Замок и части замка для компонентов бурильной колонны и компоненты

Группа изобретений относится к бурильным колоннам для ударного бурения. Технический результат – увеличение эксплуатационного ресурса. Замок для соединения вместе компонентов бурильной колонны для ударно-вращательного бурения включает в себя вставную часть и охватывающую часть, имеющие встречающиеся ударные поверхности. Причем каждый компонент бурильной колонны проходит вдоль аксиального направления. Вставная часть имеет первое средство передачи крутящего момента для вращения и первое аксиальное соединительное средство. Охватывающая часть имеет второе средство передачи крутящего момента для вращения и второе аксиальное соединительное средство. При этом первое и второе средство передачи крутящего момента для вращения проходят на соответствующих вставной и охватывающей частях, а первое и второе аксиальное соединительное средство позиционированы так, что, когда на бурильную колонну действует крутящий момент вращения для бурения, обеспечено относительное аксиальное перемещение между вставной частью и охватывающей частью, находящимися в состоянии соединения друг с другом с взаимодействием между первым и вторым средством передачи крутящего момента для вращения. Причем первое и второе средство передачи крутящего момента для вращения являются стыкующимися шлицами. 7 н. и 20 з.п. ф-лы, 28 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к замку для бурильной штанги. Изобретение также относится к частям такого замка и бурильной штанге и другим компонентам бурильной колонны, включающим в себя такие части.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Бурильные колонны для ударного бурения обычно составлены из ряда компонентов бурильной колонны, например, бурильных штанг, которые соединены друг с другом резьбовыми замками. Функцией бурильных штанг является передача вращения, силы подачи и повторяющихся ударных воздействий со станка ударно-вращательного бурения горной породы на буровое долото. Промывочная среда также передается через бурильные штанги.

Когда бурение ствола скважины завершено, или в случае необходимости замены бурового долота, бурильную колонну должны извлекать подъемом из ствола скважины и последовательно разбирать.

Сегодняшние обычные бурильные штанги являются простыми в эксплуатации и обеспечивают низкие затраты на инструменты. Имеются, вместе с тем, недостатки, связанные с применением сегодняшних бурильных штанг, такие как отклонение скважины и получение стенок скважин зигзагообразной формы. Необходимость привлечения высококвалифицированных и опытных операторов для получения приемлемого качества выполнения работ также является проблемой. Резьбовые замки ограничивают эксплуатационный ресурс штанг, поскольку резьба часто подвергается износу и отказам разного вида, таким как срывы. Кроме того, для обеспечeния надежного бурения резьбовые замки должны быть постоянно затянуты для обеспечeния надлежащего прохода ударной волны на всем пути по бурильной колонне.

Для развинчивания резьбы перед разборкой бурильную колонну часто требуется трясти.

Что касается квалификации оператора, требуется опытный бурильщик для оптимальной настройки силы подачи и вращения, от него требуется осторожность и внимание в процессе начала бурения и адаптации параметров бурения к свойствам встречающихся горных пород, набора углов и соблюдения направления бурения и т.д.

Резьбовые замки подвергаются износу и подвержены риску отказа по многим причинам. Свинчивающиеся резьбы подвергаются износу от взаимного скольжения или трения вследствие ударных волн и отраженных волн в продольном направлении, а также в боковом направлении вследствие крутильных ударных волн, генерируемых, когда долото врезается в горную породу так, что при этом вращение мгновенно резко замедляется.

В канавке последнего витка наружной резьбы коэффициент концентрации напряжения может превышать три, таким образом, устанавливая верхний предел допустимого уровня напряжения. В сущности, повсеместная нелинейность стволов скважин, полученных посредством обычных бурильных штанг в бурильной колонне создает пульсирующие изгибающие моменты, отрицательно действующие на резьбовые замки. Резьбовой замок имеет потенциал для высокой концентрации напряжения, являющейся результатом таких изгибающих моментов. В дополнение к изгибающему моменту, являющемуся результатом отклонения ствола и человеческого фактора, часто происходят преждевременные катастрофические отказы.

Наконец, так называемые «развинчивание при бурении», а также экстенсивная тряска, развинчивающая замки по завершении скважины, приводят к недопустимым повреждениям замка. При ненадлежащем выполнении работ могут происходить серьезные повреждения или даже поломки.

В отношении системы бурильной штанги, призванной минимизировать проблемы с обычными компонентами бурильной колонны, предлагается обеспечение обхода резьбы повторяющимися ударными волнами через отдельный набор штанг, оборудованных по центру последовательности труб, которые соединены между собой резьбой. Данная система дает высокие скорости проходки с верхним ударником с качеством, соответствующим забойной буровой системе, и увеличенный эксплуатационный ресурс. Вследствие относительно высоких инвестиционных затрат данная система на сегодня оправдана только для высокорентабельной добычи.

В документе EP0387218 описана бурильная колонна уровня техники, имеющая центральную штангу, окруженную трубой.

В документах WQ03097881A1, US6293360 и US468736S описаны компоненты бурильной колонны с резьбовыми соединениями. В документе WO2008/004937A1 описан не имеющий резьбы замок для компонентов бурильной колонны.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание системы, которая решает или по меньшей мере минимизирует проблемы, упомянутые выше.

Данной задачи достигают посредством замка для соединения вместе компонентов бурильной колонны для ударно-вращательного бурения, при этом каждый компонент бурильной колонны проходит вдоль аксиального направления и в работе повторяющиеся ударные волны и крутящий момент для вращения передаются через замок, включающий в себя вставную часть и охватывающую часть с встречающимися ударными поверхностями. Изобретение отличается тем, - что вставная часть имеет: I. первое средство передачи крутящего момента для вращения и II. первое аксиальное соединительное средство, - что охватывающая часть имеет: III. второе средство передачи крутящего момента для вращения и IV. второе аксиальное соединительное средство, - при этом первое и второе средство передачи крутящего момента для вращения проходят на соответствующих вставной и охватывающей частях так, - и при этом первое и второе аксиальное соединительное средство позиционированы так, - что когда на бурильную колонну действует крутящий момент вращения для бурения, обеспечено относительное аксиальное перемещение между вставной частью и охватывающей частью, находящимися в состоянии соединения друг с другом для взаимодействия между первым и вторым средством передачи крутящего момента для вращения, то есть, когда первые и вторые ударные поверхности расположены смежно друг с другом.

При этом достигают нескольких преимуществ над предшествующим уровнем техники. Изобретение делает возможным передачу обоих, вращения и повторяющихся ударных волн через бурильную колонну только по двум встречающимся элементам в замке. Данное достигается при качестве скважины, сравнимом с системой, описанной выше (Coprod), в которой передача вращения и повторяющихся ударных волн разделена по двум отдельным элементам для каждого блока компонента бурильной колонны.

Компонент бурильной колонны, включающий в себя одну или две части замка, согласно изобретению, при этом является сравнительно простым и экономичным для изготовления и имеет массу, составляющую около половины массы соответствующего элемент Coprod. Для разделения индивидуальных компонентов теперь не потребуется трясти бурильную колонну, и поскольку замок можно изготовлен таким, что силы изгиба значительно уменьшаются, прогнозируемый эксплуатационный ресурс компонентов становится гораздо больше, чем у обычных, состоящих из одной детали бурильных штанг.

Для бурения высококачественных скважин снижаются требования по квалификации и опыту работы бурильщиков, и все вместе указанное делает возможным бурение скважин высокого качества с низкой стоимостью

Согласно изобретению первое и второе средство передачи крутящего момента для вращения скомпонованы так, что обеспечивают относительное аксиальное перемещение между вставной и охватывающей частями в соединенном между собой состоянии в зоне вблизи точки, где первая и вторая ударные поверхности входят в контакт друг с другом. В частности незначительное относительное перемещение между вставной и охватывающей частями обеспечено после прохождения повторяющейся ударной волны.

Величина относительного аксиального перемещения или разделение между частями замка имеет в нормальных условиях во время бурения прогнозируемую величину от около 0,2 до около 0,6 мм. Разделение между частями замка, вместе с тем, в варианте весьма твердой горной породы с буровым ударником без демпфирования имеет прогнозируемую величину в диапазоне между около 1,2-1,6 мм. Бурение в породе с полостями может приводить к еще большему разделению.

По указанной причине замок предпочтительно сконструирован для обеспечения разделения по меньшей мере на 1 мм и предпочтительно на 2 мм или больше. Вместе с тем понятно, что патентоспособный замок может быть сконструирован для значительно более высокого значения разделения, такого, как даже до около 100 мм.

При этом предотвращается прием резьбовыми элементами, принадлежащими частям замка, воздействия значительных сил, которые в ином случае воздействуют на компоненты после прохождения повторяющейся ударной волны через замок.

Вместо этого указанным силам противодействует сила подачи, создаваемая по всей длине бурильной колонны. Данное создает большое преимущество, поскольку в данном случае нет необходимости доводить до установленного размера части замка, например, гребни резьбы для приема и противодействия данным силам. Поэтому значительно увеличенный эксплуатационный ресурс становится возможным для патентоспособного замка. Также является возможным изготовление патентоспособных замков для обеспечения некоторой взаимной несоосности между смежными компонентами колонны без создания частных изгибающих моментов, соответствующих условиям, в которых причиняется ущерб обычным резьбовым замкам.

Другое преимущество состоит в том, что патентоспособный замок обеспечивает более высокий кпд передачи энергии, чем у обычного резьбового замка.

Важно понимать, во время производства ударов буровой ударник подвергает бурильную колонну интенсивным повторяющимся ударам с давлением порядка 200 МПа, при этом ударные волны передаются с компонента бурильной колонны на бурильную колонну с проходом через замки бурильной колонны на всем пути до бурового долота. Данная начальная ударная волна имеет вид волны сжатия, проходящей через материал бурильной колонны.

В результате отражения на конце с буровым долотом бурильной колонны начальной ударной волны создается либо волна растяжения или волна сжатия, проходящая назад через бурильную колонну. Проход через замок данных отраженных волн оказывает разделяющее действие на ударные поверхности замков.

В резьбовом замке разделению противодействуют гребни резьбы, что приводит к последующим усталостным проблемам и износу. Такой резьбовой замок является предварительно нагруженным. В варианте нижнего привода охватывающая часть работает на растяжение и вставная часть работает на сжатие. В варианте привода на заплечике ситуация является противоположной. Когда приходит ударная волна, предварительно нагруженный замок испытывает частичное или даже полное высвобождение. После прохода ударной волны замок восстанавливает свое полное предварительно нагружение.

Бурильная колонна также подвергается воздействию повторяющихся отраженных ударных волн либо растяжения или сжатия. Данные отраженные ударные волны должны либо увеличивать или уменьшать уровень предварительно нагружения, добавляя усиленное высвобождающее и повторно нагружающее действие на замок. Упругая деформaция, связанная со всеми данными высвобождающими и повторно нагружающими действиями, обуславливает относительные перемещения двух соединяющихся частей, но при этом отсутствует разделение жесткого корпуса между ними в любой момент времени. То есть, ударная поверхность вставной части находится в постоянном контакте с ударной поверхностью охватывающей части.

Сила подачи, приложенная к бурильной колонне, зависит от разных параметров, но, можно сказать, находится в диапазоне давления до около 5 МПа, то есть весьма малой части величины ударной волны.

Никакая реальная сила подачи в любой конструкции замка не может предотвратить влияние на замок, вызванное проходом ударной волны. Согласно изобретению, проблема, связанная с таким влиянием решается посредством патентоспособного полностью нового подхода в обеспечении некоторого относительного аксиального перемещения между частями. При этом интенсивные, но весьма кратковременные силы, создаваемые проходом ударной волны, можно эффективно компенсировать с помощью противодействия силой подачи в течение относительно более долгого периода времени во время относительного аксиального перемещения между частями.

Для обеспечeния получения относительного аксиального перемещения на практике во время бурения, патентоспособный замок сам по себе свободен от предварительно нагружения либо в направлении вращения или в аксиальном направлении, когда подвергается вращению для бурения. Любое такое предварительное нагружение будет приводить во взаимно блокирующихся частях к износу, вследствие относительных микроперемещений, и усталостным проблемам.

Поэтому важно, что взаимодействующие встречающиеся поверхности первого и второго средства передачи крутящего момента для вращения выполнены с возможностью контакта друг с другом при некотором направлении вращения, так что самоблокирование и предварительно нагружение замка не возникает. Данное достигается тем, что угол между боковым направлением и радиусом, где происходит контакт между двумя встречающимися поверхностями первого и второго средства передачи крутящего момента для вращения, является достаточно большим для предотвращения самоблокирования и предварительного нагружения замка. Угол предпочтительно составляет по меньшей мере 45°, более предпочтительно, больше 60° и, наиболее предпочтительно, больше 70°. При этом тенденции к самоблокированию не возникают.

Важной целью первого и второго аксиального соединительного средства вставной и охватывающей частей является по существу обеспечeние безопасного извлечения бурильной колонны. Важно понимать, что в состоянии соединения между собой двух смежных компонентов бурильной колонны первое и второе аксиальное соединительное средство не препятствуют относительному аксиальному перемещению между частями замка. По данной причине по меньшей мере в состоянии, где бурильная колонна подвергается воздействию крутящего момента для вращения или бурения, первое и второе аксиальное соединительное средство обеспечивают указанное относительное аксиальное перемещение и не препятствуют ему.

«Замками для соединения друг с другом компонентов бурильной колонны» здесь называются соединительные замки трубных компонентов, которые подлежат установке между станком ударно-вращательного бурения и буровым долотом для ударно-вращательного бурения, поэтому изобретение является особенно предпочтительным для таких компонентов, часто именуемых бурильными штангами. Данное определение также включает в себя замок между переходной муфтой хвостовика и первой бурильной штангой.

Первое и второе средство передачи крутящего момента для вращения предпочтительно являются стыкующимися шлицами, которые предпочтительно состоят для каждой из вставной и охватывающей частей, по меньшей мере из шести гребней, которые являются удлиненными и которые проходят вдоль каждой из вставной и охватывающей частей. Гребни выступают радиально внутрь от внутренней поверхности стенки цилиндрического элемента для образования внутренних шлицов. Гребни выступаю радиально наружу от наружной поверхности стенки цилиндрического элемента для образования наружных шлицов.

В принципе, нежелательно иметь создающее вращение значительное сокращающее действие в замке вследствие упомянутого выше приема силы, а также создавать нежелательную жесткость в замке, что дает риск возникновения проблем катастрофического отказа. Входящие в контакт поверхности поэтому предпочтительно проходят параллельно аксиальному направлению на соответствующих вставной и охватывающей частях.

В некоторых случаях, вместе с тем, предпочтительно иметь входящие в контакт поверхности, проходящие незначительно спирально в направлении сокращения на соответствующих вставной и охватывающей частях замка, когда бурильная колонна подвергается нормальному правому вращению во время бурения. Данное сокращение седует ограничивать, и входящие в контакт поверхности должны проходить так, чтобы не препятствовать перемещениям между вставной и охватывающей частями замка, которые могут приводить к тенденциям указанных выше проблем. По указанной причине угол наклона винтовой линии входящих в контакт поверхностей должен предпочтительно в нормальных условиях составлять от -20° до около 20° с аксиальным направлением. Отрицательные величины означают, что разделение ударных поверхностей вследствие вышеописанного эффекта приводит к разделению между встречающимися первым и вторым средством передачи крутящего момента для вращения.

Изготовление средства передачи крутящего момента для вращения спиральным является более сложным и дорогостоящим в сравнении с изготовлением данных поверхностей аксиальными, но дает несколько более плавную передачу крутящего момента для вращения между смежными компонентами.

Замок, очевидно, не является предварительно нагруженным, как обычный резьбовой замок для компонентов бурильной колонны.

В варианте, где входящие в контакт поверхности проходят аксиально, по существу никакая сила, создаваемая самим замком, не сдерживает относительного аксиального перемещения между частями замка.

Первое и второе аксиальное соединительное средство предпочтительно включает в себя аксиальное средство сцепления, образованное радиально направленными выступами на одной из вставной и охватывающей частей.

Аксиальное средство сцепления включает в себя радиально направленные выступы в виде крюкообразных элементов или упоров на одной из вставной и охватывающей частей для сцепления с участками упорной поверхности на другой из вставной и охватывающей частей. Аксиальное средство сцепления предназначено для временного аксиального блокирования для ограничения и предотвращения разделения между частями замка. Одним примером, когда указанное требуется, является быстрый подъем бурильной колонны для очистки ствола скважины от налипшего бурового шлама.

Аксиальное средство сцепления может быть выполнено так, что первое и второе аксиальное соединительное средство в состоянии соединения друг с другом замка сцепляются при правом принудительном вращении, т.е. направлении вращения, применяемом во время бурения горной породы, или при противоположном, левом вращении, когда соединение блокируется во время левого вращения, но не блокируется во время бурения. В последнем случае не требуется применение устройства автоматической замены штанг на буровой установке. Также можно иметь замок, выполненный для блокирования при вращении в обоих, правом направлении и в обратном, левом направлении. Данный вариант осуществления является особенно предпочтительным для применения с переходной муфтой хвостовика, при этом достигается ускоренная работа. При всем блокировании аксиальные перемещения между частями ограниченны согласно описанному выше.

Предпочтительным является образование одного из первого и второго аксиального соединительного средства концевыми поверхностями шлицов на вставной или охватывающей части для взаимодействия с упомянутыми выше крюкообразными элементами или упорами. В данном варианте осуществления не требуется обеспечивать дополнительных элементов.

Предпочтительно, первое и второе аксиальное соединительное средство включают в себя аксиальное обеспечивающее безопасность соединительное средство. Данное средство обеспечивает защиту, предотвращая любое случайное высвобождение соединенных компонентов. Наиболее предпочтительно, аксиальное обеспечивающее безопасность соединительное средство включает в себя резьбовое соединение или байонетное соединение.

Предпочтительно, второе аксиальное обеспечивающее безопасность соединительное средство в виде наружной резьбы позиционировано на дальнем участке элемента в форме втулки или в форме штанги, проходящего по центру охватывающей части, и стыкующееся первое аксиальное обеспечивающее безопасность соединительное средство в виде внутренней резьбы установлено на дальнем участке вставной части. Подходящим для элемента в виде штанги является дальний участок в виде чашки с отверстиями для промывочной текучей среды, и основание штанги, имеющее отверстия для промывочной текучей среды для обеспечeния предпочтительной передачи текучей среды через бурильную колонну во время бурения.

Следует отметить, что является предпочтительным обеспечение одного и того же патентоспособного замка первым и вторым аксиальным соединительным средством, включающим в себя аксиальное обеспечивающее безопасность соединительное средство а также аксиальное средство сцепления для обоих, безопасного извлечения бурильной колонны и улучшенной функциональности, согласно описанному выше.

Первое и второе аксиальное соединительное средство можно выполнять в различных вариантах и, например, как резьбовое средство, сцепляющееся только во время первой стадии соединения двух смежных компонентов. При этом, по завершении данной первой стадии, обеспечено свободное перемещение вдоль стыкующихся первого и второго средства передачи крутящего момента для вращения на всем пути до рабочего положения, где встречаются ударные поверхности двух смежный компонентов. Для предотвращения начального упирания встречающихся концевых поверхностей шлицов друг в друга аксиально и создания препятствия фазе соединения концевые поверхности можно выполнить заостренными.

Альтернативно, можно применять байонетное соединительное средство или входящие в зацепление крюки на внутренней поверхности одного из первого и второго средства передачи крутящего момента для вращения, которые сцепляются с внутренними концами второго из первого и второго средства передачи крутящего момента для вращения или крюки или опоры на наружной поверхности одного из первого средства передачи крутящего момента для вращения для сцепления с наружной поверхностью другого из первого и второго средства передачи крутящего момента для вращения. Указанные крюки или опоры скрепляют первое и второе аксиальное соединительное средство.

В предпочтительном варианте охватывающая часть включает в себя конструкцию с двойными, внутренней и наружной стенками, вместе имеющими форму втулки, для образования кольцевой камеры для приема вставной части (ее участка) в форме втулки.

Первое средство передачи крутящего момента для вращения можно позиционировать на одной из внутренней ни аружной частей вставной части в форме втулки, при этом первое аксиальное соединительное средство можно позиционировать на одной стороне с или на противоположной стороне от первого средства передачи крутящего момента для вращения.

Предпочтительно устанавливать уплотнительное устройство на щели проема, образованного между вставной и охватывающей частями, как видно в рабочем положении с первой и второй ударными поверхностями вблизи друг друга.

Первая и вторая ударные поверхности могут быть выполнены либо для привода через заплечик, привода в нижней части или двойного привода (оба, привод через заплечик и привод в нижней части).

Для разъяснения, в приводе через заплечик заплечики ударной поверхности имеют кольцевую форму и позиционированы радиально снаружи первого и второго средства передачи крутящего момента для вращения, а также первого и второго аксиального соединительного средства.

Привод через заплечик доказал, что является наиболее предпочтительным для применения по отношению к изобретению, поскольку замки с приводом через заплечик в общем меньше подвергаются износу, вследствие передачи ударной волны снаружи и параллельно участкам частей замка, поддерживающим средство передачи вращения. Другим важным преимуществом привода через заплечик является то, что он упрощает обеспечение в сущности закрытой непрерывной наружной поверхности для всей бурильной колонны. В частности возможно изготовление в целом бурильной колонны или по меньшей мере зон замков между индивидуальными компонентами бурильной колонны, образующими непрерывную поверхность цилиндрической оболочки. Указанное уменьшает износ.

Также важно, что во время небольших относительных аксиальных перемещений в замке во время работы предотвращается попадание в замок загрязняющих примесей. Риск указанного минимизирован, благодаря применению привода через заплечик и наличию стыкующихся взаимодействующих кольцевых цилиндрических направляющих поверхностей, наиболее близких к встречающимся ударным поверхностям двух соединяющися компонентов бурильной колонны. Промывочная текучая среда, протекающая между ударными поверхностями, когда они незначительно разделены, содействует минимизации риска попадания загрязняющих примесей в замок.

В более простом для изготовления варианте является предпочтительным, что охватывающая часть имеет форму втулки с одной стенкой, имеющей оба, второе средство передачи крутящего момента для вращения и второе аксиальное соединительное средство, ориентированное на внутренней поверхности стены втулки.

Предпочтительно, угол между радиусом частей замка и боковым направлением, образующим прямой угол с основной поверхностью средства передачи крутящего момента для вращения, составляет 60°-90° и, более предпочтительно, 70°-90°. При этом случайное самоблокирование частей в направлении вращения предотвращается и износ во время бурения уменьшается до минимума.

Весьма предпочтительным является, что вставная часть снаружи имеет ближний цилиндрический направляющий участок для взаимодействия с внутренней цилиндрической направляющей поверхностью на дальнем участке охватывающей части. Предпочтительно, вставная часть в дальней зоне имеет цилиндрические наружные направляющие поверхности для взаимодействия с внутренней цилиндрической направляющей поверхностью на ближнем участке охватывающей части. При этом достигается предпочтительное совпадение осей замка.

Изобретение также относится к вставной части замка для соединения вместе компонентов трубной колонны, подлежащих установке между станком ударно-вращательного бурения и буровым долотом бурильной колонны для ударно-вращательного бурения, при этом каждый компонент бурильной колонны проходит вдоль аксиального направления, и при этом в процессе работы обеспечена возможность передачи повторяющихся ударных волн и крутящего момента для вращения через замок, при этом вставная часть является частью первого компонента бурильной колонны и выполнена с возможностью взаимодействия с охватывающей частью второго компонента бурильной колонны, и при этом первая ударная поверхность на вставной части выполнена с возможностью взаимодействия с второй ударной поверхностью на охватывающей части. Патентоспособная вставная часть имеет I. первое средство передачи крутящего момента для вращения и II. первое аксиальное соединительное средство для взаимодействия с III. вторым средством передачи крутящего момента для вращения, и IV. вторым аксиальным соединительным средством на охватывающей части, - при этом первое средство передачи крутящего момента для вращения для входа в контакт со вторым средством передачи крутящего момента для вращения проходит на вставной части так, и при этом первое аксиальное соединительное средство для взаимодействия со вторым аксиальным соединительным средством позиционировано так, - что когда на бурильную колонну действует крутящий момент для вращения для бурения, обеспечено относительное аксиальное перемещение между вставной частью и охватывающей частью, находящимися в состоянии соединения друг с другом для взаимодействия между первым и вторым средством передачи крутящего момента для вращения, когда первая и вторая ударные поверхности расположены смежно друг с другом.

Предпочтительно первое средство передачи крутящего момента для вращения является шлицами, имеющими входящие в контакт поверхности, которые проходят параллельно аксиальному направлению на вставной части или проходят спирально на соответствующих вставных частях под углом α наклона винтовой линии с величиной между 0° и 20° к аксиальному направлению.

Соответственно, первое аксиальное соединительное средство включает в себя аксиальное средство сцепления, образованное радиально направленными выступами на вставной части.

Предпочтительно, аксиальное средство сцепления включает в себя радиально направленные выступы в виде крюкообразных элементов или упоров на вставной части для сцепления с участками упорной поверхности на охватывающей части.

Когда вставная и охватывающий части соединены между собой, аксиальное средство сцепления обеспечивает сцепление при правом вращении бурильной колонны и/или левом вращении бурильной колонны и при этом ограничение относительного аксиального перемещения между вставной и охватывающей частью.

Предпочтительно, первое аксиальное соединительное средство образовано концевыми поверхностями шлицов на вставной части.

Предпочтительно, первое аксиальное соединительное средство включают в себя аксиальное обеспечивающее безопасность соединительное средство. При этом аксиальное обеспечивающее безопасность соединительное средство предпочтительно включает в себя резьбовое соединение или байонетное соединение.

Когда второе аксиальное обеспечивающее безопасность соединительное средство в виде наружной резьбы позиционировано на дальнем участке элемента в виде втулки или в виде штанги, проходящей по центру охватывающей части, стыкующееся первое аксиальное обеспечивающее безопасность соединительное средство в виде внутренней резьбы предпочтительно позиционировано на дальнем участке вставной части.

Первое средство передачи крутящего момента для вращения предпочтительно позиционировано на одной из внутренней и наружной частей вставной части в виде втулки.

Первое аксиальное соединительное средство предпочтительно позиционировано на одной из внутренней и наружной частей вставной части в виде втулки.

Уплотнительное устройство предпочтительно позиционировано на щели проема, образованного между вставной и охватывающей частями, как видно в рабочем положении с первой и второй ударными поверхностями вблизи друг друга.

Первая ударная поверхность предпочтительно выполнена для одного из группы: привода через заплечик, привода в нижней части и двойного привода.

Когда первая ударная поверхность выполнена для привода через заплечик, наружные поверхности встречающихся компонентов бурильной колонны по меньшей мере в зоне замка образуют, по существу, непрерывную поверхность обечайки. Угол (β) между радиусом (R) частей замка и боковым направлением (f), образующим прямой угол с основной поверхностью средства передачи крутящего момента для вращения предпочтительно составляет 60-90° и, более предпочтительно, 70-90°.

Вставная часть имеет предпочтительно снаружи ближний цилиндрический направляющий участок для взаимодействия с внутренней цилиндрической направляющей поверхностью на дальнем участке охватывающей части.

Вставная часть имеет предпочтительно в части дальней зоны цилиндрические наружные направляющие поверхности для взаимодействия с внутренней цилиндрической направляющей поверхностью на ближнем участке охватывающей части.

Изобретение также относится к охватывающая части замка для соединения вместе компоненты бурильной колонны для ударно-вращательного бурения, при этом каждый компонент бурильной колонны проходит вдоль аксиального направления, и при этом в работе повторяющимся ударным волнам и крутящему моменту для вращения от ударно-вращательного бурового станка на одном конце бурильной колонны обеспечена передача через замок на буровое долото на противоположном конце бурильной колонны, при этом охватывающая часть является частью второго компонента бурильной колонны и выполнена с возможностью взаимодействия с вставной частью первого компонента бурильной колонны, при этом вторая ударная поверхность на охватывающей части выполнена с возможностью взаимодействия с первой ударной поверхностью на вставной части. Патентоспособная охватывающая часть имеет: I. второе средство передачи крутящего момента для вращения и II. второе аксиальное соединительное средство на вставной части для взаимодействия с III. первым средством передачи крутящего момента для вращения и IV. первым аксиальным соединительным средством на вставной части, - при этом второе средство передачи крутящего момента для вращения для входа в контакт с первым средством передачи крутящего момента для вращения проходит на охватывающей части так, и - при этом второе аксиальное соединительное средство для взаимодействия с первым аксиальным соединительным средством позиционировано так, - что, когда на бурильную колонну действует крутящий момент для вращения для бурения, обеспечено относительное перемещение между вставной частью и охватывающей частью, когда они находятся в состоянии соединения друг с другом и взаимодействия между первым и вторым средством передачи крутящего момента для вращения, то есть, когда первая и вторая ударные поверхности являются смежными друг с другом.

Предпочтительно, второе средство передачи крутящего момента для вращения является шлицами, имеющими входящие в контакт поверхности, которые проходят параллельно аксиальному направлению на охватывающей части или проходят спирально под углом наклона винтовой линии с величиной между 0° и 20° к аксиальному направлению.

Второе аксиальное соединительное средство предпочтительно включает в себя аксиальное средство сцепления, образованное радиально направленными выступами на охватывающей части.

Аксиальное средство сцепления предпочтительно включает в себя радиально направленные выступы в виде крюкообразных элементов или упоров на охватывающей части для сцепления с упорными участками поверхности на вставной части.

Когда вставная и охватывающий части соединены друг с другом, аксиальное средство сцепления обеспечивает сцепление при правом вращении бурильной колонны и/или левом вращении бурильной колонны и при этом ограничения относительного аксиального перемещение между вставная и охватывающей частью.

Предпочтительно, второе аксиальное соединительное средство образовано концевыми поверхностями шлицов на охватывающей части.

Предпочтительно, второе аксиальное соединительное средство включает в себя аксиальное обеспечивающее безопасность соединительное средство.

Предпочтительно, аксиальное обеспечивающее безопасность соединительное средство включает в себя резьбовое соединение или байонетное соединение.

Второе аксиальное обеспечивающее безопасность соединительное средство в виде наружной резьбы позиционировано на дальнем участке элемента в виде втулки или в виде штанги, проходящей по центру охватывающей части для стыковки с первым аксиальным закрепляющим соединительным средством в виде внутренней резьбы, которое позиционировано на дальнем участке вставной части.

Охватывающая часть предпочтительно включает в себя внутреннюю и наружную стенку, вместе образующие кольцевую камеру для приема вставной части в виде втулки.

Уплотнительное устройство предпочтительно позиционировано на щели внутреннего проема, образованного между вставной и охватывающей частями, как видно в рабочем положениями с первой и второй ударными поверхностями вблизи друг друга.

Вторая ударная поверхность выполнена для одного из следующего: привода через заплечик, забойного привода и двойного привода.

Когда вторая ударная поверхность выполнена для привода через заплечик, наружные поверхности встречающихся компонентов бурильной колонны по меньшей мере в зоне замка образуют, по существу, непрерывную поверхность обечайки.

Охватывающая часть предпочтительно имеет форму втулки со вторым средством передачи крутящего момента для вращения и вторым аксиальным соединительным средством ориентируемым на внутренней поверхности стенки втулки.

Предпочтительно, угол (β) между радиусом (R) частей замка и боковым направлением (f) образующим прямой угол с основной поверхностью средства передачи крутящего момента для вращения предпочтительно составляет 60-90° и, более предпочтительно, 70-90°.

Когда вставная часть снаружи имеет ближний цилиндрический направляющий участок, он предпочтительно взаимодействует с цилиндрической направляющей поверхностью на дальнем участке охватывающей части.

Предпочтительно, когда вставная часть в дальней зоне имеет часть цилиндрических наружных направляющих поверхностей, она взаимодействует с внутренней цилиндрической направляющей поверхностью на ближнем участке охватывающей части.

Привод через заплечик является предпочтительным, поскольку ударная волна может передаваться мимо замка снаружи самих соединительных элементов, скрепляющих средство передачи крутящего момента для вращения и аксиальное соединительное средство. При этом уменьшается износ в сравнении с вариантом решения с приводом в нижней части, см. также описанное выше по дополнительным преимуществам привода через заплечик.

Преимущества, описанные выше, которые относятся к патентоспособному замку, соответственно достигаются в отношении вставной и охватывающей частей. Зависимые возможные признаки, относящиеся к патентоспособному замку, также применимы в отношении патентоспособной вставной и охватывающей частей.

Патентоспособная бурильная штанга включает в себя одну такую вставную часть одну такую охватывающую часть или две таких вставных части или две таких охватывающих части.

Переходная муфта хвостовика для бурового станка включает в себя одну такую вставную часть или одну такую охватывающую часть.

Существует много способов изготовления компонентов бурильной колонны согласно. Один способ, часто применяемый для изготовления бурильных штанг, предусматривает сварку трением вставной и охватывающий части на штанге в форме отрезка трубы. В случае охватывающей части с конструкцией с двойной стенкой, внутреннюю втулку, образующую внутреннюю стенку или наружную втулку, образующую наружную стенку можно сваривать трением с базовой частью, включающей в себя другую из стенок.

Бурильная штанга согласно изобретению также является предпочтительной для применения в бурильных колоннах для забойных ударников, которые производят удары на конце бурильной колонны, а также для бурильных колонн только для вращательного бурения (например, трехшарошечным долотом).

Изобретение также относится к способу соединения вместе трубных компонентов бурильной колонны, подлежащих установке между ударно-вращательным буровым станком и буровым долотом для ударно-вращательного бурения, при этом каждый компонент бурильной колонны проходит вдоль аксиального направления, и при этом повторяющиеся ударные волны и передаются через замок, способ включает в себя следующие этапы: - инициирование аксиального вставления вставной части первого компонента бурильной колонны в охватывающую часть второго компонента бурильной колонны, - вращение первого компонента бурильной колонны относительно второго компонента бурильной колонны для обеспечeния сцепления аксиального обеспечивающего безопасность соединительного средства в виде резьбового соединения или байонетного соединения, - продолжение аксиального вставления вставной части в охватывающую часть на определенное расстояние, при этом первому компоненту бурильной колонны обеспечено вращeние относительно второго компонента бурильной колонны для обеспечeния сцепления аксиального средства сцепления и для обеспечения сцепления первого и второго средства передачи крутящего момента для вращения, расположенных на соответствующих вставной и охватывающей части.

Дополнительно детали и преимущества описаны ниже в подробном описании вариантов осуществления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение описано ниже более подробно для вариантов осуществления и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее.

На фиг. 1 упрощенно показан вид сбоку, частично в виде сечения верхнего ударника с бурильной колонной, включающей в себя бурильные штанги и буровое долото.

На фиг. 2а, b и с показаны продольные сечения первого варианта осуществления замка с частями замка первой и второй бурильной штанги в трех отличающихся состояниях соединения.

На фиг. 2c1 показано сечение первого варианта осуществления и на фиг. 2с2 показана в увеличенном масштабе контактная зона между двумя стыкующимися шлицами.

На фиг. 3а-d показан в разных видах второй вариант осуществления замка согласно изобретению.

На фиг. 4 показана отличающаяся часть замка.

На фиг. 5а-d показаны детали отличающейся части замка в разных положениях.

На фиг. 6 проиллюстрирован альтернативно сконструированный замок.

На фиг. 7a и b показаны дополнительные отличающиеся части замка.

На фиг. 8a-e показ дополнительные отличающийся замок и части замка.

На фиг. 9a и b показана альтернативная вставная часть замка.

На фиг. 10а и b показана дополнительно альтернативная вставная часть замка.

На фиг. 11 показан вид сбоку переходной муфты хвостовика.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Аналогичные и одинаковые элементы указаны одинаковыми ссылочными позициями на разных фигурах.

Верхний ударник 1 на фиг. 1 поддерживается с возможностью перемещения посредством направляющей буровой установки и выполнен с возможностью производить удары и вращение бурового долота 3 для разрушения породы.

Переходная муфта 5 хвостовика, расположенная частично внутри передней концевой зоны верхнего ударника 1, соединяется с компонентом бурильной колонны, которым является бурильная штанга бурильной колонны 2, указанная бурильная колонна составлена из ряда компонентов бурильной колонны, таких как отдельные бурильные штанги 4, которые соединены замками.

Буровое долото 3 соединено с самой нижней бурильной штангой 4 бурильной колонны 2 посредством бурильной головки 31.

Пример патентоспособного замка для соединения вместе бурильных штанг согласно изобретению показан на фиг. 2а, 2b и 2с. Первая бурильная штанга 6 имеет вставную часть 8, подлежащую соединению с охватывающей частью 9 второй бурильной штанги 7. Вставная часть 8 в варианте осуществления выполнена трубчатой, как втулка, имеющая свободный дальний конец и ближний конец, прикрепленный к трубчатой основной части первой бурильной штанги 6.

Бурильные штанги имеют проходящий аксиально промывочный канал для обеспечения прохода промывочной текучей среды от верхнего ударника до бурового долота.

Замок на фиг. 2a-c сконструирован для привода через заплечик, и позиция 10 указывает первую ударную поверхность на заплечике, который включен в состав на ближнем конце вставной части, и направляется аксиально для взаимодействия со второй ударной поверхностью 11 на самом дальнем конце второй бурильной штанги. В данном случае обеспечен удар с приводом через заплечик между бурильными штангами 6 и 7, при этом ударные волны проходят снаружи элементов, скрепляющих соединение бурильных штанг друг с другом.

Также возможным является привод в нижней части, в таком случае альтернативная ударная поверхность располагается на дальнем конце вставной части для взаимодействия с альтернативной ударной поверхностью на нижнем участке охватывающей части. В так называемом «двойном приводе» должен действовать привод через заплечик, а также привод в нижней части.

Вставная часть 8 имеет первое средство передачи крутящего момента для вращения в форме шлицов 12 в данном варианте осуществления. Шлицы 12 проходят аксиально параллельно оси A бурильных штанг 6 и расположены через равные интервалы на наружной поверхности участка вставной части в виде втулки.

В соединенном друг с другом состоянии вставной и охватывающей частей первое средство 12 передачи крутящего момента для вращения взаимодействует со стыкующимся вторым средством 14 передачи крутящего момента для вращения, расположенным на внутренней поверхности участка охватывающей части 9.

Вставная часть 8 дополнительно включает в себя первое аксиальное соединительное средство 13 в виде короткой винтовой резьбы на внутренней поверхности в дальней зоне вставной части 8 в виде втулки. Первое аксиальное соединительное средство 13 выполнено с возможностью взаимодействия со стыкующимся аксиальным соединительным средством 15, также в форме короткой винтовой резьбы на участке охватывающей части 9, позиционируемой радиально внутри второго средства 14 передачи крутящего момента для вращения, и направленной радиально наружу.

Охватывающая часть 9 в данном варианте осуществления включает в себя два коаксиальных элемента в форме втулок, вместе образующих кольцевое пространство или камеру для более или менее полного приема соединительных элементов вставной части 8. При этом, вставная часть имеет конструкцию с внутренней и наружной, двумя стенками для образования кольцевой камеры для приема вставной части (ее участка) в форме втулки. В показанном варианте осуществления, согласно фиг. 2a-2с, второе аксиальное соединительное средство, являющееся короткой наружной винтовой резьбой, расположено в дальней зоне на внутреннем из коаксиальных элементов в форме втулок, вместе образующих кольцевое пространство или камеру для приема соединительных элементов вставной части 8.

На фиг. 2а вставная часть 8 и охватывающая часть 9 показаны в состоянии, где вставная часть 8 вставлена в кольцевое пространство охватывающей части 9, и первое аксиальное соединительное средство 13 сцеплено со вторым аксиальным соединительным средством 15 короткими винтовыми резьбами, свинченными вместе друг с другом.

В состоянии, показанном на фиг. 2b, вставная часть 8 ввинчена дальше по резьбе относительно охватывающей части 9, при этом относительно короткие винтовые резьбы первого и второго аксиального соединительного средства 13 и 15 пройдены на всю их аксиальную длину. Вставная часть 8 может теперь по существу свободно перемещаться аксиально в указанное кольцевое пространство или камеру, образованную в охватывающей части 9, при этом шлицы, являющиеся первым и вторым средством 12 и 14 передачи крутящего момента для вращения, могут входить в зацепление друг с другом для передачи крутящего момента для вращения между первой и второй бурильными штангами.

Состояние, где первое и второе средство 12 и 14 передачи крутящего момента для вращения вошли в зацепление друг с другом проиллюстрировано в продольном и поперечном сечениях на фиг. 2с, где соединительные элементы вставной части 8 полностью вдвинуты в кольцевое пространство внутри охватывающей части 9 так, что первая и вторая ударные поверхности 10 и 11 находятся в контакте друг с другом.

Положение, показанное на фиг. 2c, является рабочим положением, в котором во время бурения повторяющиеся ударные волны могут передаваться по замку с бурильной штанги 6 на вторую бурильную штангу 7 по встречающимся ударным поверхностям 10 и 11.

Поскольку средства 12 и 14 передачи крутящего момента для вращения также находятся в зацеплении в данном положении, вращение, производимое верхним ударником, может также передаваться с первой бурильной штанги 6 на вторую бурильную штангу 7.

Согласно изобретению обеспечено, что элементы, скрепляющие замок, не противодействуют тенденциям разделения ударных поверхностей 10 и 11, возникающих мгновенно после удара, а также после возможного прохода отраженных ударных волн через замок. Напротив, является возможным относительное перемещение вставной части 8 и охватывающей части 9, которому не противодействуют ни взаимодействующие средства передачи крутящего момента для вращения ни аксиальное соединительные средства.

Также согласно изобретению, обеспечено по существу отсутствие отрицательного воздействия относительного изгиба первой и второй бурильных штанг, на вставную и охватывающую части, поскольку обеспечен также ограниченный относительный изгиб. В целом на замковые части нет отрицательного воздействия вредных усилий того уровня, который в нормальных условиях имеется в замковых частях известной техники.

На фиг. 2a проиллюстрирована бурильная штанга 6, выполненная из трубчатого элемента, сваренного трением с элементом, по существу, образующим вставную часть 8, посредством сварного соединения 19 трением, которое можно получить общеизвестным способом. Позиция 20 указывает второе сварное соединение трением между охватывающей частью замка частью и аналогичным трубчатым элементом, вместе образующими вторую бурильную штангу 7.

В нормальных условиях бурильная штанга включает в себя трубчатую часть, имеющую вставную часть на одном конце и охватывающую часть на другом. Также возможно наличие на бурильных штангах исключительно вставных частей или охватывающих частей на обоих концах.

Позиция 21 указывает третье сварное соединение трением, где элемент, подлежащий соединению со второй бурильной штангой 7, является участком только охватывающей части замка.

Этапы сварки между собой разных частей для получения бурильной штанги являются предпочтительными, поскольку относительно небольшую сложную часть можно изготавливать отдельно на обычном станке по обычной технологии станочной обработки.

Позиция 18 на фиг. 2c указывает уплотнительное устройство в виде уплотнительного кольца, например, из синтетического материала, выполненное с возможностью уплотнения щели 30 внутреннего проема, образующегося между двумя бурильными штангами 6 и 7 во время работы. Также возможно расположить аналогичное или отличающееся уплотнение на щели наружного проема, образующегося между частями замка. Уплотнительное устройство можно выполнить с пазом или небольшими отверстиями для обеспечения незначительной протечки промывочной текучей среды, проходящей в центральном промывочном канале, для обеспечения ограниченной промывки соединительных частей замка.

Возможно выполнение и установка обоих, аксиального соединительного средства и средства передачи крутящего момента для вращения инвертированными так, что первое средство передачи крутящего момента для вращения располагается внутри вставной части, и второе средство передачи крутящего момента для вращения располагается снаружи участка охватывающей части (но внутри кольцевого пространство или камеры) принимающей вставную часть. Первое аксиальное соединительное средство может располагаться снаружи вставной части, и второе аксиальное соединительное средство может располагаться внутри охватывающей части.

Также возможно выполнение охватывающей и вставной частей такими, что оба, аксиальное соединительное средство и средство передачи крутящего момента для вращения одной из частей расположены на одной стороне. В данном случае охватывающую часть можно сконструировать без кольцевого пространства или камеры, принимающей вставную часть.

На фиг.3a-d показан другой вариант осуществления замка, в котором аксиальные соединительные средства сконструированы иначе. Как можно видеть на фиг. 3а, вставная часть 8 компонента 6 бурильной колонны имеет множество аксиально проходящих шлицов, образующих (первое) средство передачи крутящего момента для вращения. Многочисленные шлицы распределены с равными интервалами по окружности на части отрезка длины вставной части и приспособлены для взаимодействия с соответствующими многочисленными шлицами, образующими второе средство передачи крутящего момента для вращения внутри охватывающей части (позиция 7 на фиг. 3b-d).

В дальней зоне вставной части 8 от основной части шлицов имеются радиально выступающие участки 32, образующие (первое) аксиальное соединительное средство. Данное (первое) аксиальное соединительное средство в виде выступающих участков приспособлено для взаимодействия между поверхностями 33, направленными аксиально от дальнего конца вставной части и соответствующих участков 35 поверхности в выемке или выемках, образующих второе аксиальное соединительное средство, образованное внутри стыкующейся охватывающей части (см., в частности, фиг. 3d)

На фиг. 3b показана вставная часть 8, незначительно вошедшая в охватывающую часть 9, причем выступающие участки 32 входят между гребнями шлицов 14. Канавки между гребнями шлицов являются углубленными и имеющими размеры, обеспечивающие перемещение выступающих участков по всему пути в состояние завершенного соединения между ними, превалирующего во время бурения, когда ударные поверхности 10 и 11 встречаются. Данное состояние показано на фиг. 3c и, более наглядно, на фиг. 3d в изометрии с частичным сечением. Одна такая углубленная канавка, обозначена позицией 36 на фиг. 3d.

Фиг. 3а-d, по существу, иллюстрируют вариант, имеющий байонетное соединительное устройство, используемое вместо резьбового соединительного устройства, скрепляющего первое и второе аксиальное соединительное средство, проиллюстрированного на фиг. 2a-с. Для достижения положения, показанного на фиг. 3d, после вставления полностью в охватывающую часть 9 вставная часть 8 была повернута так, что поверхности 33 стали обращены к поверхностям 35 внутри выемки 34. Дополнительное вращение предотвращается вследствие контакта шлицов 12 на вставной части, достигающими контакта со шлицами 14 внутри охватывающей части.

Байонетное соединительное устройство может выполняться для блокирования аксиального соединительного средства либо в результате правого вращения, используемого во время бурения, или в результате левого вращения, блокирование аксиального соединительного средства дает возможность извлечения колонны из скважины по завершении бурения.

Позицией 46 указаны два уплотнительных кольца, которые приняты в окружающие канавки, выполненные на кольцевом цилиндрическом удлинении в зоне дальнего конца вставной части 8 замка. Уплотнительные кольца образуют уплотнительное устройство в данном варианте осуществления, где охватывающая часть относится к типу с одной стенкой. Уплотнительные кольца входят в контакт и обеспечивают уплотнительное взаимодействие вместе с кольцевой цилиндрической уплотнительной поверхностью 47 внутри ближнего участка охватывающей части замка.

В варианте блокирования аксиального соединительного средства в результате правого вращения, применяемого во время бурения, важно, иметь достаточный люфт между поверхностями 33 и 35, так что относительному перемещению между вставной и охватывающей частью не создается препятствий или даже они входят в контакт друг с другом по описанным выше причинам.

Важный признак изобретения показан в поперечном сечении на фиг. 2с1, где угол β является углом между радиусом R замка и боковым направлением f, образующим прямой угол с центральной или боковой поверхностью средства передачи крутящего момента для вращения (здесь шлицы) как видно в поперечном сечении.

Два встречающихся шлица указаны позициями 39 и 40. Радиус R проходит через контактную зону встречающихся поверхностей, контактирующих друг с другом под углом β, определенным выше, через зону контакта между двумя встречающимися боковыми поверхностями шлицов 39 и 40 и плоскости SP, проходящей вдоль поверхностей в зоне контакта. Направление вращения указано позицией RD. Угол β является достаточно большим и предпочтительно составляет 45-90°, более предпочтительно 60-90°, и, наиболее предпочтительно, 70-90° для предотвращения чрезмерного износа, а также тенденций к самоблокированию во вращательном направлении, когда на замок действует крутящий момент для бурения.

Вариант осуществления, показанный на фиг. 2а-c является примером, в котором значительное разделение, например 100 мм является возможным после установления аксиального соединения посредством аксиального соединительного средства. Вариант осуществления, показанный на фиг. 3a-d является примером блокирования правым вращением (блокирования во время правого вращения) при этом уменьшенное аксиальное разделение с величиной, например, 2-4 мм является возможным после установления аксиального блокирования посредством аксиального соединительного средства.

На фиг. 4 показаны шлицы 12, проходящие на вставной части 8, образующие угол α наклона винтовой линии относительно аксиального направления. Данное может являться предпочтительным для получения весьма незначительного действия сокращения на встречающиеся бурильные штанги под действием правого вращения. Угол α наклона винтовой линии должен быть достаточно мал, с величиной, при которой взаимное перемещение между частями никоим образом не сдерживается или не ограничивает эксплуатационный ресурс или не приводит к усталостным отказам.

По данной причине угол α наклона винтовой линии должен быть настолько мал, что отсутствует риск возникновения эффекта самоблокирования между первым и вторым средством передачи крутящего момента, для исключения уменьшения предпочтительного эффекта изобретения. Указанное в нормальных условиях достигается, когда угол α наклона винтовой линии имеет величину между 0° и 20°.

Как проиллюстрировано на фиг. 4, для вариантов шлицов, проходящих по винтовой траектории, направление f1 боковой поверхности также образует угол α с плоскостью CP поперечного сечения части (частей) замка. Получающийся в результате угол направления боковой поверхности вычисляется с учетом величин обоих углов, α и β.

На фиг. 5а, b показан вариант, где шлицы X2 на вставной части 8 выполнены с крюкообразными упорами 37 для предотвращения разделения, когда компоненты бурильной колонны вращаются в одном направлении. Крюкообразные упоры взаимодействуют с контактными поверхностями 38 на концах шлицов 14 внутри охватывающей части 9, которая показана с частичным вырезом, так что вместе скрепляют первое и второе аксиальное соединительное средство. На фиг. 5b показано относительное угловое положение между вставной и охватывающей частью, образующее блокированное положение, где крюкообразные упоры 37 взаимодействуют с контактными поверхностями 38. На фиг. 5c показано относительное угловое положение между вставной и охватывающей частью, образующее разблокированное положение, где крюкообразные упоры 37 освобождены от контакта с контактными поверхностями 38.

На фиг. 5d схематично проиллюстрирован дополнительный вариант, где шлицы 12 на вставной части выполнены с крюкообразными упорами 37, укомплектованными выступающими вверх опорами 51, дающими форму развернутой буквы J. Данное предотвращает разделение, когда компоненты бурильной колонны вращаются относительно друг друга в обоих направлениях, когда соответствующая опора 52 на нижнем конце шлица 14 каждой охватывающей части находится в зацеплении в камере, ограниченной опорой 51 на вставной части.

В создающих преимущества и предпочтительных вариантах осуществления устройства, показанные на фиг. 3a-d, 4 и 5 с отличающимисяся формами и функциями взаимодействующих крюкообразных упоров и контактных поверхностей комбинируются с устройством, описанным выше и показанным на фиг. 2а-2с.

Один пример указанного проиллюстрирован на фиг. 6, где части замка с одной стороны снабжены короткой резьбой 13, 15, образующей первое аксиальное обеспечивающее безопасность соединительное средство на вставной части и второе аксиальное обеспечивающее безопасность соединительное средство на охватывающей части, кроме того и с другой стороны также выполнены взаимодействующие крюкообразные упоры и контактные поверхности на выступающих участках 32 и в выемках 34, образующие первое и второе аксиальное средство сцепления на вставной и на охватывающей части, соответственно. При этом получается объединенное действие первого и второго аксиального соединительного средства, включающего в себя аксиальное обеспечивающее безопасность соединительное средство, а также аксиальное средство сцепления, значение которого объяснено выше.

На фиг. 7а и b проиллюстрирован вариант аксиального соединительного средства, показанного на фиг. 3a-d, являющегося аксиальным обеспечивающим безопасность соединительным средством. После поворота частей замка относительно друг друга в положение, проиллюстрированное на фиг. 7а и аксиального перемещения относительно друг друга в положение, проиллюстрированное на фиг. 7b, каждый выступающий участок 32 позиционируется в гнезде 44, имеющем аксиальный останавливающий упор (не показано) для выступающего участка и закраина 45, предотвращащая случайное вращение выступающего участка 32 и при этом вращательное смещение частей замка во время подъема бурильной колонны, данный вариант осуществления обеспечивает увеличенную безопасность против случайной разборки в сравнении с обычными вариантами осуществления фиг. 3a-d.

Когда части сжимаются вместе вновь (назад к фиг. 7а) и вставная часть повернута в направлении высвобождения по стрелке 40 относительно охватывающий части, части можно разобрать, поскольку выступающие участки 32 могут свободно проходить по всей длине канавок 49 между шлицами 50.

На фиг. 8а показано продольное сечение, на фиг. 8b вид в изометрии с сечением и на фиг. 8с поперечное сечение собранного замка с вставной частью 8, полностью вставленной в охватывающую часть 9, и наружными шлицами 12, находящимися в зацеплении с внутренними шлицами 14.

В данном варианте осуществления элемент 53 в форме штанги проходит от основания 55 штанги, примыкающего к внутреннему пространству части 56 в форме трубы охватывающей части. Указанное отличается от варианта осуществления, показанного на фиг. 6 и описанного выше, где внутренний элемент в форме втулки охватывающей части в дальней зоне обеспечивает наружную резьбу.

Кроме того, в отношении варианта осуществления, показанного на фиг. 8а, в своей дальней зоне, элемент 53 в форме штанги образует конструкцию 54 в форме чашки с полостью 57, проем которой обращен от основания штанги. На наружной поверхности конструкция 54 в форме чашки несет наружную резьбу 60, являющуюся (вторым) обеспечивающим безопасность соединительным средством охватывающей части второго аксиального соединительного средства.

Конструкция 54 снабжена множеством первых сквозных отверстий 58 для промывочной текучей среды. Основание штанги, которое проходит от элемента в форме штанги радиально наружу, создавая перекрывание до внутренней поверхности трубы расположенной снаружи части 56 в форме трубы, снабжено множеством вторых сквозных отверстий 59 для промывочной текучей среды.

Вставная часть 8 имеет форму втулки и проходит от ближней зоны, примыкающей к части имеющей форму гладкой трубы компонента бурильной колонны к дальней зоне, имеющей внутри внутреннюю резьбу 61, соответствующую наружной резьбе 60 (вставная часть (первое) аксиальное обеспечивающее безопасность соединительное средство первого аксиального соединительного средства), вместе образующих аксиальное обеспечивающее безопасность соединительное средство второго аксиального соединительного средства. Проход между внутренней резьбой 61 внутренней поверхностью 62 элементов в форме втулки и наружной поверхностью элементов в форме штанги образует вместе с отверстиями 58 и 59 эффективный путь промывочнойй текучей среды. Во время работы небольшие количества текучей среды протекают во всех без исключения замках мимо шлицов 14 для охлаждения и наружу между наружной поверхностью цилиндрической направляющей части 63, наиболее близкой на вставной части, и внутренней поверхностью цилиндрической направляющей части 64, наиболее удаленной на части в форме трубы охватывающей части, затем, между контактными поверхностями заплечика, позиция 65, между ударами.

Данные внутренняя и наружная поверхности 63 и 64 вставной и охватывающей частей, соответственно, вносят вклад в выставление замка по оси во время работы. Дополнительно, выставление замка по оси также предпочтительно осуществляется через взаимодействие направленных радиально наружу поверхностей 72 на крюкообразных упорах и внутренней поверхности 71 внутри части в форме трубы охватывающей части (см. фиг. 8а, 8b, 9b и 10b). Направленные радиально наружу поверхности 72 крюкообразных упоров 3 вместе образуют прерывистую поверхность кольцевой обечайки.

Надлежащий контакт между поверхностями 71 и 72 можно обеспечить, имея незначительно уменьшенный внутренний диаметр участка охватывающей части, образующего внутреннюю поверхность 71. Надлежащий контакт между поверхностями 71 и 72 можно альтернативно обеспечить, имея незначительно увеличенный наружный диаметр крюкообразных упоров (и направленных радиально наружу поверхностей 72).

Данное комбинированное направляющее устройство на двух аксиально разделенных позициях замка является предпочтительным для достижения стабильного выставления по оси.

Комплектная охватывающая часть включает в себя участок штанги, содержащий основание 55 штанги и участок 56ʹ части в форме трубы, как показано на фиг. 8d вместе с продолжением 56ʹʹ части в форме трубы, как показано на фиг. 8е. Участок 56ʹ сварен трением на позиции 66ʹʹ встык с поверхностью на позиции 66ʹ продолжения 56ʹʹ для образования сварного стыка 66 комплектной охватывающей части. Охватывающая часть затем в свою очередь сваривается трением с трубой компонента бурильной колонны.

Кроме того внутри продолжения 56ʹʹ установлены шлицы 14 охватывающей части. На внутреннем конце каждого из шлицов 14 предусмотрены контактные поверхности 38, образующие средство аксиального сцепления охватывающей части (см. для сравнения позицию 38 на фиг. 5a-с).

На фиг. 9a и b проиллюстрирована вставная часть варианта осуществления фиг. 8а. На виде сбоку фиг. 9b понятно, что крюкообразные упоры 37 выполнены отдельно от шлицов, можно сказать, что кольцевая канавка предусмотрена между ними. Данное облегчает изготовление и высокоточную станочную обработку контактных поверхностей на упорах 37. Контактные поверхности 37ʹ выполнены для сцепления при одном направлении вращения только с контактными поверхностями 38, образующими аксиальное средство сцепления вставной части. Полное разъяснение по вставной части, касающееся отличающихся элементов дано в приведенном выше описании. Вставная часть сваривается трением с трубой, образующей основную часть компонента бурильной колонны.

На фиг.10a и b проиллюстрирована альтернативно выполненная вставная часть. Из показанного на виде сбоку фиг 9a очевидно, что упоры 37 имеют контактные поверхности 37ʹʹ, выполненные для сцепления при первом направлении вращения с контактными поверхностями 38, образующими аксиальное средство сцепления охватывающей части (см. фиг. 8е). Данная альтернативно выполненная вставная часть имеет упоры 37, выполненные с контактными поверхностями 37ʹʹ для сцепления также при втором направлении вращения с контактными поверхностями 38, образующими аксиальное средство сцепления охватывающей части (см. фиг. 8е).

Кроме того в данном варианте осуществления вставной части отсутствует внутренняя резьба, скрепляющая вставную часть аксиальным обеспечивающим безопасность соединительным средством наиболее удаленно внутри поверхности 62. Аксиальное сцепление, таким образом, полностью опирается на аксиальное средство сцепления.

Вариант осуществления, показанный на фиг. 10а и b является в частности применимым для переходной муфты 67 хвостовика, см. фиг. 11, где аксиальное обеспечивающее безопасность средство будет являться помехой вследствие повторяющегося монтажа и демонтажа, проходящего между переходной муфтой хвостовика и смежным компонентом бурильной колонны, позиция 68 указывает вставную часть, показанную на фиг. 10a и b и описанную выше, позиция 69 указывает конец переходной муфты хвостовика со стороны бурового станка и позиция 70 указывает внутренний компонент вертлюга.

Возможно применение другого средства предотвращения вращения между соединенными между собой частями кроме шлицов, как первого и второго средства передачи крутящего момента для вращения. По существу, соединенные между собой части, имеющие предотвращающее вращение средство, которые сцепляются друг с другом, могут иметь различные конфигурации, когда они выполняют требования, изложенные выше. Применение шлицов является, вместе с тем, предпочтительным по ряду причин, таких как простота изготовления и надежность. Число шлицов может быть приспособлено к ситуации и условию выполнения частями замка относительного вращение для достижения аксиального блокирования. Аксиальная длина шлицов выбирается для достижения приемлемой нагрузки на боковую поверхность шлицов.

Варианты осуществления, показанные на фигурах, иллюстрируют бурильные колонны, имеющие вставную часть замка, которую несет компонент бурильной колонны, самый близкий к бурильному ударнику но очевидно, что ситуация с охватывающей частью замка, которую несет самый близкий к бурильному ударнику, компонент бурильной колонны, также возможна.

Термин «составлен из» здесь имеет открытое (не закрытое) значение, которое не сужается элементом, следующим за термином. Также могут присутствовать другие элементы.

1. Замок для соединения вместе компонентов (6, 7) бурильной колонны для ударно-вращательного бурения, причем каждый компонент бурильной колонны проходит вдоль аксиального направления (А), и при этом в работе повторяющиеся ударные волны и крутящий момент для вращения передаются через замок, причем замок включает в себя вставную часть (8) и охватывающую часть (9), имеющие встречающиеся ударные поверхности (10, 11),

отличающийся тем, что

- вставная часть (8) имеет:

I. первое средство (12) передачи крутящего момента для вращения и

II. первое аксиальное соединительное средство (13),

- охватывающая часть (9) имеет:

III. второе средство (14) передачи крутящего момента для вращения и

IV. второе аксиальное соединительное средство (15),

- при этом первое и второе средство (12, 14) передачи крутящего момента для вращения проходят на соответствующих вставной и охватывающей частях, а первое и второе аксиальное соединительное средство (13, 15) позиционированы так,

что, когда на бурильную колонну действует крутящий момент вращения для бурения, обеспечено относительное аксиальное перемещение между вставной частью (8) и охватывающей частью (9), находящимися в состоянии соединения друг с другом с взаимодействием между первым и вторым средством передачи крутящего момента для вращения,

- причем первое и второе средство (12, 14) передачи крутящего момента для вращения являются стыкующимися шлицами.

2. Замок по п. 1, отличающийся тем, что стыкующиеся шлицы первого и второго средства (12, 14) передачи крутящего момента для вращения имеют входящие в контакт поверхности, которые проходят параллельно аксиальному направлению (А) на соответствующих вставной части (8) и охватывающей части (9) или проходят спирально на соответствующих вставной и охватывающей частях под углом α наклона винтовой линии между 0° и 20° к аксиальному направлению.

3. Замок по п. 2, отличающийся тем, что первое и второе аксиальное соединительное средство включает в себя аксиальное средство сцепления, образованное радиально направленными выступами на одной из вставной и охватывающей частей.

4. Замок по п. 3, отличающийся тем, что аксиальное средство сцепления включает в себя радиально направленные выступы в виде крюкообразных элементов или упоров на одной из вставной и охватывающей частей для сцепления с участками упорной поверхности на другой одной из вставной и охватывающей частей.

5. Замок по п. 3 или 4, отличающийся тем, что, когда вставная часть (8) и охватывающая часть (9) соединены друг с другом, аксиальное средство сцепления обеспечивает сцепление при правом вращении колонны и/или левом вращении бурильной колонны и при этом ограничение относительного аксиального перемещения между вставной и охватывающей частью.

6. Замок по любому из пп. 2-5, отличающийся тем, что одно из первого и второго аксиального соединительного средства (13, 15) образовано концевыми поверхностями шлицов на вставной части (8) или охватывающей части (9).

7. Замок по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что первое и второе аксиальное соединительное средство включает в себя аксиальное обеспечивающее безопасность соединительное средство.

8. Замок по п. 7, отличающийся тем, что аксиальное обеспечивающее безопасность соединительное средство включает в себя резьбовое соединение или байонетное соединение.

9. Замок по п. 7 или 8, отличающийся тем, что второе аксиальное обеспечивающее безопасность соединительное средство в виде наружной резьбы позиционировано на дальнем участке элемента в виде втулки или штанги, проходящего по центру охватывающей части, при этом стыкующееся аксиальное обеспечивающее безопасность соединительное средство в виде внутренней резьбы позиционировано на дальнем участке вставной части.

10. Замок по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что охватывающая часть (9) включает в себя внутреннюю и наружную стенку, вместе образующие кольцевую камеру для приема вставной части в виде втулки.

11. Замок по п. 10, отличающийся тем, что средство передачи крутящего момента для вращения позиционировано на одной из внутренней и наружной поверхностей вставной части в виде втулки.

12. Замок по п. 10 или 11, отличающийся тем, что первое аксиальное соединительное средство позиционировано на одной из внутренней и наружной поверхностей вставной части в виде втулки.

13. Замок по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что уплотнительное устройство (18) позиционировано на щели внутреннего проема, образованного между вставной частью (8) и охватывающей частью (9), как видно в рабочем положении с первой и второй ударными поверхностями вблизи друг друга.

14. Замок по любому из пп. 1-13, отличающийся тем, что первые и вторые ударные поверхности (10, 11; 16, 17) выполнены для одного из следующей группы: привода через заплечик, привода в нижней части и двойного привода.

15. Замок по п. 14, в котором первые и вторые ударные поверхности (10, 11; 16, 17) выполнены для привода через заплечик, отличающийся тем, что наружные поверхности встречающихся компонентов бурильной колонны, по меньшей мере, в зоне замка образуют, по существу, непрерывную поверхность обечайки.

16. Замок по любому из пп. 1-15, отличающийся тем, что охватывающая часть в форме втулки имеет оба средства, второе средство передачи крутящего момента для вращения и второе аксиальное соединительное средство, ориентированные на внутреннюю стенку втулки.

17. Замок по любому из пп. 1-16, отличающийся тем, что угол (β) между радиусом (R) частей замка и боковым направлением (f), образующим прямой угол с основной поверхностью средства передачи крутящего момента для вращения, составляет 60-90° и, более предпочтительно, 70-90°.

18. Замок по любому из пп. 1-17, отличающийся тем, что вставная часть снаружи имеет ближний цилиндрический направляющий участок для взаимодействия с внутренней цилиндрической направляющей поверхностью на дальнем участке охватывающей части.

19. Замок по любому из пп. 1-18, отличающийся тем, что вставная часть в дальней зоне имеет цилиндрические наружные направляющие поверхности для взаимодействия с внутренней цилиндрической направляющей поверхностью на ближнем участке охватывающей части.

20. Вставная часть (8) замка для соединения вместе компонентов (6, 7) бурильной колонны для ударно-вращательного бурения, причем каждый компонент бурильной колонны проходит вдоль аксиального направления, и при этом в работе повторяющиеся ударные волны и крутящий момент для вращения передаются через замок, при этом вставная часть (8) является частью первого компонента (6) бурильной колонны и выполнена с возможностью взаимодействия с охватывающей частью второго компонента бурильной колонны, и при этом ударная поверхность вставной части выполнена с возможностью взаимодействия с ударной поверхностью на охватывающей части,

отличающаяся тем, что

- вставная часть (8) имеет:

I. первое средство (12) передачи крутящего момента для вращения и

II. первое аксиальное соединительное средство (13),

для взаимодействия со

III. вторым средством передачи крутящего момента для вращения и

IV. вторым аксиальным соединительным средством

на охватывающей части (9),

- при этом первое средство передачи крутящего момента для вращения для входа в контакт со вторым средством передачи крутящего момента для вращения проходит на вставной части, а первое аксиальное соединительное средство для взаимодействия со вторым аксиальным соединительным средством позиционировано так,

- что, когда на бурильную колонну действует крутящий момент для вращения для бурения, обеспечено относительное аксиальное перемещение между вставной частью (8) и охватывающей частью (9), находящимися в состоянии соединения друг с другом с взаимодействием между первым и вторым средством передачи крутящего момента для вращения,

- причем первое средство (12) передачи крутящего момента для вращения является шлицами для стыковки со шлицами, которые являются вторым средством передачи крутящего момента для вращения на охватывающей части.

21. Охватывающая часть (9) замка для соединения вместе компонентов бурильной колонны для ударно-вращательного бурения, причем каждый компонент бурильной колонны проходит вдоль аксиального направления, и при этом в работе повторяющиеся ударные волны и крутящий момент для вращения передаются через замок, при этом охватывающая часть (9) является частью второго компонента (7) бурильной колонны и выполнена с возможностью взаимодействия с вставной частью первого компонента бурильной колонны, при этом вторая ударная поверхность на охватывающей части выполнена с возможностью взаимодействия с первой ударной поверхностью вставной части,

отличающаяся тем, что

- охватывающая часть (9) имеет:

I. второе средство (14) передачи крутящего момента для вращения и

II. второе аксиальное соединительное средство (15),

для взаимодействия с

III. первым средством передачи крутящего момента для вращения и

IV. первым аксиальным соединительным средством

на вставной части (8),

- при этом второе средство передачи крутящего момента для вращения для поддержания контакта с первым средством передачи крутящего момента для вращения проходит на охватывающей части, а второе аксиальное соединительное средство для взаимодействия с первым аксиальным соединительным средством позиционировано так,

- что, когда на бурильную колонну действует крутящий момент для вращения, обеспечено относительное перемещение между вставной частью (8) и охватывающей частью (9), когда они находятся в состоянии соединения друг с другом с взаимодействием между первым и вторым средством передачи крутящего момента для вращения,

причем второе средство (14) передачи крутящего момента для вращения является шлицами для стыковки со шлицами, которые являются первым средством передачи крутящего момента для вращения на вставной части.

22. Бурильная штанга (6; 7) для ударно-вращательного бурения горной породы, отличающаяся тем, что бурильная штанга включает в себя по меньшей мере одну вставную часть (8) замка по п. 20.

23. Бурильная штанга (6; 7) для ударно-вращательного бурения горной породы, отличающаяся тем, что бурильная штанга включает в себя по меньшей мере одну охватывающую часть (9) замка по п. 21.

24. Бурильная штанга по п. 22 или 23, в которой первые и вторые ударные поверхности (10, 11; 16, 17) выполнены для привода через заплечик, отличающаяся тем, что наружные поверхности частей замка взаимодействующих бурильных штанг выполнены так, что, по меньшей мере, в зоне замка они образуют, по существу, непрерывную поверхность обечайки.

25. Переходная муфта (5) хвостовика для бурового станка (1) для горной породы, отличающаяся тем, что переходная муфта (5) включает в себя вставную часть замка по п. 20 или охватывающую часть замка по п. 21.

26. Переходная муфта хвостовика по п. 25, отличающаяся тем, что переходная муфта хвостовика снабжена аксиальным средством сцепления, выполненным с возможностью сцепления при правом, а также левом вращении бурильной колонны и при этом ограничения относительного аксиального перемещения относительно прикрепленного и сцепленного компонента бурильной колонны.

27. Способ соединения вместе компонентов (6, 7) бурильной колонны для ударно-вращательного бурения, причем каждый компонент бурильной колонны проходит в аксиальном направлении (А), и причем в работе повторяющиеся ударные волны и крутящий момент для вращения передаются через замок, включающий в себя следующие этапы, на которых осуществляют:

- инициирование аксиального вставления вставной части (8) первого компонента бурильной колонны в охватывающую часть (9) второго компонента бурильной колонны,

- вращение первого компонента бурильной колонны относительно второго компонента бурильной колонны для обеспечeния сцепления аксиального обеспечивающего безопасность соединительного средства в виде резьбового соединения или байонетного соединения,

- продолжение аксиального вставления вставной части (8) в охватывающую часть (9) на определенное расстояние, при этом первому компоненту бурильной колонны обеспечивается вращeние относительно второго компонента бурильной колонны для обеспечeния сцепления аксиального средства сцепления и для обеспечeния сцепления первого и второго средств (12, 14) передачи крутящего момента для вращения, расположенных на соответствующих вставной и охватывающей части.