专利名称：带钻具接头的钻管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钻探设备，也即用于钻探油气井的钻管。
背景技术：
钻管是由管本身(几乎未经过机械加工的相当长的元件)和带螺 纹连接(也被称为接头或钻具接头)的联锁装置组成。后者被放置在 形成整体接头或永久连接的两管末端处。该装置进一步用术语"钻管" 表示。术语"管"表示的是不带钻具接头的半成品钻管。
钻具接头将管连接成钻柱(drill string)并使部件具有外部锥螺纹 (称为管螺纹接套(pipe nipple))或内螺纹(称为钻具接头盒(tool joint box))。区别于管的是，钻具接头要接受复杂的机械加工。因此，先分 别生产短接头然后将它们焊接在轴承面上更经济实惠。目前，生产的 大部分钻管带有闪光焊钻具接头。为了增加焊接面积并减少受力，管 端头被制成扩大的，也就是增厚的。预制接头和管端头通过摩擦焊接 (参见，例如，俄罗斯联邦专利号No. 2291904，分类号C21D9/08)
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钻管在钻孔期间发生磨损。带有闪光悍钻具接头的特定管不均匀 地磨损。钻管主体的耐用能力比钻具焊接接头高得多。钻具接头的螺 纹比管主体磨损得快得多。因此，钻具接头被设计和制作得足够大，
能承受至少一次的维修。为了维修，接头在20到40mm的高度处进行 表面加工。由于留出了富余量，金属的消耗增加，抗挠刚度变大，并 且钻具接头的尺寸变大。仅在制管厂有可能对管进行维修，因此大修 的费用必须包括将管运输到制管厂和返程的花销。
至少钻管的螺纹段被特殊涂覆。涂层增强了管和钻探设备其它部 分的耐腐蚀性和耐磨强度。
例如，连接油井管路和钻管的螺纹被涂覆了含铜的塑性合金(俄
3罗斯联邦专利号No. 2214478，分类号C23C 26/00)。通过将摩擦杆强 压在旋转部分表面上同时让接触面被特定液体弄湿而将涂层独立地施 加在每个加强部分上。所述涂层增强了耐腐蚀性并增大了螺纹连接的 耐磨强度，但是涂层处理过程非常复杂，这是个缺点。除此之外，部 分与部分之间涂层的参数都大大不同，这是由于涂层是独立地施加在 每个部分上的。处理过程完成的信号是出现"刺耳的啸声"，这是个非 常主观的判断标准。
从技术的本质和效率来看，最接近本发明技术方案的是钻管、联 接盒和适配器，在它们的螺纹连接上具有两层由锌层(10-14mcm)组 成保护涂层，所述涂层是通过热扩散镀锌的手段所施加上的，还具有 磷化膜涂层(2-3mcm)的覆盖物(俄罗斯联邦专利号No. 38498，分 类号F16L15/08)。热扩散镀锌最适合于大规模生产，并确保了涂层具 有适当的质量。施加第二磷化膜层能增强连续性无法保证的15mcm热 扩散锌涂层的可靠性。所述双层涂层确保了对连接部件的保护，使它 们无论在存储或运输中能免于发生腐蚀。但是，涂层在第一次整修/ 损坏周期之后就磨掉了，最多十个周期，接下来就会磨掉金属螺纹。 因此，当前所使用的涂层不能增强钻具接头的耐用性。
发明内容
通过本发明的技术，所达到的结果包括与钻管一体的钻具接头的 耐用性增强。
这是由以下内容达成的钻管所焊接的钻具接头具有锥螺纹和双 涂层，第一层是通过热扩散的方式施加的，而第二层是通过磷化的方 式，第一层的厚度S以p (微米)为单位，所述厚度与螺纹的锥度(K)
的关系如下5 = 0.09...0.13 K，并且在离焊点15 - 25 mm (毫米)的 段仅存在磷化层。
通过热扩散粉末镀锌所施加的且厚度(p)等于0.09...0.13 K (其 中所述K是螺纹锥度)的涂层的效果如下钻具接头的耐磨强度或耐 用性增强，这用整修/损坏周期的数量为标准。
磷化涂层增强了接头的耐腐蚀性，尤其是没有锌涂层的段上的耐腐蚀性。
离焊点15 - 25 mm的段仅存在磷化层使得钻管获得更大的耐用 性，这是因为接头和管主体之间的焊接连接可靠性增加了。
本申请的益处在图1中示出，图1示出了带焊接钻具接头的本发 明的管的端部。
具体实施例方式
钻管是由在两端部2 (焊接连接)上都永久连接了连接接头(钻 具接头)3的管主体1构成，连接接头具有外部或内部锥螺纹。例如， 图3包含具有外螺纹(管螺纹接套)的接头3。在图中没有示出具有 带内螺纹接头的另一管端部。该管端部的相关规格是完全类似的。
接头除了离焊点15-25 mm的段以外的整个表面都被处理上了涂 层5，这是通过热扩散镀锌的方式施加上的。涂层5的厚度S以p (微 米)为单位，它是0.09到0.13 K，其中K是螺纹锥度。这个相互关系 是用从1/6到1/4的范围中取锥度值进行实验而确定的，上述锥度的取 值范围也就是钻具接头螺纹最常用到的取值。
在涂层5上覆盖着磷化层6。在钻具接头的制造过程中，所述磷 化层被施加到段4和前沿段两者上。磷化层6的厚度是l到3p，这是 磷化耐腐蚀涂层常用的值。优选地，厚度为2-3mcm。
图l的虚线8示出了目前使用的钻具接头的尺寸，作为参考。
下面是本发明的钻管的制造方法。
首先，管主体1被制造成具有增厚端(upset end)的段。接着制 造通过热扩散镀锌的方式处理上涂层4的接头部分3。对涂覆加工的 模式进行控制，使得涂层的最终厚度不违背厚度与接头3锥度值K之 间的上述关系。然后锌涂层4从接头对接部去掉，意图是从接头3邻 侧区域焊接到管主体l上，取值范围从15到25mm。在那以后，接头 3的整个表面被磷化处理，直到磷化层6 (l到3mm)产生。
然后接头3通过摩擦焊接的方式连接到管主体1上。损失的长度
5通常是每个接头10到15mm。
由于在接头的对接部和附近区域出现了锌涂层4，金属间化合物 未能到达焊接区域，所述焊接区域保存了它自己的强度特性。如果接 头3没有锌涂层的段4小于15mm长，金属间化合物就会进入到焊接 区域，这样就会恶化焊缝的强度特性。增加所述段4的长度使它大于 25mm的话，并不能让焊缝更可靠，而是加宽了未被锌涂层5保护的 区域，这降低了耐用性。
磷化层6保护表面免于在存储期间发生腐蚀。不需要在焊接前去 掉该涂层，因为具有给定厚度的涂层不会影响到焊接连接的质量。该 涂层在焊接区域的焊接、清洁、机械和热处理工序之后消失。焊接点， 以及整个管，被保护性漆层7涂覆以防腐蚀。
如果热扩散锌层4的厚度S小于最低的给定值，也就是如果soo < 0.09 K，无论是涂层的连续性还是本发明的对效率的增强都不能保证。 如果层4的厚度S大于最高的给定值，也就是SOO 〉 0.13 K，由涂层 类型所决定的紧密度大小的增加开始超过容许范围，这会导致钻管立 即在工作区被排斥。
锌涂层厚度取值的范围是通过耗时且昂贵的测试而确定出具有最 大操作扭矩的整修/损坏周期的端值。测试本发明的管时，确定出了如 果将涂层和锥度之间的上述关系考虑进去的话，涂层会保持长达200 到300个周期，而目前所使用的钻具接头的耐久还不超过IO个周期。 所述钻具接头的服务寿命，与那些仅处理上磷化层的相比，增加到了 2000 -3000个周期。这近乎等于管主体的耐用等级。所述效率的增强 节省了维修以及随之而来的需要送到制管厂及返程运输的麻烦。整个 完全磨坏的钻管直接送到废弃金属场。
而且，为后期维修考虑，这种对管寿命的增强不会使接头部分超 尺寸，(将本发明的钻具接头尺寸与目前使用的钻具接头尺寸相比，在 图1中用虚线8示出)，这让每个钻具接头就节省了几千米的金属，把 钻杆重量减轻了几吨。钻具接头尺寸的减小是通过排除为了储备目的 的金属达到的，这减小了钻杆的抗挠刚度，增加了它在曲线井场所的 灵活性并为打井操作中"开"第二个钻孔提供更好的条件。
权利要求
1.请求保护的设备是带钻具接头的钻管，所述钻具接头具有锥螺纹和双涂层，第一层是通过热扩散镀锌施加的，而第二层是通过磷化处理的方式，管的特征在于它的对接部和15到25mm附近区域上仅具有磷化涂层，以微米为单位的第一层的厚度δ与螺纹的锥度(K)的关系如下δ＝0.09...0.13κ
全文摘要
请求的发明的工程学问题是增强钻管钻具接头的耐磨强度。本发明的钻管是由带增厚端的主体，和由摩擦焊接方式连接的钻具接头所组成，所述钻具接头具有锥螺纹和双涂层，第一层是通过热扩散镀锌施加的，而第二层是通过磷化处理的方式。对钻具接头寿命的增强，与仅带磷化涂层钻具接头相比，为后期维修考虑，这种对管寿命的增强不使接头部分超尺寸，这让每个钻具接头就节省了几千米的金属，把钻杆重量减轻了几吨。为了增强接头的耐用性和焊缝的可靠性，是螺纹锥度K的函数的第一涂层厚度δ根据下述公式控制δ＝0.09…0.13K，并且在离焊点15-25mm的段仅存在磷化层。
文档编号E21B17/042GK101558215SQ200880000961
公开日2009年10月14日 申请日期2008年7月14日 优先权日2007年7月19日
发明者A·V·格季曼, S·S·斯捷潘诺娃, Y·A·特里福诺夫 申请人:特梅索闭合式股份公司