專利名稱：重負載管子的鍛造焊接的制作方法
技術領域：
本發明涉及一個改進的方法，用于重負載管子的鍛造焊接，這樣獲得一個高強度和高質量的焊接連接。
背景技術：
高負載管子可以由油田管、鉆井管和/或其它管子形成，作為它們在一個不規則的井孔或侵蝕性或海上環境使用的一個結果，它們在使用中經受高的力學和/或熱應力。因此，重負載管子可以頻繁地經受大的徑向的、切向的和/或剪切的應力，它們導致管壁和任何管接頭的一個高的彈性的、塑性的和/或偽塑性的變形。重負載管子可以是這樣的管子，它們膨脹下孔至一個較大的直徑，以及在膨脹過程中塑性地變形，鉆管可以長達10千米，以及作為傳送至鉆頭的扭矩以及鉆管和不規則的井孔壁或加熱器油井套管、蒸氣噴射和/或其它加熱器管子之間摩擦的一個結果管子周邊扭轉超過30次。這些管子經受高的熱膨脹和在生產作業時可能被周圍的地層和/或沉陷的熱膨脹擠壓。
鍛造焊接包括管子末端的周邊加熱，它們準備連接以及隨后壓緊管子末端到一起，以形成一個冶金連接。
大量的加熱技術可以使用于使管子末端充分加熱，從而使能夠產生冶金連接。加熱技術可以包括電的、電磁的、感應的、紅外的、火花的和/或摩擦的加熱，或這些方法與其它方法的組合。
當在本說明書中使用時，術語“鍛造焊接”有意地包容全部技術，它包括周邊地加熱管子末端和隨后冶金連接加熱的管子末端，包括的焊接技術是通常已知的焊接技術，比如擴散焊接、摩擦焊接、火花焊接和/或對接焊接。
由下列授予Per H.Moe的專利US 4,566,625；4,736,084；4,669,650和5,721,413可知可能有利的是在鍛造焊接操作前和操作中使用一個還原的沖洗氣體沖洗管子末端，比如使用氫或一氧化碳，這樣使任何氧化皮從加熱的管子末端清除，以及獲得帶有一個極少量不規則性的一個冶金連接。由下列的專利US 2,719,207和4,728,760，還可知使用非爆炸的混合氣體以便進行火花焊接和感應對接焊接，非爆炸混合氣體含有約95％體積的一個惰性氣體，比如氬、氮和/或氦，以及約5％體積的一個還原氣體，比如氫和/或一氧化碳。
實驗表明，鍛造焊接技術能夠在管子末端之間產生高質量的冶金連接，尤其是，在焊接操作時使用一個還原的沖洗氣體混合物沖洗管子末端。
本發明的一個目的是提供一個方法，用于重負載井管、油田管和其它管子的鍛造焊接，它們能夠僅在數分鐘內產生一個鍛造焊接管子連接，以及它們產生一個焊縫，在其中僅在焊縫區內的管子壁被弱化和/或增強至極小的范圍，以及任選地使任何強度改變中的一個逐漸的改變產生在管子的縱向上。
發明內容
按照本發明，提供了一種重負載管子的連接方法，此方法包括借助鍛造焊接連接管子，以及至少在鍛造焊接操作的部分階段中圍繞加熱的管子末端用一個還原沖洗氣體沖洗，從而使氧化物從鍛造焊接的管子末端清除，以及在鍛造焊接的管子末端之間的氧化物雜質的數量和不規則性受限制，其特征在于，所述的管子末端具有一個非平面形形狀。
最好是使管子末端在周邊方向上具有一個互補的齒形的正弦波形，以便在使用重負載管子串聯組時減輕加至鍛造焊接管子末端的力。相互嚙合的齒形或正弦波形末端可以在鍛造焊接操作時彼此相對壓緊，這時借助在焊接過程中在一個縱向上移動管子末端彼此接近，而管子末端的周邊取向控制為這樣，使在加熱階段沿著整個周邊一個基本上恒定寬度的間隙形成。
非平面形的管子末端最好具有一個規則的相互嚙合的正弦波形或齒形，以便當管子組扭轉和/或徑向膨脹時阻止尤其是作用在鍛造焊接接頭上的剪切應力，而管子組是在一個空腔，比如一個地下井孔內轉動和/或徑向地拉伸。
在此種情況下，管子末端的加熱可以借助在周邊方向上引入一個高頻電流通過準備接合的管子末端附近的管子壁，以及其中沿著加熱的管子末端的周邊存在的冷點可以借助安排一系列的縱向的鐵氧體棒圍繞管子末端和/或在其內部而減少。此外，管子末端的加熱可以借助一系列的電極引入高頻電流通過管子末端，這些電極壓緊頂住管子末端的內和/或外表面，鄰接齒形和/或正弦波形末端表面的前端。
沖洗氣體可以是一個基本上惰性氣體和一個還原氣體的非爆炸混合物，更具體地，沖洗氣體含有大于90％體積的一個基本上惰性氣體，比如氮、氦或氬，以及大于2％體積的氫。重負載管子組可以是一個套管，在鉆孔時套管攜帶一個鉆頭，以及在鉆孔過程完成之后以一個膨脹的或非膨脹的形狀保留在井孔內。
管子也可以在管子膨脹操作之后在下孔內借助鍛造焊接連接，其中一個尖矛插入到管子末端區，它隨后加熱管子末端至一個鍛造焊接溫度以及壓緊它們到一起，至少在鍛造焊接操作的一部分時，尖矛沖洗一個還原氣體圍繞加熱的管子末端。
在此種情況下，管子末端可以至少部分地彼此搭接，以及尖矛和其它鍛造焊接器件插入內管，用來加熱管子末端，把一個還原沖洗氣體沖洗進入在搭接的管子末端之間剩余的任何間隙，隨后壓緊內管的加熱的末端的外表面頂住外管的內表面，以借助鍛造焊接連接上述的管子末端。
在此種情況下，部分地搭接的管子末端是齒形的或具有一個互補的正弦波形，以便當管子組彎曲、彎縮和/或其它變形時，減少至鍛造焊接的膨脹的管子末端的突然應力改變的存在。
本發明以實例的方式結合參見附圖更詳細地說明，附圖中圖1示出兩個管子末端，帶有互補的齒形末端表面。齒形末端表面能使用于在傾斜方向上對準管子；
圖2示出兩個管子末端，帶有互補的非平面末端表面，在此種情況下這些表面是一個正弦波形；以及圖3示出兩個部分地搭接的管子末端，管子的末端表面具有一個正弦波形。
具體實施例方式
如圖1內所示，相鄰的管子1，2的齒形末端3的焊接是沿著相互嚙合的非平面齒形末端3的外形長度，這兩個末端相對于管子1，2的一個縱軸10轉動對稱，焊接提供焊縫的一個總長度，大于管子的總周邊長度，從而與管子體比較減少了焊縫的加載。
在圖2內，兩個相鄰的管子段4和5的非平面末端6具有在周邊方向上的一個正弦波形，它相對于管子段4和5的一個縱軸11轉動對稱。
圖3示出兩個管子段7和8是部分地搭接的。內管子末端8設置帶有一個非平面轉動對稱的正弦波端面9，該端面與外管子7接觸，而外管子7具有一個非平面轉動對稱的正弦波端面12，與內管子8接觸。管子7和8沿著在非平面端面9和12之間搭接的管子段13的長度焊接到一起，產生一個焊縫長度，該長度比管子的周邊的長度大，以及從而與管子體比較減少了焊縫的加載。此外，當管子由于扭轉力而扭轉和/或彎曲和/或徑向地膨脹時，這種形狀產生加載的逐漸的轉移，從一個管子體傳至另一個管子體以及支持在管子的搭接區內應力集中的減輕。
權利要求
1.一種重負載管子的連接方法，此方法包括借助鍛造焊接連接管子，以及至少在鍛造焊接操作的部分階段中圍繞加熱的管子末端用一個還原沖洗氣體沖洗，從而使氧化物從鍛造焊接的管子末端清除，以及在鍛造焊接的管子末端之間的氧化物雜質的數量和不規則性受限制，其特征在于，所述的管子末端具有一個非平面形形狀。
2.按照權利要求1的方法，其特征在于，所述的管子末端具有一個相互嚙合的規則的正弦波形或齒形圍繞著管子的周邊。
3.按照權利要求1的方法，其特征在于，沖洗氣體是一個惰性氣體和一個還原氣體的一個非爆炸混合物，如一個混合物，該混合物含有大于90％體積的惰性氣體，比如氮、氦或氬，以及大于2％體積的氫。
4.按照權利要求1-3任何一項的方法，其特征在于，重負載管子的串接組是一個套管，在鉆孔時套管中攜帶一個鉆頭，以及在鉆孔過程完成之后套管以一個膨脹的或非膨脹的形狀保留在井孔內。
5.按照權利要求1的方法，其特征在于，所述的管子末端的加熱是借助在周邊方向上引入一個高頻電流通過準備連接的管子末端附近的管子壁，以及其中沿著加熱的管子末端的周邊冷點的存在可以借助安排一系列的縱向的鐵氧體棒圍繞管子末端和/或設在管子末端內部而減少。
6.按照權利要求2的方法，其特征在于，所述的管子末端的加熱是借助一系列的電極引入高頻電流通過管子末端，這些電極壓緊頂住管子末端的內和/或外表面，鄰接齒形和/或正弦波形的末端表面的前端。
7.按照權利要求1的方法，其特征在于，管子是在管子膨脹操作之后在下孔內借助鍛造焊接連接，以及管子末端加熱至一個鍛造焊接溫度并壓緊到一起，而一個還原沖洗氣體至少在鍛造焊接操作的部分階段中圍繞加熱的管子末端沖洗。
8.按照權利要求7的方法，其特征在于，所述的管子的末端至少是彼此部分地搭接的，一個鍛造焊接器件插入內管子，用來加熱管子末端，用一個還原的沖洗氣體沖洗進入在搭接的管子末端之間剩余的任何間隙，它隨后壓緊內管的加熱的末端的外表面頂住外管的內表面，以借助鍛造焊接連接上述的管子末端，并且部分搭接的管子末端是齒形的或具有一個互補的正弦波形，以減輕加至鍛造焊接膨脹的管子末端的力。
全文摘要
重負載油田、鉆井或其它管子的連接方法，包括借助鍛造焊接連接管子，以及至少在鍛造焊接操作的部分階段中圍繞加熱的管子末端用一個還原沖洗氣體沖洗，從而使氧化物從鍛造焊接的管子末端清除，以及在鍛造焊接的管子末端之間的氧化物雜質的數量和不規則性受限制。管子末端可以具有一個齒形的非平面形狀，以便當管子扭轉和/或徑向膨脹時阻止在焊接區內壁強度任何突然的改變和/或減少加至鍛造焊縫的剪切力。
文檔編號B23K13/02GK1668411SQ03816938
公開日2005年9月14日 申請日期2003年7月17日 優先權日2002年7月17日
發明者J·J·登·布爾, A·T·科爾, K·季米特里季斯, D·H·澤斯林格 申請人:國際殼牌研究有限公司