EP2487321A2 - Steckverbindung und Gestängeschluss für ein Bohrgestänge - Google Patents

Steckverbindung und Gestängeschluss für ein Bohrgestänge Download PDF

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EP2487321A2
EP2487321A2 EP12000706A EP12000706A EP2487321A2 EP 2487321 A2 EP2487321 A2 EP 2487321A2 EP 12000706 A EP12000706 A EP 12000706A EP 12000706 A EP12000706 A EP 12000706A EP 2487321 A2 EP2487321 A2 EP 2487321A2
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EP
European Patent Office
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rod assembly
rod
connection
plug
connector
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EP12000706A
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EP2487321A3 (de
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Sebastian Fischer
Raimund Grobbel
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Tracto Technik GmbH and Co KG
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Tracto Technik GmbH and Co KG
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Publication of EP2487321A3 publication Critical patent/EP2487321A3/de
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    • E21B17/028—Electrical or electro-magnetic connections
    • E21B17/0285—Electrical or electro-magnetic connections characterised by electrically insulating elements

Definitions

  • the invention relates to a connector for connecting two rod sections of a drill pipe and a corresponding rod section.
  • a drill head When rod-based drilling in the ground, in particular for the production of so-called horizontal bores, which extend substantially parallel or at a relatively low inclination angle to the earth's surface, a drill head is driven by means of a drill string from a arranged on the earth's surface or in a pit drive device.
  • the drill pipe used in this case consist of individual, interconnected rod sections, which - according to the course of drilling - gradually attached to the rear end of the already drilled drill string and connected to this. For this purpose usually threaded connections are used.
  • Soft soil drilling is usually based on radial displacement and compaction of the soil.
  • the drill head is therefore - if ever - regularly only - in addition to the static feed - driven at low speed rotating.
  • a first of these designs relies on the use of an in-hole motor that rotates the drill head directly rather than rotating about the drill string. Rather, the unit of drill head and in-hole motor is fixed to the front of the drill pipe, via which the required axial pressure is applied to drive the bore. Since the drilling required for the drilling of the drill head is generated by the in-hole motor, it is not necessary in such drilling devices to drive the drill pipe itself rotating. The wear of the drill string is therefore relatively low.
  • so-called "mud motors" are regularly used, in which a drive fluid is passed under high pressure through a turbine in order to effect the rotation.
  • This propulsion fluid is usually a drilling fluid which, after passing through the mud engine, exits through holes in the area of the drill head into the bore to cool and lubricate the drill head and around the cleared cuttings over the annulus between the borehole wall and the drill pipe.
  • Significant drawbacks of such in-hole engine based rock drilling rigs are the high drilling fluid consumption coupled with low performance (e.g., 800Nm with a purge fluid consumption of 320L / min).
  • the second common design for rock drilling equipment is based on the use of a double drill pipe.
  • the drill head is additionally rotationally driven via an inner linkage of the double drill pipe from the drive device arranged on the earth's surface or in an excavation, which also provides for the advance of the drill head.
  • the inner rod is rotatably mounted within an outer linkage of the DoppelbohrgestCodes.
  • the outer linkage therefore either does not have to be rotated at all or only at a low speed. Even with such rock drilling device, the wear of the drill string is limited, because the standing in contact with the rocky bore wall outer linkage does not rotate or only at low speed, while the driven at a high speed inner linkage can be mounted wear-reducing in the outer rod.
  • the present invention seeks to provide an improved connector for a drill pipe and in particular for the inner rod of a Doppelbohrgestfites.
  • the invention is based on the idea of specifying a way to connect two rod sections of a drill pipe, the advantages of the Known prior art threaded connections and the Axialsteckitatien combined.
  • a connector which - similar to a threaded connection - based on helical on a cross-sectionally circular threaded connector or in a corresponding threaded bushing projections / grooves, wherein the projections / grooves are designed so that the characteristic of a threaded connection Self-locking does not occur.
  • a plug-in connection according to the invention for connecting two rod sections of a drill string accordingly has a connection plug at one end of a first of the rod sections and a connection socket at one end of the second of the rod sections, wherein the connection plug and the connection socket are characterized in that each at least one (n) having spirally extending (n) guide projection and / or guide groove which engage in the joining of the connector.
  • the guide In order to avoid a self-locking of the guide, it is preferably provided to carry out the spiral course with a very large pitch, preferably in the range of 15 ° to 25 ° relative to the longitudinal axis.
  • the contact surfaces, over which the guide projections or guide grooves of the connector plug or the connecting sleeve abut each other, are largely aligned radially, i. a straight line laid on the contact surface in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the plug-in connection at a (random) point points essentially in the direction of this longitudinal axis.
  • the jamming of the thread flanks which is known from most threaded connections, can be avoided by a radial deformation of the connecting parts as a result of radial force components caused by the geometry of the thread flanks.
  • the guide projections In a cross section selected perpendicular to the longitudinal axis of the plug connection, the guide projections preferably have a rectangular or trapezoidal cross section.
  • the essential design criterion is preferably the pitch of the helical course of the guide projections / guide grooves, which are preferably chosen to be so large is that - even when using usual for drill pipe materials, especially steel, and achievable without significant post-processing of the contact surface surface quality - the connector according to the invention can also be joined exclusively by the application of compressive forces (which of course associated with a relative rotation of the two connecting parts is).
  • a connector according to the invention but also always be joined by the exclusive application of torque, since the relative axial displacement is then - as in a threaded connection - forced by the spiral guide projections / guide grooves.
  • the main advantages of the connector according to the invention are that it simply - like the already known Axialsteckitati - by the application of only axial forces (compressive or tensile forces in the direction of the longitudinal axis of the connector) joined and - because of the lack of self-locking - again (if necessary manually) can be solved.
  • the use of a mechanical release device, as required for screw, can therefore be omitted.
  • the helical formation of the guide projections / guide grooves causes the connectors to fix automatically as long as a torque (in the joining direction) is transmitted via the drill pipe.
  • a secure cohesion of the individual rod sections of the drill string can be achieved when acting on these tensile forces, for example when retracting the drill string.
  • the connector plug and / or the connection socket has a conical insertion section, by which a lack of coaxiality of the two connection parts is corrected during mating.
  • a mechanical mating of the connecting parts of the connector according to the invention can be simplified.
  • a seal can be provided which seals a ring space formed between the connection plug and the connection socket in the assembled state of the plug connection.
  • a seal can avoid contamination of the contact surfaces of the connecting parts, for example by a drilling fluid entering through the annular space.
  • An inventive rod assembly for a drill string has a rod end body, the two ends each comprise a connecting part of a connector according to the invention. Accordingly, the rod assembly main body at a (longitudinal axial) end of a connector of an inventive Plug connection and at the corresponding other end a connection socket of a plug connection according to the invention.
  • Such a rod assembly according to the invention can preferably be used as an inner rod assembly of a double rod assembly according to the invention for a double drill rod, wherein the double rod assembly additionally comprises an outer rod assembly which surrounds the inner rod assembly.
  • the rod assembly according to the invention may further comprise at least one cylindrical bearing seat for receiving a bearing ring.
  • This bearing seat can preferably receive a rotary bearing over which the rod assembly according to the invention, if this is provided as mecanicgestfiteschuss a double rod section, is mounted in the outer rod assembly.
  • annular space can be provided, which can be preferably used for the transport of a drilling fluid.
  • This annular space is at least partially closed by the rotary bearing, whereby the transport of the drilling fluid can be hindered.
  • the bearing seat of the (inner) linkage of the invention is traversed by at least one channel (in the longitudinal axial direction).
  • This signal line section can be, for example, an (electrically insulated) cable.
  • an electrically conductive (kink-resistant) rod is suitable, provided that it is electrically insulated from the rod end body, the connector and the connector socket.
  • the two ends of the signal line are also provided with a coupling part which allows a connection with a corresponding connection part of a signal line section of a second linkage to be connected to the first linkage.
  • these coupling parts are designed as Axialsteckitati, so that they can be connected to each other automatically when connecting the two rod sections.
  • the signal line should be axially supported at least in the region of the coupling parts in the rod section.
  • connection of the outer rod sections of two double-rod sections according to the invention to be connected takes place via a screw connection, for which purpose each outer rod section has a threaded connector at one of the (longitudinal-axial) ends and a corresponding threaded socket at the other end.
  • a screw connection for which purpose each outer rod section has a threaded connector at one of the (longitudinal-axial) ends and a corresponding threaded socket at the other end.
  • the Fig. 1 shows in cross-section two interconnected ends of double linkage sections 1 according to the invention a DoppelbohrgestShes.
  • Each of the double rod sections 1 comprises an outer linkage 2 and an inner linkage 3 arranged centrally therein.
  • Each of the outer rod sections 2 is provided at one of its ends with a conical external thread and at the opposite end with a corresponding conical internal thread to form a threaded connection 4. About these threaded parts, the individual outer rod sections 2 are screwed together. The concrete form of this used for use thread and this thread having sections of the rod sections is in the DE 10 2008 047 060 A1 described.
  • each of the inner rod sections 3 at one of his Ends a connector 5, which is provided with helically extending guide projections 6 (see. Fig. 3 ), between which correspondingly shaped guide grooves 7 are formed.
  • the guide projections 6 of the connector 5 cooperate in the mated state of the connector with the corresponding guide projections 8 a connecting sleeve 9 of the adjacent réellegestlindeschusses together, ie they engage in the guide grooves formed by these. Due to the helical course of the guide projections 6, 8, the mating movement combines both an axial relative displacement and a relative rotation of the two connecting parts (connecting plug 5 and connecting bush 9) to each other.
  • the course of the spiral guide projections 6, 8 is provided with a very large pitch.
  • each of the guide projections 6, 8 over the entire length of the guide projections receiving portion of the connector or the connecting sleeve winds around only about 70 ° about the longitudinal axis.
  • the guide projections 6, 8 would thus - have a rectangular cross section - without the twist caused by the spiral course.
  • these design features large slope, radial orientation of the contact surfaces 10
  • the connector 5 is frontally provided with a reduced diameter in its insertion section 11 by having a smaller outer diameter than the remaining portions of the inner rod.
  • the insertion section 11 of the connector is also provided with two conical sections 12, 13. In conjunction with a conical insertion section 14 of the connecting bushing 9 can be achieved by the insertion section 11 of the connector 5 a secure mating of the connector even if the two connecting parts are not recognized in exactly coaxial alignment with each other.
  • the psychologygestfiteschadore 3 are hollow and thus formed as RohrgestCodeschadore.
  • a signal line section 15 formed from a solid (metal) wire is arranged centrally and held in this position (also in the axial direction) via bearings (not shown) which are designed to be electrically insulating.
  • Each of these signal line sections 15 has at one of its ends a plug 16 and at the corresponding other a socket 17 for forming an axial plug connection.
  • Each of the inner rod sections 3 is rotatably supported by a sliding bearing ring 18 in the corresponding outer rod section 2.
  • each of the inner rod sections 3 in the region of the connector 5 has a cylindrical bearing surface 19 for receiving an inner ring of the sliding bearing ring 18.
  • the bearing surface 19 is limited to one side by a shoulder 20, which serves as an axial stop for the sliding bearing ring 18.
  • the slide bearing ring 18 is connected by shrinking with the mecanicgestlindeschuss 3 (non-positively).
  • the inside of each of the outer rod sections 2 has a corresponding bearing surface, which is in contact with an outer ring of the sliding bearing ring 18. Also, this bearing surface is bounded on one side by a shoulder 21, which in turn serves as (first) axial stop for the sliding bearing ring 18.
  • a second axial stop is formed by a snap ring 22, which engages in a corresponding groove on the inside of the outer rod section 2.
  • the bearing of the sliding bearing ring 18 in the outer rod assembly 2 takes place with play, so that a simple assembly and disassembly (for example, for maintenance purposes) of the sliding bearing ring 18 and the associated mecanicestlindeschusses 3 is possible.
  • only the snap ring 22 has to be removed and the (only via the one slide bearing ring mounted) réellegestfiteschuss 3 are pulled out of the outer linkage 2.
  • annular space 23 is formed, through which a drilling fluid is to be transported.
  • this annular space 23 is (at least partially) blocked, so that a total of three channels 24 are provided for the transport of the drilling fluid, which are integrated into the wall of the réellegestfiteschusses 2 and the bearing surface 19 and thus under the slide bearing ring 18 in the longitudinal axial direction, as can be seen in particular from Fig. 2 and 3 results.
  • the threaded connections and the connectors of the inner linkage each with a seal 26, 27 provided in the form of commercially available O-rings, which is positioned in corresponding grooves of the threaded or connector plug 5.

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Abstract

Eine erfindungsgemäße Steckverbindung zur Verbindung von zwei Gestängeschüssen eines Bohrgestänges weist einen Verbindungsstecker (5) an einem Ende eines ersten der Gestängeschüsse und eine Verbindungsbuchse (9) an einem Ende des zweiten Gestängeschusses auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsstecker und die Verbindungsbuchse spiralförmig verlaufende, ineinandergreifende Führungsvorsprünge (6,8) und/oder Führungsnuten (7) aufweisen. Ein erfindungsgemäßer Gestängeschuss für ein Bohrgestänge weist an einem seiner Enden einen entsprechenden Verbindungsstecker und an dem anderen Ende eine entsprechende Verbindungsbuchse auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Steckverbindung zur Verbindung von zwei Gestängeschüssen eines Bohrgestänges sowie einen entsprechenden Gestängeschuss.
  • Beim gestängebasierten Bohren im Erdreich, insbesondere zur Herstellung von sogenannten Horizontalbohrungen, die im wesentlichen parallel oder in einem relativ geringen Neigungswinkel zur Erdoberfläche verlaufen, wird ein Bohrkopf mittels eines Bohrgestänges von einer an der Erdoberfläche oder in einer Baugrube angeordneten Antriebsvorrichtung vorgetrieben. Die dabei eingesetzten Bohrgestänge bestehen aus einzelnen, miteinander verbundenen Gestängeschüssen, die - dem Bohrverlauf entsprechend - nach und nach an das hintere Ende des bereits verbohrten Bohrgestänges angesetzt und mit diesem verbunden werden. Hierzu kommen in der Regel Gewindeverbindungen zum Einsatz.
  • Das Erstellen von Bohrungen in weichem Erdreich beruht regelmäßig auf einem radialen Verdrängen und Verdichten des Erdreichs. Der Bohrkopf wird daher ― wenn überhaupt ― regelmäßig nur ― zusätzlich zu dem statischen Vorschub - mit geringer Drehzahl rotierend angetrieben.
  • Für ein Felsbohren, d.h. ein Bohren in Fels oder steinigen Erdformationen, ist es dagegen erforderlich, das Gestein wegen der nicht ausreichenden Verformbarkeit zu zerkleinern und aus dem bereits erstellten Bohrloch auszutragen. Für das Zerkleinern des Gesteins sind relativ hohe Drehzahlen des Bohrkopfs erforderlich, die mit einem hohen Verschleiß des Bohrgestänges einhergehen würden, wenn dieses in dem Bohrloch mit derselben Drehzahl rotieren würde.
  • Auf dem Markt haben sich daher im Wesentlichen zwei unterschiedliche Bauformen von Felsbohrvorrichtungen durchgesetzt, die ohne ein schnelles Rotieren des mit der Bohrlochwand in Kontakt stehenden Bohrgestänges funktionieren.
  • Eine erste dieser Bauformen beruht auf der Verwendung eines Imloch-Motors, der den Bohrkopf direkt und nicht über das Bohrgestänge rotierend antreibt. Vielmehr ist die Einheit aus Bohrkopf und Imloch-Motor vorderseitig an dem Bohrgestänge fixiert, über das der erforderliche axiale Druck zum Vortreiben der Bohrung aufgebracht wird. Da die für das Bohren erforderliche Rotation des Bohrkopfes von dem Imloch-Motor erzeugt wird, ist es bei solchen Bohrvorrichtungen nicht erforderlich, das Bohrgestänge selbst rotierend anzutreiben. Der Verschleiß des Bohrgestänges ist daher verhältnismäßig gering. Als Imloch-Motoren kommen regelmäßig sogenannte "Mud-Motoren" zum Einsatz, bei denen eine Antriebsflüssigkeit unter hohem Druck durch eine Turbine geleitet wird, um die Rotation zu bewirken. Bei dieser Antriebsflüssigkeit handelt es sich regelmäßig um eine Bohrflüssigkeit, die, nachdem sie den Mud-Motor durchströmt hat, über Auslassöffnungen im Bereich des Bohrkopfes in die Bohrung austritt, um dort den Bohrkopf zu kühlen, zu schmieren und um das abgetragene Bohrklein über den Ringraum zwischen der Bohrlochwand und dem Bohrgestänge auszuschwemmen. Wesentliche Nachteile derartiger, auf Imloch-Motoren beruhender Felsbohrvorrichtungen liegen in dem hohen Bohrflüssigkeitsverbrauch bei gleichzeitig geringer Leistungsfähigkeit (z.B. 800 Nm bei einem Spülflüssigkeitsverbrauch von 320 l/min).
  • Die zweite verbreitete Bauform für Felsbohrvorrichtungen beruht auf der Verwendung eines Doppelbohrgestänges. Bei diesen Bohrvorrichtungen wird der Bohrkopf über ein Innengestänge des Doppelbohrgestänges von der an der Erdoberfläche oder in einer Baugrube angeordneten Antriebsvorrichtung, die auch für den Vortrieb des Bohrkopfes sorgt, zusätzlich rotierend angetrieben. Das Innengestänge ist dazu drehbar innerhalb eines Außengestänges des Doppelbohrgestänges gelagert. Das Außengestänge muss daher entweder gar nicht oder nur mit einer geringen Drehzahl rotiert werden. Auch bei derartigen Felsbohrvorrichtung hält sich der Verschleiß des Bohrgestänges in Grenzen, denn das mit der felsigen Bohrungswand in Kontakt stehende Außengestänge rotiert nicht oder nur mit geringer Drehzahl, während das mit einer hohen Drehzahl angetriebene Innengestänge verschleißmindernd in dem Außengestänge gelagert sein kann.
  • Bei fast allen bekannten Felsbohrvorrichtungen mit Doppelbohrgestänge werden die einzelnen Gestängeschüsse sowohl des Außengestänges als auch des Innengestänges miteinander verschraubt. Dies ist zum Einen mit einem hohen zeitlichen Aufwand verbundenen. Hinzu kommt, dass zumindest über das Innengestänge hohe Drehmomente übertragen werden, wodurch sich die (selbsthemmend wirkenden) Gewindeverbindungen, über die die einzelnen Gestängeschüsse miteinander verbunden sind, stark "verklemmen", so dass für ein Lösen der einzelnen Gewindeverbindungen nach dem Fertigstellen der Bohrung eine maschinelle Lösevorrichtungen zum Einsatz kommen muss. Dadurch wird der konstruktive Aufwand derartiger Felsbohrvorrichtungen zusätzlich ― neben dem konstruktiven Aufwand für das Doppelbohrgestänge selbst ― wesentlich erhöht.
  • Um diesen zeitlichen und konstruktiven Aufwand zu verringern, wurde eine Bohrvorrichtung mit einem Doppelbohrgestänge entwickelt (vgl. EP 0 817 901 B1 ), bei der die einzelnen Gestängeschüsse des Innengestänges nicht mehr über eine Schraubverbindung, sondern über eine einfache Axialsteckverbindung miteinander verbunden werden. Hierzu weist jeder der Innengestängeschüsse an einem seiner Enden einen im Querschnitt sechskantförmigen Verbindungsstift und an dem entsprechenden anderen Ende eine korrespondierende Verbindungsbuchse auf, so dass zwei Gestängeschüsse auf einfache Weise durch das Einstecken des Verbindungsstifts des einen Gestängeschusses in die Verbindungsbuchse des anderen Gestängeschusses verbunden werden können. Die Axialsteckverbindung ermöglicht ein besonders einfaches und schnelles Verbinden der einzelnen Gestängeschüsse des Innengestänges. Nachteilig ist jedoch, dass für das Ineinanderstecken der beiden Verbindungsteile eine exakte (rotatorische) Ausrichtung der zwei Gestängeschüsse erforderlich ist, um die beiden Querschnittskonturen des Verbindungsstifts und der Verbindungsbuchse in Überdeckung zu bringen.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Steckverbindung für ein Bohrgestänge und insbesondere für das Innengestänge eines Doppelbohrgestänges anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Steckverbindung sind Gegenstand der entsprechenden abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung. Ein die entsprechenden Verbindungsteile zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen Steckverbindung aufweisender Gestängeschuss bzw. Doppelgestängeschuss sind Gegenstand der nebengeordneten Patentansprüche 5 und 12. Vorteilhafte Ausführungsformen dieser Gestängeschüsse sind Gegenstand der entsprechenden abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
  • Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine Möglichkeit zur Verbindung von zwei Gestängeschüssen eines Bohrgestänges anzugeben, die die Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Gewindeverbindungen und der Axialsteckverbindungen miteinander kombiniert.
  • Dies wird erfindungsgemäß durch eine Steckverbindung erreicht, die ― ähnlich wie eine Gewindeverbindung ― auf spiralförmige auf einem im Querschnitt kreisförmigen Gewindestecker bzw. in einer entsprechenden Gewindebuchse verlaufenden Vorsprüngen/Nuten beruht, wobei die Vorsprünge/Nuten so ausgelegt sind, dass die für eine Gewindeverbindung charakteristische Selbsthemmung nicht auftritt.
  • Eine erfindungsgemäße Steckverbindung zur Verbindung von zwei Gestängeschüssen eines Bohrgestänges weist demnach einen Verbindungsstecker an einem Ende eines ersten der Gestängeschüsse und eine Verbindungsbuchse an einem Ende des zweiten der Gestängeschüsse auf, wobei der Verbindungsstecker und die Verbindungsbuchse dadurch gekennzeichnet sind, dass jede mindestens eine(n) spiralförmig verlaufende(n) Führungsvorsprung und/oder Führungsnut aufweisen, die beim Fügen der Steckverbindung ineinandergreifen.
  • Um eine Selbsthemmung der Führungsnuten zu vermeiden, ist vorzugsweise vorgesehen, deren spiralförmigen Verlauf mit einer sehr großen Steigung, vorzugsweise im Bereich von 15° bis 25° bezogen auf die Längsachse auszuführen.
  • Zudem kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Kontaktflächen, über die die Führungsvorsprünge bzw. Führungsnuten des Verbindungssteckers bzw. der Verbindungsbuchse aneinander anliegen, weitgehend radial ausgerichtet sind, d.h. eine in senkrechter Richtung zu der Längsachse der Steckverbindung an einer (beliebigen) Stelle auf die Kontaktfläche gelegte Gerade weist im Wesentlichen in Richtung dieser Längsachse. Dadurch kann das von den meisten Gewindeverbindungen bekannte Verklemmen der Gewindeflanken durch eine radiale Deformation der Verbindungsteile infolge von durch die Geometrie der Gewindeflanken bedingten Radialkraftkomponenten vermieden werden. In einem senkrecht zur Längsachse der Steckverbindung gewählten Querschnitt weisen die Führungsvorsprünge vorzugsweise einen rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt auf.
  • Weitere Faktoren, die eine selbsthemmende Wirkung beeinflussen können, sind insbesondere die verwendeten Werkstoffe für die Kontaktflächen der Verbindungsteile, die Oberflächengüte der Kontaktflächen und ein möglicher Einsatz eines Schmiermittels. Diese können vom Fachmann ohne weiteres so gewählt werden, dass bei der erfindungsgemäßen Steckverbindung keine Selbsthemmung auftritt.
  • Das wesentliche Auslegungskriterium ist vorzugsweise die Steigung des spiralförmigen Verlaufs der Führungsvorsprünge/Führungsnuten, die vorzugsweise so groß gewählt ist, dass ― auch bei der Verwendung von für Bohrgestänge üblichen Werkstoffen, insbesondere Stahl, und einer ohne wesentliche Nachbearbeitung der Kontaktfläche erreichbaren Oberflächengüte ― die erfindungsgemäße Steckverbindung auch ausschließlich durch das Aufbringen von Druckkräften gefügt werden kann (was natürlich mit einer Relativrotation der beiden Verbindungsteile verbunden ist).
  • Unabhängig davon, kann eine erfindungsgemäße Steckverbindung aber auch stets durch das ausschließliche Aufbringen eines Drehmoments gefügt werden, da die relative Axialverschiebung dann ― wie bei einer Gewindeverbindung ― durch die spiralförmigen Führungsvorsprünge/Führungsnuten erzwungen wird.
  • Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Steckverbindung liegen darin, dass diese einfach ― wie die bereits bekannte Axialsteckverbindung ― durch das Aufbringen von lediglich Axialkräften (Druck- bzw. Zugkräfte in Richtung der Längsachse der Steckverbindung) gefügt und auch ― wegen der fehlenden Selbsthemmung ― wieder (ggf. manuell) gelöst werden kann. Der Einsatz einer maschinellen Lösevorrichtung, wie dies bei Schraubverbindungen erforderlich ist, kann daher entfallen. Zudem führt die spiralförmige Ausbildung der Führungsvorsprünge/Führungsnuten dazu, dass sich die Steckverbindungen automatisch fixieren, so lange über das Bohrgestänge ein Drehmoment (in der Fügerichtung) übertragen wird. Anders als bei der bekannten Axialsteckverbindung kann daher auch ein sicherer Zusammenhalt der einzelnen Gestängeschüsse des Bohrgestänges erreicht werden, wenn auf diese Zugkräfte, beispielsweise beim Zurückziehen des Bohrgestänges, einwirken.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Verbindungsstecker und/oder die Verbindungsbuchse einen konischen Einführabschnitt aufweist, durch den/die eine fehlende Koaxialität der beiden Verbindungsteile beim Zusammenstecken korrigiert wird. Dadurch kann insbesondere ein maschinelles Zusammenstecken der Verbindungsteile der erfindungsgemäßen Steckverbindung vereinfacht werden.
  • Weiterhin kann (mindestens) eine Dichtung vorgesehen sein, die einen zwischen dem Verbindungsstecker und der Verbindungsbuchse im zusammengesteckten Zustand der Steckverbindung ausgebildeten Ringraum abdichtet. Eine solche Dichtung kann eine Verschmutzung der Kontaktflächen der Verbindungsteile beispielsweise durch eine durch den Ringraum eintretende Bohrflüssigkeit vermeiden.
  • Ein erfindungsgemäßer Gestängeschuss für ein Bohrgestänge weist einen Gestängeschussgrundkörper auf, dessen beide Enden jeweils ein Verbindungsteil einer erfindungsgemäßen Steckverbindung umfassen. Demnach weist der Gestängeschussgrundkörper an einem (längsaxialen) Ende einen Verbindungsstecker einer erfindungsgemäßen Steckverbindung und an dem entsprechenden anderen Ende eine Verbindungsbuchse einer erfindungsgemäßen Steckverbindung auf.
  • Ein solcher erfindungsgemäßer Gestängeschuss kann vorzugsweise als Innengestängeschuss eines erfindungsgemäßen Doppelgestängeschusses für ein Doppelbohrgestänge verwendet werden, wobei der Doppelgestängeschuss noch zusätzlich einen Außengestängeschuss umfasst, der den Innengestängeschuss umgibt.
  • Vorzugsweise kann der erfindungsgemäße Gestängeschuss weiterhin mindestens einen zylindrischen Lagersitz zur Aufnahme eines Lagerrings aufweisen. Dieser Lagersitz kann vorzugsweise ein Rotationslager aufnehmen, über den der erfindungsgemäße Gestängeschuss, sofern dieser als Innengestängeschuss eines Doppelgestängeschusses vorgesehen ist, in dem Außengestängeschuss gelagert ist.
  • Zwischen dem Außen- und dem Innengestängeschuss des erfindungsgemäßen Doppelgestängeschusses kann ein Ringraum vorgesehen sein, der vorzugsweise für den Transport einer Bohrflüssigkeit verwendet werden kann. Dieser Ringraum wird von dem Rotationslager zumindest teilweise verschlossen, wodurch der Transport der Bohrflüssigkeit behindert werden kann. Um dies zu vermeiden, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Lagersitz des erfindungsgemäßen (Innen-)Gestängeschusses von mindestens einem Kanal (in längsaxialer Richtung) unterquert wird.
  • Um die Übertragung von elektrischer Energie und elektrischen Signalen, beispielsweise von/zu Sensoren, die in einem mit dem Bohrgestänge verbundenen Bohrkopf angeordnet sind, zu ermöglichen, kann weiterhin vorgesehen sein, einen Signalleitungsabschnitt innerhalb des Gestängeschussgrundkörpers, des Verbindungssteckers und der Verbindungsbuchse des erfindungsgemäßen (Innen-)Gestängeschusses zu führen. Bei diesem Signalleitungsabschnitt kann es sich beispielsweise um ein (elektrisch isoliertes) Kabel handeln. Alternativ ist auch ein elektrisch leitender (knickfester) Stab geeignet, sofern dieser gegenüber dem Gestängeschussgrundkörper, dem Verbindungsstecker und der Verbindungsbuchse elektrisch isoliert ist.
  • Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass auch die beiden Enden der Signalleitung mit jeweils einem Kupplungsteil versehen sind, die eine Verbindung mit einem korrespondierenden Verbindungsteil eines Signalleitungsabschnitts eines zweiten Gestängeschusses, der mit dem ersten Gestängeschuss verbunden werden soll, ermöglichen. Besonders bevorzugt sind diese Kupplungsteile als Axialsteckverbindung ausgebildet, so dass auch diese beim Verbinden der beiden Gestängeschüsse automatisch miteinander verbunden werden können. Hierzu sollte die Signalleitung zumindest im Bereich der Kupplungsteile in dem Gestängeschuss axial abgestützt sein.
  • In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Doppelgestängeschusses kann vorgesehen sein, dass die Lagerung des Innengestängeschusses in dem Außengestängeschuss gegen axiales Verschieben gesichert ist. Dadurch kann erreicht werden, dass die Einheit aus Innengestängeschuss und Außengestängeschuss in einem einzelnen Verbindungsvorgang miteinander verbunden werden kann.
  • Vorzugsweise erfolgt die Verbindung der Außengestängeschüsse von zwei zu verbindenden erfindungsgemäßen Doppelgestängeschüssen über eine Schraubverbindung, wozu jeder der Außengestängeschüsse an einem der (längsaxialen) Enden einen Gewindestecker und an dem anderen Ende eine korrespondierende Gewindebuchse aufweist. Durch die dabei erfolgte Axialverschiebung können dann gleichzeitig und automatisch die entsprechenden mit einer erfindungsgemäßen Steckverbindung ausgebildeten Innengestängeschüsse verbunden werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • In den Zeichnungen zeigt:
    • Fig.1:
    im Querschnitt einen Ausschnitt von zwei miteinander verbundenen Gestängeschüssen eines Doppelbohrgestänges;
    Fig. 2:
    einen Querschnitt gemäß der Schnittebene II-II in der Fig. 1;
    Fig.3:
    in einer isometrischen Ansicht den Verbindungsstecker der bei dem Doppelbohrgestänge gemäß der Fig. 1 zur Verbindung der Innengestängeschüsse vorgesehenen Steckverbindung.
  • Die Fig. 1 zeigt im Querschnitt zwei miteinander verbundene Enden von erfindungsgemäßen Doppelgestängeschüssen 1 eines Doppelbohrgestänges. Jeder der Doppelgestängeschüsse 1 umfasst einen Außengestängeschuss 2 sowie einen darin zentral angeordneten Innengestängeschuss 3.
  • Jeder der Außengestängeschüsse 2 ist an einem seiner Enden mit einem konischen Außengewinde und an dem gegenüberliegenden Ende mit einem entsprechenden konischen Innengewinde zur Ausbildung einer Gewindeverbindung 4 versehen. Über diese Gewindeteile werden die einzelnen Außengestängeschüsse 2 miteinander verschraubt. Die konkrete Form der hierbei zum Einsatz kommenden Gewinde und der dieses Gewinde aufweisenden Abschnitte der Gestängeschüsse ist in der DE 10 2008 047 060 A1 beschrieben.
  • Die Verbindung der beiden Innengestängeschüsse erfolgt über eine erfindungsgemäße Steckverbindung. Hierzu weist jeder der Innengestängeschüsse 3 an einem seiner Enden einen Verbindungsstecker 5 auf, der mit spiralförmig verlaufenden Führungsvorsprüngen 6 versehen ist (vgl. Fig. 3), zwischen denen entsprechend geformte Führungsnuten 7 ausgebildet sind. Die Führungsvorsprünge 6 des Verbindungssteckers 5 wirken im zusammengesteckten Zustand der Steckverbindung mit den entsprechenden Führungsvorsprüngen 8 einer Verbindungsbuchse 9 des benachbarten Innengestängeschusses zusammen, d.h. sie greifen in die von diesen ausgebildeten Führungsnuten ein. Durch den spiralförmigen Verlauf der Führungsvorsprünge 6, 8 kombiniert die Zusammensteckbewegung sowohl eine axiale Relativverschiebung als auch eine Relativrotation der beiden Verbindungsteile (Verbindungsstecker 5 und Verbindungsbuchse 9) zueinander.
  • Wie sich insbesondere aus der Fig. 3 ergibt, ist der Verlauf der spiralförmigen Führungsvorsprünge 6, 8 mit einer sehr großen Steigung versehen. Konkret windet sich jeder der Führungsvorsprüngen 6, 8 über der gesamten Länge des die Führungsvorsprüngen aufnehmenden Abschnitts des Verbindungssteckers bzw. der Verbindungsbuchse um lediglich ca. 70° um die Längsachse. Zudem sind die Flanken 10 der Führungsvorsprüngen 6, 8, die als Kontaktflächen für einen Kontakt mit den entsprechenden Führungsvorsprüngen 6, 8 des anderen Verbindungsteils im Wesentlichen radial ausgerichtet. Die Führungsvorsprünge 6, 8 würden somit - ohne die durch den spiralförmigen Verlauf bedingte Verdrillung ― einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Insbesondere durch diese Gestaltungsmerkmale (große Steigung, radiale Ausrichtung der Kontaktflächen 10) kann eine Selbsthemmung der erfindungsgemäßen Steckverbindung vermieden und diese sogar lediglich durch das Ausüben von Axialkräften gefügt und gelöst werden.
  • Der Verbindungsstecker 5 ist frontseitig mit einem in seinem Durchmesser verringerten Einführabschnitt 11 versehen, indem dieser einen kleineren Außendurchmesser als die übrigen Abschnitte des Innengestänges aufweist. Der Einführabschnitt 11 des Verbindungssteckers ist zudem mit zwei konischen Teilabschnitten 12, 13 versehen. In Verbindung mit einem konischen Einführabschnitt 14 der Verbindungsbuchse 9 kann durch den Einführabschnitt 11 des Verbindungssteckers 5 ein sicheres Zusammenstecken der Steckverbindung auch dann erreicht werden, wenn die beiden Verbindungsteile nicht in exakt koaxialer Ausrichtung zueinander angesetzt werden.
  • Die Innengestängeschüsse 3 sind hohl und somit als Rohrgestängeschüsse ausgebildet. In jedem der Innengestängeschüsse 3 ist ein aus einem festen (Metall-)Draht gebildeter Signalleitungsabschnitt 15 zentral angeordnet und in dieser Lage (auch in axialer Richtung) über Lagerungen (nicht dargstellt), die elektrisch isolierend ausgebildet sind, gehalten. Jeder dieser Signalleitungsabschnitte 15 weist an einem seiner Enden einen Stecker 16 und an dem entsprechenden anderen eine Buchse 17 zur Ausbildung einer Axialsteckverbindung auf. Durch das Verbinden der Doppelgestängeschüsse 1 des Doppelbohrgestänges wird somit gleichzeitig die Steckverbindung der Signalleitungsabschnitte 15 gefügt.
  • Jeder der Innengestängeschüsse 3 ist über einen Gleitlagerring 18 in dem entsprechenden Außengestängeschuss 2 drehbar gelagert. Hierzu weist jeder der Innengestängeschüsse 3 im Bereich des Verbindungssteckers 5 eine zylindrische Lagerfläche 19 zur Aufnahme eines Innenrings des Gleitlagerrings 18 auf. Die Lagerfläche 19 wird zu der einen Seite hin durch einen Absatz 20 begrenzt, der als Axialanschlag für den Gleitlagerring 18 dient. Der Gleitlagerring 18 wird durch Aufschrumpfen mit dem Innengestängeschuss 3 (kraftschlüssig) verbunden. Auch die Innenseite jedes der Außengestängeschüsse 2 weist eine entsprechende Lagerfläche auf, die im Kontakt mit einem Außenring des Gleitlagerrings 18 steht. Auch diese Lagerfläche ist einseitig durch einen Absatz 21 begrenzt, der wiederum als (erster) axialer Anschlag für den Gleitlagerring 18 dient. Ein zweiter axialer Anschlag wird durch einen Sprengring 22 gebildet, der in eine entsprechende Nut an der Innenseite des Außengestängeschusses 2 eingreift. Die Lagerung des Gleitlagerrings 18 in dem Außengestängeschuss 2 erfolgt mit Spiel, so dass eine einfache Montage und auch Demontage (beispielsweise zu Wartungszwecken) des Gleitlagerrings 18 bzw. des damit verbundenen Innengestängeschusses 3 möglich ist. Hierzu muss lediglich der Sprengring 22 entfernt und der (lediglich über den einen Gleitlagerring gelagerte) Innengestängeschuss 3 aus dem Außengestängeschuss 2 herausgezogen werden.
  • Zwischen der Innenwand jedes der Außengestängeschüsse 2 und der Außenwand des entsprechenden Innengestängeschusses 3 ist ein ringförmiger Raum 23 ausgebildet, über den eine Bohrflüssigkeit transportiert werden soll. Im Bereich der Lagerung des Innengestängeschusses 3 in dem Außengestängeschusses 2 ist dieser ringförmige Raum 23 (zumindest teilweise) versperrt, so dass für den Transport der Bohrflüssigkeit insgesamt drei Kanäle 24 vorgesehen sind, die in die Wand des Innengestängeschusses 2 integriert sind und die Lagerfläche 19 und somit den Gleitlagerring 18 in längsaxialer Richtung unterqueren, wie sich dies insbesondere aus den Fig. 2 und 3 ergibt.
  • Wegen der geometrischen Komplexität der Verbindungsteile der Steckverbindung des Innengestänges ist vorgesehen, diese als (Metall-)Gussteil herzustellen und diese dann mit den als rohrförmiges Halbzeug zur Verfügung stehenden Innengestängegrundköpern 25 (aus Metall und insbesondere Stahl) zu verschweißen oder auf andere Art und Weise zu fügen.
  • Um ein Eindringen der Bohrflüssigkeit in die Gewindeverbindungen des Außengestänges und in den Innenraum des Innengestänges zu vermeiden, sind die Gewindeverbindungen sowie die Steckverbindungen des Innengestänges mit jeweils einer Dichtung 26, 27 in Form von handelsüblichen O-Ringen versehen, der in entsprechenden Nuten des Gewinde- bzw. Verbindungssteckers 5 positioniert ist.

Claims (15)

  1. Steckverbindung zur Verbindung von zwei Gestängeschüssen eines Bohrgestänges mit einem Verbindungsstecker (5) an einem Ende eines ersten der Gestängeschüsse und einer Verbindungsbuchse (9) an einem Ende des zweiten Gestängeschusses, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsstecker (5) und die Verbindungsbuchse (9) spiralförmig verlaufende, ineinandergreifende Führungsvorsprünge (6, 8) und/oder Führungsnuten (7) aufweisen.
  2. Steckverbindung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsvorsprünge (6, 8) und/oder Führungsnuten (7) weitgehend radial ausgerichtete Kontaktflächen (10) aufweisen.
  3. Steckverbindung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsstecker (5) und/oder die Verbindungsbuchse (9) einen zumindest teilweise konisch ausgebildeten Einführabschnitt (11, 14) aufweist.
  4. Steckverbindung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Dichtung (12), die im zusammengesteckten Zustand der Steckverbindung einen Ringspalt zwischen dem Verbindungsstecker (5) und der Verbindungsdose (9) abdichtet.
  5. Gestängeschuss für ein Bohrgestänge mit einem Gestängeschussgrundkörper, dadurch gekennzeichnet, dass der Gestängeschussgrundkörper an einem längsaxialen Ende einen Verbindungsstecker (5) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und an dem anderen Ende eine Verbindungsbuchse (9) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
  6. Gestängeschuss gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine zylindrische Lagerfläche (19) zur Aufnahme eines Lagerrings.
  7. Gestängeschuss gemäß Anspruch 6, gekennzeichnet durch mindestens einen die Lagerfläche (19) in längsaxialer Richtung des Gestängeschusses unterquerenden Kanal (24).
  8. Gestängeschuss gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch einen innerhalb des Gestängeschussgrundkörpers, des Verbindungssteckers (5) und der Verbindungsbuchse (9) geführten Signalleitungsabschnitt (15).
  9. Gestängeschuss gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Enden des Signalleitungsabschnitts (15) mit jeweils einem Kupplungsteil zur Verbindung mit einem korrespondierenden Verbindungsteil eines Signalleitungsabschnitts (15) eines zweiten Gestängeschusses versehen sind.
  10. Gestängeschuss gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Kupplungsteile als Axialsteckverbindung ausgebildet sind.
  11. Gestängeschuss gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalleitungsabschnitt (15) axial abgestützt ist.
  12. Doppelgestängeschuss für ein Doppelbohrgestänge mit einem Außengestängeschuss (2) und einem innerhalb des Außengestängeschusses (2) angeordneten Innengestängeschuss (3) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 11.
  13. Doppelgestängeschuss gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Innengestängeschuss (3) über mindestens ein Rotationslager in dem Außengestängeschuss (2) gelagert ist.
  14. Doppelgestängeschuss gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung des Innengestängeschusses (3) in dem Außengestängeschuss (2) gegen axiales Verschieben gesichert ist.
  15. Doppelgestängeschuss gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Außengestängeschuss (2) an einem der längsaxialen Enden einen Gewindestecker und an dem anderen Ende eine korrespondierende Gewindebuchse aufweist.
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