本发明涉及一种用于形成钻柱的部分的钻柱构件，其具有阳型插头联接端，该阳型插头联接端具有被构造用以最小化在螺纹的区域处的应力和联接的失效的螺纹区段。
背景技术：
冲击钻孔用于经由被相互连接的阳型螺纹端和阴型螺纹端而端对端联接到一起的多个伸长的钻柱杆创建长钻孔。已经良好确立的技术利用从安装在钻柱的一端处的岩石钻头传递到在钻孔的底部处的岩石的锤击冲击而破碎岩石。典型地，破碎岩石所要求的能量由(经由柄部转接器)接触钻柱的端部的液压驱动活塞产生，以创建通过钻柱传播并且最终传到底部岩石水平高度的应力(或者冲击)波。在ep2845993、ep1259703、ep1232321和us4,968,068中描述了传统的阳型螺纹和阴型螺纹联接。
当邻近的钻杆的阳型螺纹端和阴型螺纹端被联接起来以创建钻柱时，在钻孔期间，接头典型地经受弯曲力。这些弯曲力矩使得联接疲劳并且导致在接头的螺纹部分内的断裂。典型地，正是螺纹阳型插头受到损坏并且决定了联接的操作寿命。特别地，阳型插头的螺纹区段中的应力典型地是相当大的并且对于插头在螺纹的区域处失效是常见的。另外地，还由于压缩冲击波的传递而在螺纹的区域处发生应力。相应地，所需要的是解决以上问题的、加强的阳型螺纹联接。
技术实现要素：
本发明的目的是提供用于形成钻柱的部分的钻柱构件，该钻柱构件具有阳型端，该阳型端被构造用以承受作用于钻柱上的非对称加载力，以减小阳型端的螺纹区段的应力并且最小化联接的失效的风险。进一步目的是提供联接，该联接抵抗例如由于孔偏差或者在最后的钻杆或者柄部转接器处的驱动活塞的非中心撞击引起的、在钻柱中的弯曲波。进一步目的是提供用于肩部接触联接的钻孔构件，该钻孔构件具有阳型螺纹端，该阳型螺纹端提供与邻近的钻杆或者钻柱的其它构件的对应的阴型螺纹端的可靠联接，从而形成了在组装起来的钻柱内的一体的并且可靠的单元。
通过为钻构件处的阳型联接提供肩部接触区域而实现了这些目的，在肩部接触区域中，阳型插头联接的非螺纹柄部部分的轴向长度相对于螺纹区段处的阳型插头的外部直径具有预定的最小值。
根据本发明的第一方面，提供用于形成钻柱的部分的伸长构件，包括：伸长的长度区段，该伸长的长度区段具有一对轴向端；阳型插头，该阳型插头设置在这些端中的至少一个端处并且具有外部螺纹区段和非螺纹柄部，该非螺纹柄部轴向定位于螺纹区段和长度区段中间；该阳型插头从长度区段的环形侧表面或者径向向外延伸的肩部轴向突出，该螺纹区段具有与螺纹的牙顶对应的外径(dy)，并且非螺纹柄部包括轴向长度(ls)，该轴向长度(ls)在螺纹区段的轴向内端和侧表面之间限定；其特征在于：商ls/dy等于或者大于0.4。
在该说明书内提到的dy对应于在螺纹区段的直径方向上的相反两侧上的(螺旋脊部的)牙顶处的径向位置之间的直径方向上的距离，以表示螺纹区段的最大直径。在螺纹区段是基本锥形的情况下，dy对应于具有最大半径/直径的轴向最末端的牙顶的直径方向上的距离。
在该说明书内提到的ds对应于非螺纹柄部的最小(最小的)直径并且dm对应于主长度区段的直径。另外地，在该说明书内，提到的di对应于在螺纹区段的直径方向上的相反两侧上的(螺旋脊部的)牙底处的径向位置之间的直径方向上的距离，以表示螺纹区段的最小直径。在螺纹区段是基本锥形的情况下，di对应于具有最大半径/直径的轴向最末端的牙底的直径方向上的距离。
在该说明书内，提到的ls对应于在螺纹区段的轴向内端和肩部或者主长度区段的侧表面之间限定的非螺纹柄部的轴向长度，并且lt对应于在螺纹退出端之间的螺纹区段的轴向长度。
可选地，商ls/dy处于范围0.4至1.0中。可选地商ls/dy处于范围0.45至1.0、0.5至1.0、0.55至1.0、0.6至1.0、0.65至1.0、0.7至1.0、0.75至1.0；0.8至1.0或者0.85至1.0中。优选地，商ls/dy处于范围0.4至0.8或者0.5至0.8中。可选地，商ls/dy可以等于或者大于0.45、0.5、0.6或者0.7。经由非螺纹柄部的这个最小轴向长度将螺旋螺纹与钻柱构件的肩部接触区域轴向分开最小化了在钻孔期间由钻头的位置上的横向偏差或者潜在的有缺陷的锤击撞击引起的、通过螺旋螺纹传递的弯曲力的大小。相应地，除了减小潜孔联接失效的风险之外，与传统的阳型联接相比，钻构件的寿命也得到提高。
优选地，插头包括轴向长度(l)，该轴向长度(l)在插头的轴向最末端表面和长度区段的侧表面或者肩部之间限定，其中商ls/l等于或者大于0.25。更加优选地，商ls/l是范围0.25至0.5；0.3至0.5；0.35至0.5；0.4至0.5；0.45至0.5。通过相对于插头的总的轴向长度最大化非螺纹柄部的轴向长度，螺纹区段与构件的肩部接触区域轴向分开并且因此被构造用以更好地承受弯曲力矩并且相应地减小在螺旋螺纹处的应力集中。在该说明书内，螺纹区段的轴向内端被定义为轴向位置，在该轴向位置处，螺纹的牙顶或者牙底的径向位置对应于非螺纹柄部的外部表面的径向位置。
可选地，并且为了进一步提高对于由弯曲力引起的应力的抵抗，柄部包括过渡区域，该过渡区域与环形侧表面相邻地定位，其中在该构件的纵向轴线上延伸的平面中，在过渡区域处的横截面轮廓是弯曲的，使得柄部的横截面面积朝向环形侧表面轴向增加。更加优选地，轴向最靠近侧表面的过渡区域的曲率包括第一曲率半径，该第一曲率半径小于轴向最靠近螺纹区段的过渡区域处的外表面的第二曲率半径，在第一曲率半径和第二曲率半径上的过渡区域的外径在从螺纹区段至侧表面的方向上增加。相应地，在构件的肩部区域和插头(并且特别地是非螺纹柄部)之间的轴向连接部(junction)对于弯曲力矩得到增强，以减小在载荷下的应力集中和联接的失效的风险。提到的“曲率”包含了表面轮廓中的光滑或者逐渐的变化并且还包含了从非螺纹柄部至肩部的在直径上的多个顺序的线性增加，它们可以被共同地认为是“弯曲”形状轮廓。
可选地，钻柱构件包括肩部，该肩部从构件的主长度或者总体长度区段径向突出，使得肩部的外径大于长度区段和/或阳型插头的外径。可选地，肩部并且特别地是环形侧表面可以由构件的长度区段的轴向端或者径向延伸的肩部的轴向侧形成。这种构造在阳型插头和对应的阴型套筒之间提供肩部接触联接。可选地，在构件的纵向轴线的平面中，在非螺纹柄部和环形端表面之间的过渡区域的外表面的横截面轮廓包括椭圆的一部分(segment)。可选地，该部分基本是椭圆的周长的四分之一。
在该说明书内提到的ds对应于非螺纹柄部的最小(最小的)直径并且dm对应于主长度区段的直径。
优选地，ls小于螺纹区段的轴向长度lt。可选地，非螺纹柄部的直径(ds)大致等于或者小于主长度区段的直径(dm)。可选地，ds可以大致等于dy。
优选地，ds小于dy。优选地，ds小于在螺纹区段的直径方向上的相反两侧上的(在螺旋脊部之间的)牙底的径向位置之间的直径方向上的距离(di)。更加优选地，ds可以处于范围(di减td)至(di减4td)中，其中td是在牙顶和牙底的径向位置之间的与纵向轴线垂直的螺纹深度。更加优选地，ds处于范围(di减td)至(di减3td)中。最优选地，ds等于di减2td。包括如在这里详述的ds构造的插头有利于允许优化与主长度区段的端部或者肩部的环形侧表面相邻的过渡区域。特别地，小于di的ds实现了轴向更长的过渡区域以及在非螺纹柄部和(肩部或者主长度区段的)环形侧表面之间的过渡部处的更大的曲率半径。相应地，ds的本发明构造最小化在插头的基部处(在它与主长度或者肩部区段的连接部处)的应力集中。ds的本发明构造与ls组合相应地有利于提供抵抗弯曲应力的冲击构件，并且还构造用以在使用中当钻柱的构件完美地轴向对准时以及还有当被偏转(稍微地横向于彼此对准)时承受由于撞击冲击波通过插头的传递而引起的应力。
优选地，轴向最靠近侧表面的过渡区域的曲率包括至少三个或者至少四个曲率半径。可选地，过渡区域的曲率包括三个至六个或者三个至四个曲率半径。优选地，在过渡区域处的半径从(肩部或者主长度的)侧表面朝向非螺纹柄部的最小直径(ds)在轴向方向上增加。优选地，过渡区域包括三个或者四个不同的曲率半径。在r1最靠近侧表面定位并且r4位于非螺纹柄部的最小直径ds处并且限定该最小直径ds的情况下的过渡区域处，可选地，第一曲率半径r1大致是第二曲率半径的一半r1≈r2/2；可选地，r2大致是第三曲率半径的一半r2≈r3/2；可选地，r3大致是第四曲率半径的三分之一r3≈r4/3。
本主题发明被特别地构造成用于冲击式钻构件的螺纹插头。经由螺纹和非螺纹柄部(如在这里详述的那样)的构造实现的伸长构件且特别地是阳型插头适合于承受由撞击式冲击的传递引起的弯曲力和应力集中，同时最小化在传递期间的冲击波大小的任何减小。插头的螺纹轮廓适合用于冲击钻孔并且优选地是，螺纹包括沿着螺纹区段lt的轴向长度的均匀直径。即，螺纹区段优选地被形成为基本柱形区段。这样，该螺纹轮廓是明显地坚固耐用的，以承受冲击波传递和因此高加载力。特别地，本主题发明包括以下螺纹，该螺纹对于钻构件随着增加的相应的外径而具有在范围5至50mm中的螺距长度。另外地，本主题发明的螺纹的螺距角(pitchangle)可以对于具有相应的螺距长度和外径的构件在范围5至10°中，其中螺距角是在螺旋形螺纹路径的路径和与伸长构件的纵向轴线垂直的切线之间延伸的角度θ。另外地，根据本发明的方面的螺纹区段的直径dy(螺纹牙顶间距离)对于相应的螺距长度和螺距角可以在范围15至120mm中。相应地，本主题发明可以包括以下螺纹构造，其中，螺距长度/螺纹直径的商在范围0.3至0.6；0.35至0.55并且可选地在0.4至0.46中。
根据本发明的第二方面，提供冲击钻柱，包括：如在这里要求保护的构件；多个钻杆和钻头，所述多个钻杆和钻头设置在钻柱的一个轴向端处。
可选地，该冲击钻柱构件可以包括以下中的一个：钻杆；钻管；柄部转接器；钻头。
附图说明
现在将仅仅通过实例并且参考附图描述本发明的具体实现方式，在附图中：
图1是钻柱的一部分的外部透视图，钻柱包括柄部转接器，该柄部转接器经由阳型联接接头和阴型联接接头而轴向经由一端联接到钻杆；
图2是根据本发明的具体实现方式的图1的柄部转接器的透视图；
图3是图2的柄部转接器的阳型插头联接端的外部透视图；
图4是图3的阳型插头端的横截面视图；
图5是根据本发明的另一具体实现方式的图2的柄部转接器的阳型插头联接端的外部透视图。
具体实施方式
将通过实例参考作为钻柱构件以形成钻柱的部分的柄部转接器描述本主题发明。将会理解，本主题发明能够适用于具有肩部接触阳型插头端的任何伸长构件，该肩部接触阳型插头端适合用于与钻柱的相邻构件的螺纹阴型套筒形成联接接头。相应地，本主题发明可以应用于钻杆、钻管、柄部、柄部转接器、钻头、轴或者在钻柱的驱动端处或者在钻柱的钻头端处安装的转接器。
参考图1，钻柱包括伸长柄部转接器100，该伸长柄部转接器100经由由柄部转接器100的阳型螺纹端和钻杆101的阴型螺纹端形成的螺纹联接104而轴向联接到最末端钻杆101。钻柱构件100、101两者均经由转接器100的阳型联接器的环形侧表面102与钻杆101的阴型套筒的对应的环形侧表面103以触碰接触的方式接合的“肩部接触”而联接。
参考图2，柄部转接器100包括主长度区段202，主长度区段202具有第一端200和第二端201并且被构造成经由第二端201安装在与冲击锤相邻的钻柱的驱动端处。冲洗孔206在主长度区段202内形成，以允许将冲洗流体引入到在冲洗孔206和第一端200之间通过转接器100的轴向向前长度部分轴向延伸的中心孔205中。主长度区段202被从阳型插头208径向突出的环形肩部207朝向第一端200终止，阳型插头208的外部直径小于肩部207和主长度区段202的对应的外部直径。相应地，环形侧表面102被设置在插头208和肩部207之间的轴向连接部处，以提供用于抵靠螺纹阴型联接的环形侧表面103的肩部接触表面。插头208被轴向划分成朝向第一端200轴向延伸的螺纹区段204和轴向定位于螺纹区段204和肩部207中间的非螺纹柄部203。
参考图3和4，非螺纹柄部203包括：基本柱形区域302，该基本柱形区域302最靠近螺纹区段204轴向定位；和过渡区域，该过渡区域与肩部207的环形侧表面102形成轴向连接部。非螺纹柄部203在过渡区域处的外部直径从柱形区域302到第一弯曲区域300和第二弯曲区域301增加，第一弯曲区域300具有第一曲率半径，第二弯曲区域301具有第二曲率半径，第二曲率半径小于区域300的第一曲率半径。根据该具体实现方式，在沿着插头208纵向延伸的平面中，非螺纹柄部在过渡区域300、301处的曲率包括椭圆形的形状轮廓。在非螺纹柄部203和肩部207之间的过渡区域300、301处的这个曲率有利于对于在钻孔期间由钻柱遭受的弯曲力加强插头208。
根据该具体实现方式的螺纹区段204包括单头螺纹形式，该单头螺纹形式具有单个脊部，该单个脊部由在第一螺纹端307(朝向转接器第一端200定位)和终止于非螺纹柄部203处的第二螺纹端306之间轴向延伸的螺旋圈形成。螺旋地卷绕的脊部相应地包括具有牙顶303和轴向中间牙底304的螺旋圈。牙底304和牙顶303被弯曲的并且基本横向于纵向轴线309延伸的齿侧305分开，该纵向轴线309延伸通过柄部转接器101。对于轴向最靠近转接器第一端200的最末端的螺旋圈的一部分，螺纹在第一端307处的深度沿着牙顶303的周向路径减小。相应地，螺纹第一端307作为过渡到插头208的基本锥形的端部区域307中的平滑径向过渡部终止，该端部区域307则被转接器第一端200处的环形端表面终止。类似地，螺纹第二端306被形成为过渡到非螺纹柄部区域302中的逐渐径向过渡部。即，随着每一个最末端的螺旋圈的最后轴向部分内的牙顶303的外部直径分别地朝向非螺纹柄部203和锥形端区段308的外部直径减小，在两个螺纹端306、307处的、最末端的螺旋圈内的螺纹深度减小。在螺纹端307、306处的牙顶303的外部直径的逐渐减小有利于减小在螺纹区段204处的应力集中，从而有助于增加本发明的阳型插头端208的强度。
非螺纹柄部203包括轴向长度ls，该轴向长度ls被定义为在环形侧表面102和螺纹区段204的轴向最内第二端306之间的轴向距离。螺纹第二端306被定义为牙顶303减小到非螺纹柄部203的外部直径所在的轴向区域。这个轴向位置相应地被定义为如下的区域，在该区域中，与螺纹区段204的非圆形横截面形状轮廓相比，阳型插头208的横截面形状轮廓是与柱形非螺纹柄部203对应的圆形。类似地，螺纹区段204的轴向长度lt被定义为在螺纹第一和第二端307、306之间的轴向距离。螺纹第一端307被定义为如下的轴向位置，在该轴向位置，锥形区段308的横截面形状轮廓变成圆形。
阳型插头208还包括主轴向长度l，该主轴向长度l被定义为在环形侧表面102和转接器第一端200之间的轴向距离。根据该具体实现方式，非螺纹柄部在柱形区域302处的外部直径ds小于主长度区段202的对应的外部直径dm和在环形肩部207处的对应的外部直径。直径ds还小于与每一个螺旋圈处的牙顶303的峰部的径向位置对应的螺纹区段204的外部直径dy。根据该具体实现方式，dy在螺纹区段204的轴向长度lt上是均匀的，使得螺纹被设置在基本柱形插头208上。然而，如将会理解地是，本主题发明同样地适合用于特别地具有锥形螺纹区段204的锥形插头208。
为了优化插头208的强度以抵抗在冲击钻孔期间由钻柱遭受的弯曲力，商ls/dy在范围0.4至1.0中并且根据该具体实现方式是0.5至0.7。另外地，插头208的这个加强可以被表达为商ls/l在范围0.25至0.5中并且特别地是0.28至0.32。相应地，lt大于ls。提高非螺纹柄部103的轴向长度ls有利于将螺纹区段204与环形侧表面102轴向分开，已经通过模拟研究发现这对于肩部接触螺纹联接最小化了在螺旋圈并且特别地是牙顶303、牙底304和齿侧305处的应力。相应地，联接接头的失效的风险被最小化并且钻柱构件的操作寿命得到提高。
参考图5详述了阳型插头208的另一具体实现方式。图5与所示出并且参考图2至4描述的实施例不同之处在于，非螺纹柄部203包括在侧面102和螺纹端306之间沿轴向方向连续的弯曲形状轮廓。然而，以下根据图5的实施例描述的螺纹区段204的构造还能够应用于图2至4的实施例。
螺纹区段204在插头208处被形成为基本柱形的端部区段，使得沿着螺纹区段204的轴向长度，在牙顶303之间的螺纹的直径dy是基本均匀的。另外地，沿着在螺纹端306、307之间的螺纹区段204的全部轴向长度，直径di(对应于在牙底304的径向位置之间的直径方向上的距离)也是基本均匀的。本主题发明特别地适合用于依靠插头208处的螺纹的构造而形成钻孔设备的部分并且特别地是形成钻柱的冲击(或者锤)构件。特别地，依赖于伸长构件的尺寸(即半径)，螺纹的螺距长度可以在范围5至50mm中。为了优化用于冲击钻孔的螺纹，对于构件的相应的尺寸，螺距角θ可以在5至10°的范围中。这种构造将与可以典型地包括api型螺纹的、用于旋转或者勘探的构件的螺纹端相对比，该api型螺纹具有约为1°的大大减小的螺距角。在某些实现方式中，依赖于伸长构件的尺寸(即半径)，平均螺纹直径(牙顶间距离)可以在范围15至120mm中。
相应地，在阳型插头处的螺纹优选地包括0.35至0.55的螺距(牙顶间轴向距离)/平均螺纹直径的商，其中平均螺纹直径是阳型螺纹端和阴型螺纹端的直径的平均值。
本发明阳型插头还被构造用以依靠ds、di和td的相对尺寸最小化在过渡区域300、301、500、501和502处的应力集中，其中di对应于在螺纹区段的直径方向上的相反两侧上的牙底304(在每一个螺旋脊部之间)的径向位置之间的直径方向上的距离，并且td对应于在牙顶303和牙底304之间(在与纵向轴线309垂直的平面中)的螺纹的深度。特别地，在过渡区域300、301、500、501和502处的应力集中在ds小于dy并且ds小于di的情况下被尽可能大得最小化。特别地，最大直径ds可以等于di–td并且最小直径ds可以等于di-4td。优选地，ds大致等于di-2td。
如在这里描述的ds和ls的相对尺寸最大化过渡区域300、301、500、501、502可以延伸经过的轴向距离和径向距离。特别地，并且根据图5的构造，非螺纹柄部203包括在区段500处的具有第一曲率半径r1的过渡区域，在区段500处的第一曲率半径r1小于在区段501处的第二轴向相邻曲率半径r2，在区段501处的第二轴向相邻曲率半径r2又小于在区段502处的轴向相邻第三曲率半径r3，在区段502处的第三曲率半径r3又小于在区段504处的轴向相邻第四曲率半径r4。特别地，在区段500处的半径r1大致等于在区段501处的半径r2的一半；在区段501处的半径r2大致是在区段502处的半径r3的一半并且在区段502处的半径r3大致是在区段504处的半径r4的三分之一。如在图5中所示的那样，区段500最靠近侧表面102轴向定位，区段501第二最靠近侧表面102定位，区段502第三最靠近侧表面102定位并且区段504最远离侧表面102地定位。最小化的ds和最大化的ls相应地使得在非螺纹柄部203和肩部207之间能够实现平滑过渡。这样，对于弯曲引起的应力和由于撞击冲击波的传递引起的应力，插头208得到加强。