друг другу безрезьбовых участков 6,12 муфты 1, соответственно, цапфы 2. Внутренний диаметр цапфы 2 обозначен стрелкой 18. На фиг. 2 в увеличенном масштабе показана форма резьбы, выполненная согласно изобретению. В верхней части фиг. 2 показан разрез зубьев 19.1, 19.2 участка 5 с внутренней резьбой муфты 1. В нижней части показан разрез зуба 20.1 участка 11 с наружной резьбой цапфы 2. Основная форма обоих резьбовых участков 5, 11 соответствует грубой стандартной 5 резьбе, согласно API, что является предпочтительным для необходимого частого свинчивания, которое может выполняться до 100 раз, и для осуществления так называемой "вставки" цапфы 2 в муфту 1. Направляющая боковая поверхность 21 имеет в соответствии с нормойAPI угол 30. С отклонением от этого угол нагружаемой боковой поверхности 22 более крутой и лежит в диапазоне 15-20, предпочтительно равен 18. Это относится в равной степени к зубьям 20.1 участка 11 с наружной резьбой цапфы 2. На фиг. 3 показан продольный разрез варианта выполнения половины муфты 23. В отличие от показанной на фиг. 1 а муфты 1 наружная поверхность 24 муфты 23 имеет проточку 25, уменьшающую наружный диаметр 8. Эта выточка является квази маркировкой степени износа наружной поверхности 24 муфты 23. При увеличивающемся износе наружный диаметр 8 наружной поверхности 24 все больше приближается к диаметру 26 проточки 25. При этом диаметр 26 проточки 25 выбран так, что и для этого поперечного сечения обеспечиваются оптимальные соотношения напряжений. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Средство для соединения буровых штанг, содержащее цапфу, которая имеет расположенный между наружным уступом и торцевой поверхностью цапфы конусный участок с наружной резьбой и расположенный между наружным уступом и участком с наружной резьбой, а также между участком с наружной резьбой и торцевой поверхностью цапфы безрезьбовой участок, и выполненную с возможностью резьбового соединения с цапфой муфту, которая имеет расположенный между внутренним уступом и торцевой поверхностью муфты конусный участок с внутренней резьбой и расположенный между внутренним уступом и участком с внутренней резьбой, а также между участком с внутренней резьбой и торцевой поверхностью муфты безрезьбовой участок, при этом в свинченном состоянии противоположно друг другу лежащие безрезьбовые участки цапфы и муфты в зоне внутреннего уступа имеют другую длину,чем лежащие в зоне наружного уступа безрезьбовые участки цапфы и муфты, отличающееся тем, что внутренний уступ (3, 10) образует первичный уступ и после сборки средства для со 002252 6 единения буровых штанг и свинчивания вплоть до 90% его предела текучести при растяжении торцевая поверхность (10) цапфы прижимается к внутреннему уступу (3, 10) с давлением, превышающим любое давление, которое оказывает торцевая поверхность (4) муфты на наружный уступ (9), причем торцевая поверхность (4) муфты плотно прижимается главным образом к наружному уступу (9), когда во время бурения возникает дополнительный вращающий момент,и находящиеся в зоне внутреннего уступа (3, 10) безрезьбовые участки (7, 13), по меньшей мере,в два раза длиннее, чем безрезьбовые участки(9). 2. Средство по п.1, отличающееся тем, что находящиеся в зоне внутреннего уступа (3, 10) безрезьбовые участки (7, 13) в три раза длиннее,чем безрезьбовые участки (6, 12), находящиеся в зоне наружного уступа (9). 3. Средство по любому из п.1 или 2, отличающееся тем, что расстояние (14) между торцевой поверхностью (10) цапфы и наружным уступом (9) больше, чем расстояние (15) между торцевой поверхностью (4) муфты и внутренним уступом (3, 10). 4. Средство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что участок (5) с внутренней резьбой и участок (11) с наружной резьбой снабжены грубой стандартной резьбой, нагружаемая боковая поверхность (22) которой имеет угол в диапазоне 15-20, а направляющая боковая поверхность (21) имеет угол 30. 5. Средство по п.4, отличающееся тем, что нагружаемая боковая поверхность (22) имеет угол 18. 6. Средство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что участок (5) с внутренней резьбой в муфте (1) имеет большую крутизну наклона конуса, чем участок (11) с наружной резьбой в цапфе (2). 7. Средство по п.6, отличающееся тем, что различие крутизны наклона конуса составляет 0,03-0,3 мм/дюйм. 8. Средство по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что на наружной поверхности(24) муфты (23) от торцевой поверхности (4) до примерно третьего шага резьбы выполнена проточка (25).