專利名稱：空心鉆桿的制作方法
技術領域：
本發明涉及到按照主要權利要求所闡明的概念而制造的空心鉆桿。
通常型式的空心鉆桿是人們所熟悉的，采用焊接工藝將一個符合美國石油學會的API-規范(例如API5AX)的連接器(它或者作為管頸接頭或者作為套筒接頭)和一根端部經過頂錄加工處理的管子相連接。在管子端部向內頂鍛以及向內又向外頂鍛的情況下。連接器的內徑總是小于未度形管子的內徑，這樣，在管子的頂鍛區域內的內徑有一突變。連接器中從焊縫直到螺紋部分的圓筒形孔的內徑不變。從所周知，隨著鉆井深度的增加，管子和連接器所必需傳遞的力和扭矩將顯著增加，通過相應地提高材料材質，特別是提高材材料的允許屈服極限值或者采用較大的承載截面來承受這種載荷。通過選擇相應的較優良的材質可以解決管子問題，可這對連接器卻不行。這是因為API一規范中規定了材料的等級，另外，采用偏離API一規范的較高強度的材料，并不能提高連接器所需要的韌性。所以，在管頸接頭連接器螺紋部分的一定的截面范圍內必須增大承載截面。由于連接器的管鉗夾緊區的最大外徑是由鉆井口徑所決定，因此只能通過徑向向內加厚才有可能增大這種承載截面。鉆井和套管之間的環形空間不能太小，否則，外面上升的鉆探泥漿的壓力損耗將顯著增加。其結果意味著，管子頂鍛范圍內內徑的突變會越來越大。越來越大的頂鍛加工的制造成本會越來越昂貴。由于從未變形的管子到頂鍛頭部的內部過渡增大，所引起的缺口應力集中效應也是極為不利的。另外，在鉆桿拆下后，在這個部位會積聚殘留的鉆探用水，由此引起腐蝕。在此范圍內，由此將導致不容忽視的，在應用中易發生故障的危險的薄弱部位。
本發明的任務是制造一種符合API一規范的空心鉆桿，可以將鉆孔泥漿的壓力損耗降低到最低，在運用中關鍵部位不易發生故障，特別適用于鉆井深度很大的惡劣工作環境。生產可靠性高且制造成本低。
本任務是通過權利要求1所闡述的特征來完成，其他優點在后續的權利要求中做了說明。
本解決方案的顯著特征是在遵守API一規范標準的前提下制造出適用于鉆深井的最優化的空心鉆桿，它具有很高的生產可靠性且制造成本低，在使用中不存在易發生故障的薄弱環節。通過下述措施達到這些目的一方面將管子端部所需頂鍛部分盡量減小，內徑的大部分的突變處在連接器的安全范圍以內。另一方面，使內部過渡成顯著的圓弧形。這種成圓形的作用在于，在該位置上不會產生危險的缺口應力集中，另外的效果是拆下鉆桿時，殘留的鉆探泥漿能夠毫無阻礙地排出，這樣就避免了不希望有的對過渡部位的腐蝕。減少管子頂鍛部分的優點是，采用普通現有設備即可進行頂錄加工。將頂鍛部分減少，其過渡區段更加接近于所希望的理想曲線。與此相反，管子端部的頂鍛部分加大，到未變形的管差的過渡區的幾何形狀很難控制，將會產生不希望有的生硬過渡，在這里將產生缺口應力集中等值，成為空心鉆桿易發生故障的地方。
管子端部所需要的最小頂鍛尺寸和管子與連接器焊接所引起的在加熱影響區屈服極限下降有關。如果假定出于安全的考慮屈服極限最大下降定為30%，那么，焊縫處所需的橫截面積至少要比管子的標稱面積增大30%，從而滿足橫截面積(WEZ)×屈服極限(WEZ)＝橫截面積(管子)×屈服極限(管子)這一條件。考慮到安全系數，頂鍛頭部的橫截面積至少是未變形管子的橫截面積的1.5倍。增大橫截面積可以通過徑向向內進行頂錄來達到，但這樣做又會引起內徑的較大突變。還可以通過向內又向外頂鍛的優良方法來達到，因為加大外徑，將使面積以平方關系增大。通常，徑向向內頂鍛大于徑向向外頂錄。在這里過渡區并不是與此相對，而是沿軸向交錯排開的，內部頂鍛將具有較長的軸向延伸。
在管頸接頭連接器上，為開始螺紋差所需要的最小橫截面積是一個比較寬的幾何強制部位。該部位必須能夠傳遞后面接上去的鉆桿重量和轉矩以及旋緊螺紋的力。API一規范限制了連接器的屈服極限。超過API一規范提高連接器的強度將不再會有所幫助，這是因為管鉗夾緊區加厚，韌性值將降低，并不再滿足最小值要求。可以簡單地增大連接器的外徑以達到所要求的增大承載橫截面積的目的。但是這將受到管鉗夾緊區的最大直徑必須與鉆井口徑相適合的限制。連接器與鉆井之間所留的環形空間不能太小，否則上升的鉆井泥漿的壓力損耗將顯著增加。其結果將導致徑向向內加厚，從而再次加大管子端部內徑的突變。這種困境可以通過我們所推薦的方法來解決，就是使所需要的內徑突變的大部分位于連接器的非危險區段內，該區段一方面必須距離螺紋段足夠遠，以便能夠對磨損的螺紋進行修復，另一方面要處于環狀止擋區內，在那里有足夠的橫截面積來傳遞所需要的力和轉矩。連接器中的過渡段可以是截圓錐形，也可以是一個彎曲圓弧面的一部分，它與朝向焊縫的圓筒形部分相切。不管怎么說，到圓筒形部分的過渡將成顯著的圓形，以避免缺口應力集中，在同一方向上，連接器的外側從焊縫區到管鉗夾緊區亦成人們已熟知的圓形。
套筒接頭連接器的外側有一個18°標準傾斜角的軸肩，不再需要徑向向內的加厚，這是因為在臨界區的橫截面已經足夠了，這樣就可以使一直到管子的圓筒形孔的孔徑保持不變，從而避免了兩端的頂鍛加工不一樣，通過管頸接頭端部的傾斜角使由管頸接頭的螺紋段的終端到套筒接頭的螺紋段的始端的過渡趨于緩和。當套筒接頭連接器外側是90°軸肩時，由于前面所提到的小半徑及由此而產生的缺口應力集中效應，而出現薄弱環節。
為解決此問題而提出的建議是在套筒接頭連接器的這個部位徑向向內加厚。朝螺紋方向內徑減小的中間段的起始點要位于90°外部軸肩的前面，這樣一來，在該位置上就有較大的橫截面積可供使用了。與管頸接頭相比，突變并不要那么明顯。這是因為為了增強強度，僅需要較小的徑向加厚。在這里，在管子的頂鍛范圍內內徑的突變甚至等于或小于連接器中內徑突變。
以兩個設計實例圖對所發明的空心鉆桿做較為詳細的說明
圖1為本發明的空心鉆桿的局部縱向剖面圖，該空心鉆桿焊接有一個管頸接頭連接器。
圖2如圖1，只是空心鉆桿焊有一個套筒接頭連接器。
圖3如圖2，只是連接器有一個90°軸肩。
圖1所示是所發明的空心鉆桿的局部縱向剖面圖，空心鉆桿上焊有一個管頸接頭連接器18。連接器18通過焊縫4(該焊縫可由摩擦焊產生)與管子3相連接。管子3在焊縫一側的端部是頂鍛的，在本例中，頂錄是徑向向內和向外進行的。徑向向外頂鍛的軸向延伸長度17，17′小于徑向向內頂鍛的軸向長度30，30′。未變形的管子3的孔段5的內徑以箭頭6表示。頂鍛頭部8的孔段7的內徑較小，如箭頭9所示。在這兩個圓筒形孔段5和7之間有一中間段10，作為兩個孔段5和7之間的過渡。在中間段10內，內徑朝焊縫4方向延續減少，最大內徑和最小內徑之差在圖中以線差11表示。中間段10的長度用箭頭12表示，它大于相鄰二孔段5和7的內徑6和9的差值的10倍。由未變形的管子3的孔段5到中間差10的過渡成明顯圓形，該圓半徑以箭頭13表示，至少為300mm。本圖中，管頸接頭連接器18有一圓筒形孔段20，該孔段從焊縫4直到軸肩區19，其內徑9與焊接的管子3的頂鍛頭部8的內徑相同，在螺紋段21方向上緊接著是內徑減小的中間段22。中間段22的長度以箭頭23表示，它大于相鄰孔段20，25的內徑9和24差值的3倍，該差值同樣可以從線段26看出。中間段22的端部位于加厚的環狀止擋區27區段內。在本例中，中間段22形成彎曲的圓弧形狀，該面與朝向焊縫4的圓筒形孔段20相切。這個彎曲的圓弧形面的半徑至少為150mm。位于外表面的傾斜軸肩19具有一個符合標準的30°傾斜角。
圖2所示是與圖1相同的所發明的空心鉆桿1的局部縱向剖面圖，只是其上焊有套筒接頭連接器2，圖中，與圖1相同部分具有相同標號。連接器2通過焊縫4′(例如此焊縫可由摩擦焊產生)與管子3相連接。管子3在焊縫4′一側的端部進行了頂鍛處理，處理方式與管子3的另一端相同(見圖1)。套筒接頭連接器2有一從焊縫4′到螺紋段14端部的圓筒形孔段15，其內徑9′與焊接的管子3的頂鍛頭部8′的內徑相等。外側的傾斜軸肩16具有符合標準的18°傾斜角。
圖3所示是所發明的空心鉆桿1的如同圖2一樣的局部縱向剖面圖，只是其上的連接器2具有一個90°的軸肩31，圖中相同部分具有相同標記。連接器2通過焊縫4′與管子3相連接。管子3在焊縫4′一側的端部進行了頂鍛處理，處理方式與管子3另一端相同(見圖1)。正如圖2所示，套筒接頭連接器2有一從焊縫4′開始，僅通過連接器一定區段的圓筒形孔段20′，其內徑9′與焊接的管子3的頂鍛頭部8′的內徑相同。緊接著它在螺紋差14方向上有一個內徑逐漸減小的中間段22′。中間段22′早在90°外軸肩31開始前一段便終止，從而避免了有可能造成危險的截面減少，中間段22′的長度以箭頭23′表示，它大于兩個相鄰的圓筒形孔段20′，25′的內徑9′，24′的差值的3倍。該差值可從線段26′看出。在本例中，中間段22′形成一個彎曲的圓弧形表面，與朝向焊縫4′的圓筒形孔段20′相切。這個彎曲的圓弧形曲面的半徑29′至少為150mm。
權利要求
1.在空心鉆桿經過頂鍛加工處理的端部焊接了連接器，該連接器有一加厚的管鉗夾緊區，構成管頸接頭和套筒接頭，通過它們相互配合的錐形螺紋段可以相互擰緊，連接器的內徑小于沒有變形的管子的內徑，管子端部的頂鍛處理是相同的，位于未變形管子的圓筒形孔和頂鍛頭部圓筒形孔之間的中間段的內徑朝焊縫方向逐漸減小，套筒接頭連接器在由焊縫到加厚的管鉗夾緊區過渡的外側有一個軸肩，本發明的特征是--在管子(3)中，中間段(10，10′)的長度(12，12′)大于與其相鄰的兩個孔段(5，7，5′，7′)內徑差值一半(11，11′)的20倍，從未變形的管子(3)的圓筒形孔段(5，5′)到中間段(10，10′)的過渡成明顯的圓形(13，13′)；--管頸接頭連接器(18)有一個圓筒形孔段(20)，該孔段從焊縫(4)開始，其內徑(9)與焊接的管子(3)的頂鍛頭部(8)的內徑相等，緊接著孔段(20)，主要是在管鉗夾緊區(27)內有一中間段(22)，它的內徑朝螺紋段(21)方向逐漸減小，其后是一個一直延伸到螺紋段(21)始端的圓筒形孔段(25)，中間段(22)的長度(23)大于兩個相鄰圓筒形孔段(20，25)的內徑差值一半的6倍，到朝向焊縫(4)的圓筒形孔段(20)的過渡成明顯的圓形；--在管子(3)的頂錄區域內，內徑的突變(11，11′)基本上要小于在管頸接頭連接器(18)中內徑的突變(26)；套筒接頭連接器(2)有一個一直延伸到螺紋段(14)的過渡段的圓筒形孔(15)，它的內徑(9′)與被焊接管子(3)的頂鍛頭部(8′)的內徑相同。
2.按照權利要求1的空心鉆桿，其特征是管子(3)的外徑在頂鍛區是相同的，只是徑向向內進行頂鍛加工。
3.按照權利要求1的空心鉆桿，其特征是管子端部的頂鍛加工是徑向向內和徑向向外進行的，外部頂鍛的軸向延伸段(17，17′)小于內部頂鍛的軸向延伸段(30，30′)。
4.按照權利要求3的空心鉆桿，其特征是徑向向內的頂鍛量(11，11′)大于徑向向外的頂鍛量(28，28′)。
5.按照權利要求1的空心鉆桿，其特征是從沒有變形的管子(3)到中間段(10，10′)的內部過渡區的圓的半徑至少為300mm，在連接器中過渡區的圓的半徑至少為150mm。
6.按照權利要求1的空心鉆桿，其特征是在管頸接頭連接器(18)中的中間段(22)是截圓錐形。
7.按照權利要求1的空心鉆桿，其特征是在管頸接頭連接器(18)中，中間看(22)的橫截面彎成圓弧形，并與朝向焊縫(4)的圓筒形孔(20)相切。
8.按照權利要求1的空心鉆桿，其特征是管子(3)頂鍛區內徑的突變(11)比管頸接頭連接器的內徑突變(26)少50%～30%，頂鍛頭部(8)的橫截面至少是未變形管子橫截面的1.5倍。
9.按照權利要求1的空心鉆桿，其特征是-在具有90°軸肩(31)的套筒接頭連接器(2)上，有一個從焊縫(4′)開始，內徑(9′)與焊接的管子(3)的頂鍛頭部(8′)的內徑相同的圓筒形孔段(20′)，緊接著該孔差，在90°軸肩(31)位置之前有一個中間段(22′)，它的內徑朝螺紋差(14)方向逐漸減小，還有一個延伸到螺紋段(14)的過渡的圓筒形孔段(25′)，中間段(22′)的長度(23′)大于兩個相鄰的圓筒形孔差(20′，25′)的內徑差的一半(26′)的6倍，到朝向焊縫(4′)的圓筒形孔段(20′)的過渡至少要成明顯的圓形;-在管子(3)的頂鍛區內內徑的突變(11′)稍小于或等于連接器中的內徑突變(26′)，在此，頂鍛頭部(8′)的橫截面至少是未變形管子(3)橫截面的1.5倍。
10.按照權利要求9的空心鉆桿，其特征是在套筒接頭連接器(2)內的中間段(22′)的橫截面彎成圓弧形，并與朝向焊縫(4′)的圓筒形孔(20′)相切。
11.按照權利要求7或10的空心鉆桿，其特征是彎成圓弧形曲面(22，22′)的半徑(29，29′)至少為150mm。
全文摘要
一種空心鉆桿，其頂錄端焊有一個連接器。這種具有加厚的管鉗夾緊區的連接器構成管頸接頭和套筒接頭，通過它們相互配合的錐形螺紋段可以相互擰緊。連接器的內徑小于未變形的管子的內徑，管子兩端具有相同的頂鍛結構。在未變形的管子的圓筒形孔和頂鍛頭部圓筒形孔之間有一中間段，其內徑朝焊縫方向減小。套筒接頭連接器在從焊縫區到加厚的管鉗夾緊區的過渡的外側有一個軸肩。這種空心鉆桿，符合API一規范，并兼顧使鉆探泥漿壓力損耗最小，關鍵部位的故障率最低。該空心鉆桿適用于鉆井深度很大的惡劣場合，可靠性高且制造成本低。
文檔編號F16L15/00GK1039636SQ8910497
公開日1990年2月14日 申請日期1989年7月27日 優先權日1988年7月28日
發明者格哈德·克虜克 申請人:曼內斯曼股份公司