钻柱杆的制作方法

1.本发明涉及用于与钻头一起使用的钻柱杆，用来冲击岩石钻进。特别地是，本发明涉及改进此种钻柱杆的可靠性和耐久性。


背景技术：

2.冲击钻进用于经由多个伸长的钻柱杆产生长孔洞，所述多个钻柱杆通过互相连接的凸和凹螺纹端而端对端地联接到一起。已经成熟确立的技术通过锤击冲击而使岩石破碎，该锤击冲击从安装在所述钻柱的一端处的岩石钻头传递到处在所述孔洞的底部处的岩石。典型地是，使岩石破碎所需的能量由液压驱动活塞产生，该液压驱动活塞与所述钻柱的端部接触(经由钻柄适配器)来产生压力(或震动)波动，该波动穿过所述钻柱并最终传播到所述岩石。传统的凸和凹螺纹的联接在us 4，332，502、us 4，398，756、us 4，687，368以及de 2800887中描述。
3.相邻钻杆的凸和凹螺纹端联接起来，以产生钻柱，并且接头在钻进期间典型地是遭受巨大的力。这些力使所述联接疲劳并且导致在所述接头的螺纹部分内的磨损与破损。典型地是，损坏的是螺纹凸套管(spigot)，并且该螺纹凸套管决定了所述联接的使用寿命。us 6，767，156公开了在两个冲击钻杆之间的螺纹接头，该螺纹接头具有在凸和凹部分的前轴向端处设置的锥形的引导表面，以试图实现牢靠的联接并防止对螺纹的损坏。
4.本技术人的ep2845992b1旨在缓解上述缺陷。
5.现代岩石钻进越来越多地要求钻进更大的孔，并且因此存在对于提供能够操纵更大钻头(诸如直径为130mm或更大的钻头)的钻柱的要求。传统钻柱杆太脆弱，以致不能携载更大的钻头，并且已经表明，仅仅尺寸扩大的传统钻柱杆不能作为选择，因为它们倾向于在所述套管中或套筒部分中破裂，而不是准许使用直到所述套管/套筒部分的螺纹磨损掉为止。
6.因此，需要一种具有改进的可靠性和耐久性并且同时仍然允许有效率地冲洗钻屑的大型钻柱杆。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种钻柱杆，该钻柱杆使得能够使用比正常的更大的冲击钻头，并且改进了钻柱杆的可靠性和耐久性。根据本发明的第一方面，由如所附的独立权利要求1中限定的创造性的钻柱杆与从属权利要求中限定的替代性实施例一起实现该目的。所述钻柱杆将形成由连接起来的这种钻柱杆构成的组件的一部分。所述钻柱杆包括伸长的中心杆部分，该中心杆部分在凸端和凹端之间轴向延伸。所述中心杆部分是由内部第一直径(d
杆
)和外部第二直径(d
杆
)限定的中空圆柱形。所述凸端包括套管，其中所述套管包括基部，该基部从肩部轴向突出，该肩部将所述套管和所述中心杆部分轴向分离。所述凹端包括套筒部分，该套筒部分被构造用以配合到所述套管。而且，所述基部设有外螺纹并且所述套筒部分设有内螺纹，其中所述内螺纹对应于所述外螺纹，使得所述套筒部分的内螺纹能够附
接到该组件的另一个钻柱杆的套管的基部的外螺纹。在关于所述钻柱杆的纵向轴线的径向平面中，所述套管的基部由外部第三直径(d
套管
)和内部第四直径(d
套管
)限定，并且所述套筒部分由外部第五直径(d
套筒
)和内部第六直径(d
套筒
)限定。本发明限于外部第二直径(d
杆
)大于60mm的钻柱杆，因此适合于与更大且更重的冲击钻头一起使用。c
套筒
和c
套管
涉及由如下公式限定的钻柱杆的直径：
[0008][0009][0010]
c
套筒
应该大于2.31或c
套管
应该大于0.68。
[0011]
钻柱杆和它们的使用在本领域中是已知的。然而，外部直径d
杆
大于60mm的钻柱杆不是常见的。这些更大的钻柱杆是非常坚固耐用的，并且适合于更大的岩石钻头。虽然杆直径小于60mm的正常钻柱杆不倾向于材料失效，而是只有当所述套管和套筒部分的螺纹磨损掉时才废弃并更换，但是更大直径的钻杆倾向于由于在所述套筒部分或套管中的裂纹而破损。仅仅通过增加物品的厚度来减缓裂纹的形成通常是不成功的，因为这要么将会削弱钻杆的某个其它部分，要么将会减少供冲洗流体和钻屑移动通过的可用空间。技术人员理解的是，这些直径不能被自由选择。例如，所述套管的外部直径自然地受到所述套筒部分的内部直径限制。而且，所述套筒部分的外部直径典型地受到所钻进的孔洞的大小以及对于在套筒部分和孔洞的内壁之间的用于将钻屑冲走经过套筒部分的足够空间的需求限制。类似地是，所述套管的内部直径限制了冲洗流体可以泵送通过所述钻柱杆的速率，并且因此不应该太小。这些大直径钻柱杆的设计明显是较困难的平衡做法，并且本发明引导技术人员选择参数的组合，以使得能够在保持冲洗性能的情况下降低钻柱杆中的材料失效的风险。已经表明，解决这个问题比看起来要更困难。
[0012]
本发明的发明人已经认识到，所述钻柱杆失效是由于中心杆部分的刚度增加和由岩石中较硬层或裂缝引发的钻柱的被迫弯曲的组合而导致的。所述钻柱杆的弯曲在杆正旋转时发生，并且由此既由于弯曲而产生了额外应力，又在钻柱杆处于弯曲状态时由于所述杆在孔洞中旋转而引起的弯曲轴线的不断变化而产生了疲劳。
[0013]
所提出的解决方案是确定所述套管和套筒部分的尺寸，使得在所述套管和套筒部分中的计算得到的最大弯曲应力分别地与在所述中心杆部分中的计算得到的最大弯曲应力相关。然而，本发明人已经意识到，所述套筒部分和套管中的计算得到的最大应力不应该分别地等于所述中心杆部分的计算得到的最大弯曲应力，而是应该分别地与所述中心杆部分的计算得到的最大弯曲应力乘以因数c
套筒
或c
套管
相关，以便考虑通常发生的强度的差异，所述强度的差异例如由于局部材料变化而发生，该局部材料变化可能由于在钻柱杆的制造时不均匀的硬化和/或加工而发生。
[0014]
在一些实施例中，c
套筒
>2.31且c
套管
>0.68。这种涉及了第一、第二、第三、第四、第五和第六直径的平衡提供了所述钻柱杆的高度的可靠性和耐久性。
[0015]
在一些实施例中，所述套管的基部是锥形的。
[0016]
在一些实施例中，所述套管的基部是圆柱形的。
[0017]
在一些实施例中，第一直径(d
杆
)是50mm，其中第二直径(d
杆
)是80.5mm，其中第三直径(d
套管
)是82mm，其中第四直径(d
套管
)是50mm，其中第五直径(d
套筒
)是120mm，并且其中第六直径(d
套筒
)是91.2mm。
[0018]
在一些实施例中，所述钻柱杆适合于与具有外部第七直径(d
孔
)的钻头一起使用，其中第五直径小于0.90*第七直径(d
孔
)。
[0019]
另一方面涉及一种系统，该系统包括多个根据上述第一方面所述的钻柱杆。
[0020]
在一些实施例中，所述系统的钻柱杆是上述类型的钻柱杆，上述类型的钻柱杆适合于与具有外部第七直径(d
孔
)的钻头一起使用，其中第五直径小于0.90*第七直径(d
孔
)，并且其中所述系统进一步包括所述钻头。
[0021]
在所述孔和所述套筒部分的外部直径之间的直径差异使得能够有效地将钻屑冲洗经过所述套筒部分，同时提供了能够应付所涉及的力的坚固耐用的钻柱杆。
[0022]
在一些实施例中，第七直径>130mm。第二直径>60mm的钻柱杆适合于这种大直径的钻头，其中由c
套筒
和c
套管
控制的钻柱杆的所涉及的直径的特定限制提供了坚固耐用的钻进系统。
附图说明
[0023]
图1展示了两个相同的连接起来的钻柱杆的透视图。
[0024]
图2展示了如图1所示的钻柱杆的凸端的放大透视图a。
[0025]
图3展示了如图1所示的钻柱杆的凹端的放大透视图b，凹端连接到另一个钻柱杆的凸端。
[0026]
图4展示了同样如图1所示的两个连接起来的钻柱杆的套筒部分和套管的横截面侧视图，所述横截面是在穿过所述钻柱杆的纵向中心轴线的平面截取的。
[0027]
[0028]
具体实施方式
[0029]
本发明的第一实施例在图1
‑
4中展示。如图中所展示的那样，多个相同的钻柱杆1能够连接起来，以形成系统/组件10。钻柱杆1包括伸长的中心杆部分2，该中心杆部分2在凸端3和凹端4之间轴向延伸。如图4所示，中心杆部分2是由内部第一直径d
杆
和外部第二直径d
杆
限定的中空圆柱形。凸端3包括套管5，并且套管5包括基部6，该基部6从肩部7轴向突出，该肩部7将套管5和中心杆部分2轴向分离。凹端4包括套筒/套筒部分8，该套筒/套筒部分8构造用以配合到套管5。基部6设有外螺纹并且套筒部分8设有内螺纹，其中该内螺纹对应于该外螺纹，使得套筒部分8的内螺纹能够附接到该组件的另一个钻柱杆1的套管5的基部5的外螺纹。在关于所述钻柱杆的纵向轴线的径向平面p中，套管5的基部6由外部第三直径(d
套管
)和内部第四直径(d
套管
)限定，并且所述套筒部分8由外部第五直径(d
套筒
)和内部第六直径(d
套筒
)限定。应当注意的是，在图4中，d
套管
和d
套筒
都结合同一箭头进行描述，但是在实际中，这些直径稍微不同，其中d
套筒
大于d
套管
。附图的比例使得直径的差异无法使用分离的箭头展示在图4中。尽管直径可能分别地沿套管和套筒部分的长度而变化，但是必然延伸穿过套管和套筒部分两者的径向平面p被用于以明确的方式限定这些直径之间的关系。本发明限于外部直径大于60mm的钻柱杆，因此适合于与更重的冲击钻头(诸如直径大于130mm的钻头)一起使用。因此，第二直径(d
杆
)>60mm。c
套筒
和c
套管
使用如下公式，从该钻柱杆的直径推导出来/与该钻柱杆的直径相关：
[0030][0031][0032]
这些公式来源于中空圆柱形的梁/形体的截面系数的计算，该计算提供了当前涉及的横截面形状的很好的粗略估计。具体地是，用于中空圆柱形横截面的截面系数方程为：
[0033][0034]
我们的假设是：
[0035][0036]
并且，类似地是，并且，类似地是，
[0037]
在本实施例中，第一直径d
杆
是50mm，其中第二直径d
杆
是80.5mm，其中第三直径d
套管
是82mm，其中第四直径d
套管
是50mm，其中第五直径d
套筒
是120mm，并且其中第六直径d
套筒
是91.2mm。
[0038]
本实施例的钻柱杆1、1b适合于与特定直径(不包括钻进刀片的直径)为140、152、165、172或178mm的钻头(未示出)一起使用。所钻进的孔的实际直径稍微更大，因为钻头径向突出。在其它实施例中，第一到第六直径可以被不同地选择，只要满足以下就行：第二直径d
杆
满足至少60mm的上述限制，该第二直径d
杆
限定中心杆部分2的外部直径，并且其它直径满足c
套筒
大于2.31或者c
套管
大于0.68的限制。优选地是，c
套筒
大于2.31并且c
套管
大于0.68。
[0039]
所述钻柱杆由适合的材料、诸如钢制成，并且根据需要被硬化。
[0040]
钻柱杆1、1b基于待使用的钻头的大小来确定尺寸。然而，必须注意在套筒部分8周围提供足够的空间，用于将钻屑冲洗经过套筒部分8。为了该效果，在一些实施例中，钻柱杆1、1b可以适合于与具有外部第七直径d
孔
的钻头一起使用，其中套筒部分8的外部第五直径d
套筒
小于0.90*外部第七直径d
孔
。
[0041]
多个相同的钻柱杆1、1b可以设置成一起作为由钻柱杆1、1b构成的系统/组件10的一部分。系统10可以替代性地是包括钻头。系统10的钻柱杆1、1b可以具有外部第七直径d
孔
，其中第五直径小于0.90*第七直径d
孔
，并且其中该系统进一步包括所述钻头。
[0042]
在孔和套筒部分8的外部第五直径d
套筒
之间的直径差异使得能够有效率地将钻屑冲洗经过套筒部分8，同时提供能够应付所涉及的力的坚固耐用的钻柱杆1、1b。
[0043]
在一些实施例中，第七直径d
孔
可以是130mm或更大。如上所述，本发明的钻柱杆都具有大于60mm的第二直径，并且适合于这种大直径钻头。由c
套筒
和c
套管
给出的所涉及的直径的特定限制提供了坚固耐用的系统/组件10。