[发明专利]具有脊柱结构特性的仿生公接头及其加工工序

说明书

一种具有脊柱结构特性的仿生公接头及其加工工序，仿生公接头包括传扭端、连接端以及缓冲垫层，所述传扭端与连接端之间包含一经二次切割而形成相互嵌合且能分离但不能脱开的嵌合连接结构，传扭端用于扭矩传递，连接端用于公接头与母接头的螺纹连接，所述缓冲垫层位于传扭端与连接端之间的嵌合连接结构中以用于吸收钻杆的微量变形，并作为预破坏层，实现公接头根部断裂位置由随机向可控部位转变，从而形成仿脊柱弹性软骨和韧带特性的柔性结构；由此，本发明从本质上改善了公接头根部受力状态，创造性地将公接头传扭功能和连接功能分开，以实现公接头传扭功能失效后，连接功能不失效，从而彻底解决钻杆因公接头根部断裂导致的“掉钻”难题。

技术领域

本发明涉及煤矿、地质和石油的技术领域，尤其涉及一种能广泛应用于各种钻杆的具有脊柱结构特性的仿生公接头及其加工工序。

背景技术

随着煤矿、地质和石油等行业钻探技术的发展，对长距离近水平井的需求越来越多。当钻孔增加到一定深度时，孔壁的摩阻效应使钻压无法有效传递到钻头，因而需要施加更大的钻压。钻压的提高一方面增大了钻杆的轴向压力，另一方面也加剧了钻孔弯曲，进而孔壁对钻杆的附加弯矩也随之增大，容易造成钻杆断裂事故，为钻探工程造成巨大经济损失。

据统计，80％以上的钻杆断裂事故都发生在钻杆公接头螺纹根部一扣或者两扣处。进一步分析可得知：由于钻杆接头螺纹连接是整个钻杆柱的薄弱环节，附加的轴向载荷和弯矩主要由钻杆公接头螺纹根部的两扣来承担，容易形成应力集中，当局部应力超过公接头材料的屈服强度时，易在公接头螺纹根部发生断裂。

中国发明专利CN106150401 A公开了一种柔性钻杆与钻井设备，其柔性短节由花键球头和与之配合的球窝机构组成，球窝机构通过销钉连接在外壳上。中国发明专利CN107869312 A公开了一种用于石油小曲率半径定向井钻进的柔性钻杆，该柔性钻杆由两个钻杆接头及二者之间多个首尾连接的钻杆短节组成，短节上设有纵向延伸的球齿机构和与其活动连接的齿套机构。这两项发明专利都是通过传动齿组成万向节机构，来实现自身弯曲和传递扭矩，降低应力集中，多个短节弯曲叠加可实现超短半径侧向水平井钻进。

中国实用新型专利CN 205977123 U公开了一种用于土层和岩层锚索起拔的钻杆柔性接头，由外球头、内球节和销轴装配而成，可实现相邻两根钻杆之间角度的调整，便于钻杆沿锚索方向钻进。中国实用新型专利CN 207161005 U公开了一种用于石油、煤矿和勘探用的柔性钻杆，由球座、球头和二者之间传递扭矩的花键构成，通过球头的摆动可适当减小定向井造斜段的转弯半径。中国实用新型专利CN2711369Y公开了一种由多个球形万向节串联组成的双壁柔性钻杆，内管包括套有环形轴承跑道和定位销等活动件的无缝钢管，用来循环泥浆，外管为可自由弯曲的管状外壳。

中国实用新型专利CN 201546638 U在外螺纹根部加工一个应力减轻槽，这是机械行业一个常用的降低应力集中的办法。中国实用新型专利CN 202228002 U是常用的“双顶”结构，增加了接触段长度，有利于改善应力集中现象。但钻杆弯曲过大时，外螺纹根部仍然会断裂，且断裂位置不可控，没有从本质上解决断裂问题。

综上所述，现有公开的柔性钻杆，大多采用销传动、键传动或球传动的方式，结构复杂，易损件繁多，互换性不好；或者采取降低应力集中的措施，但都没有从本质上解决公接头断裂问题。公接头一旦断裂，钻杆之间的连接随即失效，钻杆就会掉在钻孔内。因此亟需一种有效的方法，解决钻杆公接头根部频繁断裂导致的“掉钻”问题，为钻探工程降本增效提供技术支撑。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种具有脊柱结构特性的仿生公接头及其加工工序，以克服上述缺陷。动物脊柱由脊椎骨及椎间盘构成，并通过弹性软骨和韧带相连接，是一种相当柔软又能活动的结构，其特征为：脊椎骨及椎间盘相互嵌合的结构，且两者之间存在弹性软骨和韧带等沿圆周方向的软连接等。因此采用仿生学相关技术，将动物脊柱的结构特性运用到钻杆公接头结构设计中，以解决钻杆公接头断裂后导致的“掉钻”难题。