专利名称：一种钻杆内加厚过渡区优化结构的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种石油钻井工具。
石油钻井用的钻杆，一般是由钻杆管体与在其一端的钻杆接头组成。近一、二十年来采用焊接的方法来连接钻杆接头与钻杆管体。由于钻杆管体较薄，因此在靠近管体端部需要有一段适当长度的管体内加厚来增强焊接强度。所谓的钻杆内加厚过渡区就是指在管壁截面厚度不一样的两部分管体之间的过渡区域。
API标准是目前国际上被广为采用的美国石油学会的标准，世界上绝大多数的钻杆生产厂及用户都是以API标准作为制造、检验及验收的标准。我国从1980年起，制造和使用钻杆也都是以API作为标准进行检验验收的。在API标准中，一直未曾对钻杆内加厚过渡区的长度作出合理的规定，对于其结构更是未作规定。API标准在A中对低强度钻杆有关内加厚过渡区的规定是“2 7/8 ″～3 1/2 ″钻杆Miu(过渡区沿钻杆轴线方向的长度)最小为1 1/2 ″(约38.1毫米)长，4″～5 1/2 ″钻杆部分的规定是Miu为2″(约50.8毫米)。规定中对过渡区的结构未作任何限制。在API5AX中对高强度钻杆(G.S级)的内加厚过渡区未曾涉及，仅在API5A中的注解6中提到“在买方与制造厂取得一致同意时，E级钻杆的加厚长度可以与5AX表列高强度钢相同”。这里也未对高强度钻杆内加厚过渡区本身作出任何规定。
因此在实际生产中，各制造厂都是根据其工艺性要求来设计钻杆内加厚过渡区的。
在实际使用中，钻杆的损坏程度相当严重。大量的现场调查和失效解剖分析发现，钻杆的损坏大约70％发生在距钻杆接头端部750～850毫米左右的部分，即钻杆内加厚过渡区(Miu)与钻杆管体相接处，失效形式为腐蚀疲劳破坏引起在该部分发生“刺穿”及断裂。经试验分析，这种破坏是由于Miu过短及形状不合理，引起应力集中所致。另外，钻杆的现场服役条件很恶劣，钻杆内部通有高压、带有腐蚀性的流动泥浆，由于Miu的结构不合理，引起泥浆的局部涡流。应力集中与局部涡流现象的产生，是进一步引起腐蚀集中的重要原因。上述各种因素综合作用的结果，使得钻杆内加厚过渡区与钻杆管体相接处成为整个钻杆疲劳强度的薄弱环节。
本实用新型的任务是设计一种适用于127毫米或127毫米以上钻杆的钻杆内加厚区优化结构，使其在易于制造和验收的条件下，尽可能减小应力集中系数和减弱腐蚀集中的现象，从而达到延长整个钻杆使用寿命的目的。
本实用新型的要点是位于127毫米或127毫米以上钻杆的端部内壁加厚部分与钻杆管壁之间、并用以连接上述两部分的内加厚过渡区沿着钻杆轴线方向的长度不小于70毫米，该过渡区的结构为一条直线段或一条光滑曲线与一段圆弧相切，该直线段或该光滑曲线的另一端与加厚部分内壁相交，该段圆弧的另一端与所说的钻杆管体内壁相切，所说的光滑曲线段，除了与内加厚表面相交点以外，每一点的曲率半径均不小于300毫米。
以下结合附图对本实用新型作进一步的说明。
附
图1是本实用新型的钻杆内加厚过渡区优化结构示意图。
附图2是R＝0时的α－L图(实测结果)。
附图3是R≠0时的α－L图(计算结果)。
附
图1、附图2、附图3中，R为圆弧曲率半径、α为应力系数、Miu为过渡区沿钻杆轴线长度、L为直线段在钻杆轴线方向的长度。
通过对钻杆结构在理论进行有限元计算和应用电阻应变计进行实际测量，可以发明在上述直线与其相切的圆弧所构成的结构的过渡区设计中，直线段在钻杆轴线方向的长度L与圆弧曲率半径R的数值选择，对过渡区的应力集中系数α有很大影响，参照附
图1和附图2。当圆弧曲率半径R为零时，附
图1曲线表明当直线段在钻杆轴线方向的长度L为70～80毫米时，曲线下降趋势趋于平缓，所以过渡区沿着钻杆轴线方向的长度不应小于70毫米。如果在上述结构的过渡区设计中，使所说的过渡区的直线段或光滑曲线段在沿钻杆轴线方向上的长度至少不小于80毫米。
附图2的结果表明当圆弧曲率半径R为300毫米时，应力集中系数不仅绝对数值较低，而且受直线段在钻杆轴线方向的长度L的影响小，所以可以在上述结构的过渡区设计中，使所说的过渡区圆弧部分的曲率半径，至少不小于300毫米；或者同时满足过渡区的直线段或光滑曲线段在沿钻杆轴线方向上的长度至少不小于80毫米，圆弧部分的曲率半径R至少不小于300毫米。
由此可见，由于本实用新型使用了圆弧过渡，不仅可以减小过渡区与钻杆管体连接处的应力集中系数、而且使高压泥浆流可以顺利平缓地通过该处内表面，防止或减缓涡流、滞流的产生，从而有效地减少腐蚀集中现象发生。
通过实物疲劳试验可以证明，采用本发明改进的钻杆，钻杆的寿命比未采用本发明改进以前可以提高近10倍左右。由于钻杆使用量大，钻井操作投资大，即使在实际服役条件下钻杆寿命的延长不能达到实物疲劳实验所达到的指标，仍然将为国家节约巨大的石油钻采投资。
实施例1为钢号S135的127毫米钻杆，其过渡区沿钻杆轴线方向长度Miu为92毫米过渡区形状为直线段与圆弧相切，圆弧部分曲率半径R是460毫米。该钻杆在35千克／毫米试验应力下，破损断裂转次数超过1，014，200次仍未断裂，试验停止。
实施例2为钢号S135的127毫米钻杆，其过渡区沿钻杆轴线方向长度Miu为70毫米，过渡区形状为直线段与圆弧相切，圆弧部分曲率半径R是200毫米，在35千克／毫米试验应力下，破损断裂旋转次数超过5，002，100次仍未发生断裂，试验停止。
与实施例1、2进行对比试验的、未采用本发明设计的内加厚过渡区优化结构的127毫米钻杆，同样采用S135钢号，过渡区沿钻杆轴线方向长度为20毫米，形状为一直线，无圆弧过渡，在35千克／毫米试验应力下，破损断裂旋转数为156，300次，即在过渡过部位发生断裂。
实施例3为127毫米钻杆，钢号G105，过渡区沿钻杆轴线长度Miu为92毫米，形状为一直线段与圆弧相切，圆弧曲率半径是400毫米，在35千克／毫米试验应力下，破损断裂旋转数超过1，034，800次仍未断裂，试验停止。
与实施例3对比试验的127毫米钻杆，同样是G105钢号，未采用本发明，过渡过沿钻杆轴线方向长度Miu为36毫米，形状为一直线和一圆弧相切，圆弧曲率半径R为30毫米，在30千克／毫米试验应力下，破损断裂旋转数为654，800次，在离开过渡区28毫米处发生断裂。
未采用本发明，过渡过沿钻杆轴线方向长度Miu为36毫米，形状为一直线和一圆弧相切，圆弧曲率半径R为30毫米，在30千克／毫米试验应力下，破损断裂旋转数为654，800次，在离开过渡区28毫米处发生断裂。
权利要求1.一种钻杆内加厚过渡区优化结构，用以连接127毫米或127毫米以上钻杆管体与钻杆端部为焊接接头而设置的内壁加厚部分，其特征在于该过渡区沿着钻杆轴线方向的长度不小于70毫米，该过渡区结构为一条直线段或一条光滑曲线段与一段圆弧相切，该直线段或该光滑曲线段的另一端与加厚部分内壁相交，该段圆弧的另一端与所说的钻杆管体内壁相切，所说的光滑曲线段，除了与内加厚表面相交点以外，每一点的曲率半径均不小于300毫米。
2.一种如权利要求1所述的钻杆内加厚过渡区优化结构，其特征在于所说的过渡区的直线段或光滑曲线段，在沿钻杆轴线方向上的长度至少不小于80毫米。
3.一种如权利要求1所述的钻杆内加厚过渡区优化结构，其特征在于所说的过渡区的圆弧部分的曲率半径，至少不小于300毫米。
专利摘要一种钻杆内加厚过渡区优化结构，是用以连接127毫米或127毫米以上钻杆管体与钻杆端部为焊接接头而设置的内壁加厚部分。该加厚过渡区结构为一条直线段或一条光滑曲线段与一段圆弧相切，该直线段或该光滑曲线段的另一端与加厚部分内壁相交，该段圆弧的另一端与钻杆管体内壁相切，不仅减少了过渡区与钻杆管体连接处的应力集中系数，而且使高压泥浆流可以顺利平缓地通过该处内表面、减少腐蚀集中现象的发生。
文档编号E21B17/02GK2030648SQ8720863
公开日1989年1月11日 申请日期1987年5月28日 优先权日1987年5月28日
发明者李鹤林, 宋治, 赵克枫, 李宝进, 韩勇 申请人:石油工业部石油专用管材料试验中心