專利名稱：一種鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于一種石油鉆井工具。
石油鉆井用的鉆桿，一般是由鉆桿管體與在其一端的鉆桿接頭組成。近一、二十年來(lái)采用焊接的方法來(lái)連接鉆桿接頭與鉆桿管體。由于鉆桿管體較薄，因此在靠近管體端部需要有一段適當(dāng)長(zhǎng)度的管體內(nèi)加厚來(lái)增強(qiáng)焊接強(qiáng)度。所謂的鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)就是指在管壁截面厚度不一樣的兩部分管體之間的過(guò)渡區(qū)域。
API標(biāo)準(zhǔn)是目前國(guó)際上被廣為采用的美國(guó)石油學(xué)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，世界上絕大多數(shù)的鉆桿生產(chǎn)廠及用戶都是以API標(biāo)準(zhǔn)作為制造、檢驗(yàn)及驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)從1980年起，制造和使用鉆桿也都是以API作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)驗(yàn)收的。在API標(biāo)準(zhǔn)中，一直未曾對(duì)鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)的長(zhǎng)度作出合理的規(guī)定，對(duì)于其結(jié)構(gòu)更是未作規(guī)定。API標(biāo)準(zhǔn)在A中對(duì)低強(qiáng)度鉆桿有關(guān)內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)的規(guī)定是“2 7/8 ″～3 1/2 ″鉆桿Miu(過(guò)渡區(qū)沿鉆桿軸線方向的長(zhǎng)度)最小為1 1/2 ″(約38.1毫米)長(zhǎng)，4″～5 1/2 ″鉆桿部分的規(guī)定是Miu為2″(約50.8毫米)。規(guī)定中對(duì)過(guò)渡區(qū)的結(jié)構(gòu)未作任何限制。在API5AX中對(duì)高強(qiáng)度鉆桿(G.S級(jí))的內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)未曾涉及，僅在API5A中的注解6中提到“在買方與制造廠取得一致同意時(shí)，E級(jí)鉆桿的加厚長(zhǎng)度可以與5AX表列高強(qiáng)度鋼相同”。這里也未對(duì)高強(qiáng)度鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)本身作出任何規(guī)定。
因此在實(shí)際生產(chǎn)中，各制造廠都是根據(jù)其工藝性要求來(lái)設(shè)計(jì)鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)的。
在實(shí)際使用中，鉆桿的損壞程度相當(dāng)嚴(yán)重。大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和失效解剖分析發(fā)現(xiàn)，鉆桿的損壞大約70％發(fā)生在距鉆桿接頭端部750～850毫米左右的部分，即鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)(Miu)與鉆桿管體相接處，失效形式為腐蝕疲勞破壞引起在該部分發(fā)生“刺穿”及斷裂。經(jīng)試驗(yàn)分析，這種破壞是由于Miu過(guò)短及形狀不合理，引起應(yīng)力集中所致。另外，鉆桿的現(xiàn)場(chǎng)服役條件很惡劣，鉆桿內(nèi)部通有高壓、帶有腐蝕性的流動(dòng)泥漿，由于Miu的結(jié)構(gòu)不合理，引起泥漿的局部渦流。應(yīng)力集中與局部渦流現(xiàn)象的產(chǎn)生，是進(jìn)一步引起腐蝕集中的重要原因。上述各種因素綜合作用的結(jié)果，使得鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)與鉆桿管體相接處成為整個(gè)鉆桿疲勞強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)。
本實(shí)用新型的任務(wù)是設(shè)計(jì)一種適用于127毫米或127毫米以上鉆桿的鉆桿內(nèi)加厚區(qū)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使其在易于制造和驗(yàn)收的條件下，盡可能減小應(yīng)力集中系數(shù)和減弱腐蝕集中的現(xiàn)象，從而達(dá)到延長(zhǎng)整個(gè)鉆桿使用壽命的目的。
本實(shí)用新型的要點(diǎn)是位于127毫米或127毫米以上鉆桿的端部?jī)?nèi)壁加厚部分與鉆桿管壁之間、并用以連接上述兩部分的內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)沿著鉆桿軸線方向的長(zhǎng)度不小于70毫米，該過(guò)渡區(qū)的結(jié)構(gòu)為一條直線段或一條光滑曲線與一段圓弧相切，該直線段或該光滑曲線的另一端與加厚部分內(nèi)壁相交，該段圓弧的另一端與所說(shuō)的鉆桿管體內(nèi)壁相切，所說(shuō)的光滑曲線段，除了與內(nèi)加厚表面相交點(diǎn)以外，每一點(diǎn)的曲率半徑均不小于300毫米。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。
附
圖1是本實(shí)用新型的鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2是R＝0時(shí)的α－L圖(實(shí)測(cè)結(jié)果)。
附圖3是R≠0時(shí)的α－L圖(計(jì)算結(jié)果)。
附
圖1、附圖2、附圖3中，R為圓弧曲率半徑、α為應(yīng)力系數(shù)、Miu為過(guò)渡區(qū)沿鉆桿軸線長(zhǎng)度、L為直線段在鉆桿軸線方向的長(zhǎng)度。
通過(guò)對(duì)鉆桿結(jié)構(gòu)在理論進(jìn)行有限元計(jì)算和應(yīng)用電阻應(yīng)變計(jì)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，可以發(fā)明在上述直線與其相切的圓弧所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)的過(guò)渡區(qū)設(shè)計(jì)中，直線段在鉆桿軸線方向的長(zhǎng)度L與圓弧曲率半徑R的數(shù)值選擇，對(duì)過(guò)渡區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)α有很大影響，參照附
圖1和附圖2。當(dāng)圓弧曲率半徑R為零時(shí)，附
圖1曲線表明當(dāng)直線段在鉆桿軸線方向的長(zhǎng)度L為70～80毫米時(shí)，曲線下降趨勢(shì)趨于平緩，所以過(guò)渡區(qū)沿著鉆桿軸線方向的長(zhǎng)度不應(yīng)小于70毫米。如果在上述結(jié)構(gòu)的過(guò)渡區(qū)設(shè)計(jì)中，使所說(shuō)的過(guò)渡區(qū)的直線段或光滑曲線段在沿鉆桿軸線方向上的長(zhǎng)度至少不小于80毫米。
附圖2的結(jié)果表明當(dāng)圓弧曲率半徑R為300毫米時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)不僅絕對(duì)數(shù)值較低，而且受直線段在鉆桿軸線方向的長(zhǎng)度L的影響小，所以可以在上述結(jié)構(gòu)的過(guò)渡區(qū)設(shè)計(jì)中，使所說(shuō)的過(guò)渡區(qū)圓弧部分的曲率半徑，至少不小于300毫米；或者同時(shí)滿足過(guò)渡區(qū)的直線段或光滑曲線段在沿鉆桿軸線方向上的長(zhǎng)度至少不小于80毫米，圓弧部分的曲率半徑R至少不小于300毫米。
由此可見(jiàn)，由于本實(shí)用新型使用了圓弧過(guò)渡，不僅可以減小過(guò)渡區(qū)與鉆桿管體連接處的應(yīng)力集中系數(shù)、而且使高壓泥漿流可以順利平緩地通過(guò)該處內(nèi)表面，防止或減緩渦流、滯流的產(chǎn)生，從而有效地減少腐蝕集中現(xiàn)象發(fā)生。
通過(guò)實(shí)物疲勞試驗(yàn)可以證明，采用本發(fā)明改進(jìn)的鉆桿，鉆桿的壽命比未采用本發(fā)明改進(jìn)以前可以提高近10倍左右。由于鉆桿使用量大，鉆井操作投資大，即使在實(shí)際服役條件下鉆桿壽命的延長(zhǎng)不能達(dá)到實(shí)物疲勞實(shí)驗(yàn)所達(dá)到的指標(biāo)，仍然將為國(guó)家節(jié)約巨大的石油鉆采投資。
實(shí)施例1為鋼號(hào)S135的127毫米鉆桿，其過(guò)渡區(qū)沿鉆桿軸線方向長(zhǎng)度Miu為92毫米過(guò)渡區(qū)形狀為直線段與圓弧相切，圓弧部分曲率半徑R是460毫米。該鉆桿在35千克／毫米試驗(yàn)應(yīng)力下，破損斷裂轉(zhuǎn)次數(shù)超過(guò)1，014，200次仍未斷裂，試驗(yàn)停止。
實(shí)施例2為鋼號(hào)S135的127毫米鉆桿，其過(guò)渡區(qū)沿鉆桿軸線方向長(zhǎng)度Miu為70毫米，過(guò)渡區(qū)形狀為直線段與圓弧相切，圓弧部分曲率半徑R是200毫米，在35千克／毫米試驗(yàn)應(yīng)力下，破損斷裂旋轉(zhuǎn)次數(shù)超過(guò)5，002，100次仍未發(fā)生斷裂，試驗(yàn)停止。
與實(shí)施例1、2進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)的、未采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的127毫米鉆桿，同樣采用S135鋼號(hào)，過(guò)渡區(qū)沿鉆桿軸線方向長(zhǎng)度為20毫米，形狀為一直線，無(wú)圓弧過(guò)渡，在35千克／毫米試驗(yàn)應(yīng)力下，破損斷裂旋轉(zhuǎn)數(shù)為156，300次，即在過(guò)渡過(guò)部位發(fā)生斷裂。
實(shí)施例3為127毫米鉆桿，鋼號(hào)G105，過(guò)渡區(qū)沿鉆桿軸線長(zhǎng)度Miu為92毫米，形狀為一直線段與圓弧相切，圓弧曲率半徑是400毫米，在35千克／毫米試驗(yàn)應(yīng)力下，破損斷裂旋轉(zhuǎn)數(shù)超過(guò)1，034，800次仍未斷裂，試驗(yàn)停止。
與實(shí)施例3對(duì)比試驗(yàn)的127毫米鉆桿，同樣是G105鋼號(hào)，未采用本發(fā)明，過(guò)渡過(guò)沿鉆桿軸線方向長(zhǎng)度Miu為36毫米，形狀為一直線和一圓弧相切，圓弧曲率半徑R為30毫米，在30千克／毫米試驗(yàn)應(yīng)力下，破損斷裂旋轉(zhuǎn)數(shù)為654，800次，在離開(kāi)過(guò)渡區(qū)28毫米處發(fā)生斷裂。
未采用本發(fā)明，過(guò)渡過(guò)沿鉆桿軸線方向長(zhǎng)度Miu為36毫米，形狀為一直線和一圓弧相切，圓弧曲率半徑R為30毫米，在30千克／毫米試驗(yàn)應(yīng)力下，破損斷裂旋轉(zhuǎn)數(shù)為654，800次，在離開(kāi)過(guò)渡區(qū)28毫米處發(fā)生斷裂。
權(quán)利要求1.一種鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，用以連接127毫米或127毫米以上鉆桿管體與鉆桿端部為焊接接頭而設(shè)置的內(nèi)壁加厚部分，其特征在于該過(guò)渡區(qū)沿著鉆桿軸線方向的長(zhǎng)度不小于70毫米，該過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)為一條直線段或一條光滑曲線段與一段圓弧相切，該直線段或該光滑曲線段的另一端與加厚部分內(nèi)壁相交，該段圓弧的另一端與所說(shuō)的鉆桿管體內(nèi)壁相切，所說(shuō)的光滑曲線段，除了與內(nèi)加厚表面相交點(diǎn)以外，每一點(diǎn)的曲率半徑均不小于300毫米。
2.一種如權(quán)利要求1所述的鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，其特征在于所說(shuō)的過(guò)渡區(qū)的直線段或光滑曲線段，在沿鉆桿軸線方向上的長(zhǎng)度至少不小于80毫米。
3.一種如權(quán)利要求1所述的鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，其特征在于所說(shuō)的過(guò)渡區(qū)的圓弧部分的曲率半徑，至少不小于300毫米。
專利摘要一種鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，是用以連接127毫米或127毫米以上鉆桿管體與鉆桿端部為焊接接頭而設(shè)置的內(nèi)壁加厚部分。該加厚過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)為一條直線段或一條光滑曲線段與一段圓弧相切，該直線段或該光滑曲線段的另一端與加厚部分內(nèi)壁相交，該段圓弧的另一端與鉆桿管體內(nèi)壁相切，不僅減少了過(guò)渡區(qū)與鉆桿管體連接處的應(yīng)力集中系數(shù)，而且使高壓泥漿流可以順利平緩地通過(guò)該處內(nèi)表面、減少腐蝕集中現(xiàn)象的發(fā)生。
文檔編號(hào)E21B17/02GK2030648SQ8720863
公開(kāi)日1989年1月11日 申請(qǐng)日期1987年5月28日 優(yōu)先權(quán)日1987年5月28日
發(fā)明者李鶴林, 宋治, 趙克楓, 李寶進(jìn), 韓勇 申請(qǐng)人:石油工業(yè)部石油專用管材料試驗(yàn)中心