用于水平定向钻井系统的钻柱接头技术方案

一种钻柱接头，包括箱形端部构件，该箱形端部构件在其第一轴向端部处限定第一孔和较深的第二孔，第二孔的横截面小于第一孔。销形端部构件限定对应于第一孔的第一插入部分和对应于第二孔的第二插入部分。圆锥形锥形表面界面限定在第二插入部分与第二孔之间。横销延伸穿过在第一孔处穿过箱形端部构件并穿过第一插入部分而形成的孔口，横销在接头的轴向跨度内，该轴向跨度与限定第二插入部分和第二孔的圆锥形锥形表面界面的轴向跨度分开。在分开的轴向跨度之间的轴向位置处，在箱形端部构件和销形端部构件之间建立扭矩联轴器。和销形端部构件之间建立扭矩联轴器。和销形端部构件之间建立扭矩联轴器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于水平定向钻井系统的钻柱接头
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年7月28日提交的共同未决美国临时专利申请No.63/057,562的优先权的权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。

技术介绍

[0003]本专利技术涉及水平定向钻井(HDD)系统，其包括一系列首尾相连的钻杆以形成钻柱，该钻柱通过HDD机上的强力液压系统被推进穿过地面，该HDD机具有在推动或拉动钻柱的同时旋转的能力，如在美国专利6,766,869中所讨论的那样，等等。被构造用于钻孔的铲子、钻头或头部设置在钻柱的端部处，并且可以包括用于水或泥浆的喷嘴以辅助钻孔。为了能够在地下操纵钻机，钻机头部具有非对称元件，当钻机头部以一种方式被向前推进时，该非对称元件使孔的方向转向，而当钻机头部以不同的方式被向前推进时，孔的方向不转向。例如，一种普通的钻机头部包括平板钻头，当钻机头部被向前推进同时旋转时，该平板钻头切削直的、未转向的钻孔。当钻机头部被向前推进而不旋转时，该平板钻头切割转向的钻孔。在切削转向的钻孔时，钻机头部的部件转向以适应转向的钻孔路径，因此部件受到弯曲载荷。为了控制定向，通过附接到切割工具的探测器跟踪工具位置信息，该探测器包括传感器和发射装置。
[0004]在通过HDD系统向前操作钻柱期间，钻机头部和探测器壳体通过起动杆附接到钻柱的前端部，所述起动杆包括接头，当HDD机推动钻柱时，探测器壳体连接到所述接头。在钻井操作的最后，在钻机头部出现之后，探测器壳体与起动杆分离，以使得回扩钻头能够连接到该接头，然后当HDD机在相反方向上回拉钻柱时，孔可以通过扩充器扩大。用于这种接头的一些早期解决方案包括特别适于在接头的两个螺纹构件之间承载扭矩载荷的大滑套式扭矩套环，两个螺纹构件都具有外六角形部分，该外六角形部分装配在扭矩套环的六角形孔内，如在US 20130084131中所述的那样。扭矩套环使螺纹接头与扭矩隔离开，以使得螺纹有效地仅传递钻柱中的纵向推/拉力。然而，在消除额外的套环的组装/拆卸需求的尝试中，更新的设计包括各种型式的“无套环”联接，其中没有在接合的钻柱元件上滑动以承载扭矩的额外的套环部件。相反，如EP3587729A1中所示，钻柱构件可通过花键结构连接以传递扭矩，而纵向力由销承受，该销延伸穿过邻近花键结构的钻柱构件的配合部分。尽管无套环式接头设计已经显示出一些有限的功效，但是当经受在HDD钻柱的真实世界操作期间或者在模拟HDD钻柱的实验室测试中所经历的轴向力、扭矩和弯曲载荷的组合作用时，这种接头的耐用性和预期寿命期限基本上落后于套环设计。因此，需要一种更耐用但简单的钻柱连接接头。

技术实现思路

[0005]在一个方面，本专利技术提供了一种钻柱接头，所述钻柱接头用于沿中心轴线将钻机头部接合到钻柱，所述钻柱接头包括：箱形端部构件，所述箱形端部构件在其第一轴向端部处限定第一孔和较深的第二孔，所述第二孔的横截面小于所述第一孔。销形端部构件限定
对应于所述第一孔的第一插入部分和对应于所述第二孔的第二插入部分。在所述第二插入部分和所述第二孔之间限定圆锥形锥形表面界面。多个横销延伸穿过在所述第一孔处穿过所述箱形端部构件并穿过所述销形端部构件的所述第一插入部分而形成的相应孔口，所述多个横销位于所述接头的第一轴向跨度内，所述第一轴向跨度与第二轴向跨度分开，在所述第二轴向跨度中限定所述第二插入部分和所述第二孔的所述圆锥形锥形表面界面。扭矩联轴器在所述第一轴向跨度和所述第二轴向跨度之间的轴向位置处建立在所述箱形端部构件和所述销形端部构件之间。
[0006]在另一方面，本专利技术提供了一种将包括钻机头部的钻柱沿中心轴线组装的方法。沿着所述中心轴线将销形端部构件插入箱形端部构件中，使得所述销形端部构件的第一插入部分在所述箱形端部构件的第一轴向端部处被定位在所述箱形端部构件的第一孔内，并且所述销形端部构件的第二插入部分被定位在所述箱形端部构件的更深的第二孔内，所述第二孔比所述第一孔具有更小的横截面。在所述第二插入部分和所述第二孔之间建立圆锥形锥形表面界面，其中所述销形端部构件沿轴向插入到所述箱形端部构件。建立扭矩联轴器，其中所述销形端部构件沿轴向插入到所述箱形端部构件。垂直于所述中心轴线将多个横销插入穿过在所述第一孔处穿过所述箱形端部构件并穿过所述销形端部构件的所述第一插入部分而形成的相应孔口，所述多个横销位于所述接头的第一轴向跨度内，所述第一轴向跨度与第二轴向跨度分开，在所述第二轴向跨度中建立所述圆锥形锥形表面界面。所述扭矩联轴器建立在所述第一轴向跨度和所述第二轴向跨度之间的轴向位置处。
[0007]在又一方面，本专利技术提供了一种钻柱联接件，所述钻柱联接件用于在水平定向钻井系统的钻柱的头端处的钻柱部件之间建立接头。联接件的第一联接部分适于沿着中心轴向方向插入到第一孔内。联接件的第二联接部分具有适于插入到小于所述第一孔的第二孔内的圆锥形锥形表面。所述第二联接部分沿偏离所述第一联接部分的轴向跨度的轴向跨度设置。多个横孔口穿过所述第一联接部分形成，以接收相应的多个横销。扭矩连接结构设置在所述第一联接部分和所述第二联接部分的各自的轴向跨度之间的轴向位置处。
附图说明
[0008]图1是水平定向钻井操作的示意图。
[0009]图2是根据本公开的一个实施例的通过无套环接头与钻柱起动杆联接的HDD钻机头部的侧视图。
[0010]图2A是图2的无套环接头的侧视图，其中HDD扩孔器联接到钻柱而不是钻机头部。
[0011]图3是图2的接头的局部透视截面图，其中钻柱起动杆的一部分被切除。
[0012]图4是用于制造图2至图3的接头的钻柱起动杆的侧视图。
[0013]图4A是向钻柱起动杆的面向钻机头部的端部内看的透视图。
[0014]图5是用于图2至图3的接头中的适配器或联接件的透视图。
[0015]图6是图2和图3的接头的端视图。
[0016]图7是沿图6的与钻柱的中心轴线相交的线7
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7截取的接头的横截面图。
[0017]图8是沿图6的偏离钻柱的中心轴线以切割穿过连接销的线8
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8截取的接头的横截面图。
[0018]图9是类似于图8的接头的横截面图，其示出了分解而不是组装的各个部件。
[0019]图10是类似于图7的接头的横截面图，其示出了联接件的第一插入区段和起动杆的第一接收孔之间的放大的间隙。
[0020]图11是沿图8的线11
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11截取的接头的横截面图，以更好地示出横销和联接件的第一插入区段内的孔之间的间隙。
[0021]图11A是类似于图11的横截面图，但示出了第一插入区段内的孔沿周向伸长的替代实施例。
[0022]图12是根据本公开的另一实施例的钻柱接头的横截面图。
[0023]图13是根据本公开的另一实施例的钻柱接头的类似于图7的横截面图。
[0024]图14是图13的沿线14
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14截取的钻柱接头的横截面图。
[0025]图15是根据本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种钻柱接头，所述钻柱接头用于沿中心轴线将钻机头部接合到钻柱，所述钻柱接头包括：箱形端部构件，所述箱形端部构件在其第一轴向端部处限定第一孔和较深的第二孔，所述第二孔的横截面小于所述第一孔；销形端部构件，所述销形端部构件限定对应于所述第一孔的第一插入部分和对应于所述第二孔的第二插入部分，其中在所述第二插入部分与所述第二孔之间限定圆锥形锥形表面界面；多个横销，所述多个横销延伸穿过在所述第一孔处穿过所述箱形端部构件并穿过所述销形端部构件的所述第一插入部分而形成的相应孔口，所述多个横销位于所述接头的第一轴向跨度内，所述第一轴向跨度与第二轴向跨度分开，所述第二插入部分和所述第二孔的所述圆锥形锥形表面界面被限定在所述第二轴向跨度中；以及扭矩联轴器，所述扭矩联轴器在所述第一轴向跨度和所述第二轴向跨度之间的轴向位置处建立在所述箱形端部构件和所述销形端部构件之间。2.根据权利要求1所述的钻柱接头，其中直径间隙沿所述接头的所述第一轴向跨度设置在所述第一插入区段和所述第一孔之间。3.根据权利要求2所述的钻柱接头，其中所述直径间隙大于0.010英寸且小于0.100英寸。4.根据权利要求2所述的钻柱接头，其中所述直径间隙是0.018英寸至0.021英寸。5.根据权利要求1所述的钻柱接头，其中所述多个横销的尺寸被形成为松配合在所述销形端部构件的相应孔口中，并且紧配合在所述箱形端部构件的相应孔口中。6.根据权利要求1所述的钻柱接头，其中所述多个横销包括四个横销，所有的横销彼此平行地延伸。7.根据权利要求1所述的钻柱接头，其中所述扭矩联轴器包括多个扭矩销，所述多个扭矩销能够轴向地插入到沿形成在所述箱形端部构件内的所述第一孔的底部处的肩部表面以圆周阵列的方式设置的多个盲孔中。8.根据权利要求7所述的钻柱接头，其中所述多个扭矩销被压配合到所述销形端部构件。9.根据权利要求1所述的钻柱接头，其中在所述第二插入部分和所述第二孔之间的所述圆锥形锥形表面界面独立地承受钻柱弯曲载荷，所述圆锥形锥形表面界面阻止所述钻柱弯曲载荷由所述第一轴向跨度和所述扭矩联轴器承受。10.根据权利要求1所述的钻柱接头，其中与所述第二插入部分和所述第二孔之间的所述圆锥形锥形表面界面相对应的所述第二轴向跨度的长度大于包含所述多个横销的所述第一轴向跨度的长度。11.根据权利要求1所述的钻柱接头，其中所述接头提供三个完全分离的、不重叠的轴向区段，以分别承载弯曲载荷、扭矩载荷以及轴向回拉载荷。12.根据权利要求1所述的钻柱接头，其中所述扭矩联轴器由多个扭矩销建立，所述多个扭矩销至少部分地定位在由所述第一插入部分限定的外部轮廓的外侧。13.根据权利要求1所述的钻柱接头，其中所述扭矩联轴器通过所述销形端部构件的、在所述第一插入部分和所述第二插入部分之间的中间插入部分的互补的非圆形横截面轮
廓或多边形横截面轮廓来建立。14.一种水平定向钻井系统，包括：水平定向钻井机；钻柱，所述钻柱在钻机头部处终止，并且被配置成由所述水平定向钻井机驱动，以产生在进入点和退出点之间至少部分地水平延伸的地下钻孔；以及根据权利要求1所述的钻柱接头。15.一种将具有钻机头部的钻柱沿中心轴线组装的方法，所述方法包括：沿着所述中心轴线将销形端部构件插入箱形端部构件中，使得所述销形端部构件的第一插入部分在所述箱形端部构件的第一轴向端部处被定位在所述箱形端部构件的第一孔内，并且所述销形端部构件的第二插入部分被定位在所述箱形端部构件的更深的第二孔内，所述第二孔比所述第一孔具有更小的横截面；在所述第二插入部分和所述第二孔之间建立圆锥形锥形表面界面，其中所述销形端部构件沿轴向插入到所述箱形端部构件；建立扭矩联轴器，其中所述销形端部构件沿轴向插入到所述箱形端部构件；以及垂直于所述中心轴线将多个横销插入穿过在所述第一孔处穿过所述箱形端部构件并穿过所述销形端部构件的所述第一插入部分而形成的相应孔口，所述多个横销位于所述接头...

【专利技术属性】
技术研发人员：雅各布，
申请(专利权)人：维米尔制造公司，
类型：发明
国别省市：