专利名称：空心钻杆的制作方法
技术领域：
本发明涉及到按照主要权利要求所阐明的概念而制造的空心钻杆。
通常型式的空心钻杆是人们所熟悉的，采用焊接工艺将一个符合美国石油学会的API-规范(例如API5AX)的连接器(它或者作为管颈接头或者作为套筒接头)和一根端部经过顶录加工处理的管子相连接。在管子端部向内顶锻以及向内又向外顶锻的情况下。连接器的内径总是小于未度形管子的内径，这样，在管子的顶锻区域内的内径有一突变。连接器中从焊缝直到螺纹部分的圆筒形孔的内径不变。从所周知，随着钻井深度的增加，管子和连接器所必需传递的力和扭矩将显著增加，通过相应地提高材料材质，特别是提高材材料的允许屈服极限值或者采用较大的承载截面来承受这种载荷。通过选择相应的较优良的材质可以解决管子问题，可这对连接器却不行。这是因为API一规范中规定了材料的等级，另外，采用偏离API一规范的较高强度的材料，并不能提高连接器所需要的韧性。所以，在管颈接头连接器螺纹部分的一定的截面范围内必须增大承载截面。由于连接器的管钳夹紧区的最大外径是由钻井口径所决定，因此只能通过径向向内加厚才有可能增大这种承载截面。钻井和套管之间的环形空间不能太小，否则，外面上升的钻探泥浆的压力损耗将显著增加。其结果意味着，管子顶锻范围内内径的突变会越来越大。越来越大的顶锻加工的制造成本会越来越昂贵。由于从未变形的管子到顶锻头部的内部过渡增大，所引起的缺口应力集中效应也是极为不利的。另外，在钻杆拆下后，在这个部位会积聚残留的钻探用水，由此引起腐蚀。在此范围内，由此将导致不容忽视的，在应用中易发生故障的危险的薄弱部位。
本发明的任务是制造一种符合API一规范的空心钻杆，可以将钻孔泥浆的压力损耗降低到最低，在运用中关键部位不易发生故障，特别适用于钻井深度很大的恶劣工作环境。生产可靠性高且制造成本低。
本任务是通过权利要求1所阐述的特征来完成，其他优点在后续的权利要求中做了说明。
本解决方案的显著特征是在遵守API一规范标准的前提下制造出适用于钻深井的最优化的空心钻杆，它具有很高的生产可靠性且制造成本低，在使用中不存在易发生故障的薄弱环节。通过下述措施达到这些目的一方面将管子端部所需顶锻部分尽量减小，内径的大部分的突变处在连接器的安全范围以内。另一方面，使内部过渡成显著的圆弧形。这种成圆形的作用在于，在该位置上不会产生危险的缺口应力集中，另外的效果是拆下钻杆时，残留的钻探泥浆能够毫无阻碍地排出，这样就避免了不希望有的对过渡部位的腐蚀。减少管子顶锻部分的优点是，采用普通现有设备即可进行顶录加工。将顶锻部分减少，其过渡区段更加接近于所希望的理想曲线。与此相反，管子端部的顶锻部分加大，到未变形的管差的过渡区的几何形状很难控制，将会产生不希望有的生硬过渡，在这里将产生缺口应力集中等值，成为空心钻杆易发生故障的地方。
管子端部所需要的最小顶锻尺寸和管子与连接器焊接所引起的在加热影响区屈服极限下降有关。如果假定出于安全的考虑屈服极限最大下降定为30%，那么，焊缝处所需的横截面积至少要比管子的标称面积增大30%，从而满足横截面积(WEZ)×屈服极限(WEZ)＝横截面积(管子)×屈服极限(管子)这一条件。考虑到安全系数，顶锻头部的横截面积至少是未变形管子的横截面积的1.5倍。增大横截面积可以通过径向向内进行顶录来达到，但这样做又会引起内径的较大突变。还可以通过向内又向外顶锻的优良方法来达到，因为加大外径，将使面积以平方关系增大。通常，径向向内顶锻大于径向向外顶录。在这里过渡区并不是与此相对，而是沿轴向交错排开的，内部顶锻将具有较长的轴向延伸。
在管颈接头连接器上，为开始螺纹差所需要的最小横截面积是一个比较宽的几何强制部位。该部位必须能够传递后面接上去的钻杆重量和转矩以及旋紧螺纹的力。API一规范限制了连接器的屈服极限。超过API一规范提高连接器的强度将不再会有所帮助，这是因为管钳夹紧区加厚，韧性值将降低，并不再满足最小值要求。可以简单地增大连接器的外径以达到所要求的增大承载横截面积的目的。但是这将受到管钳夹紧区的最大直径必须与钻井口径相适合的限制。连接器与钻井之间所留的环形空间不能太小，否则上升的钻井泥浆的压力损耗将显著增加。其结果将导致径向向内加厚，从而再次加大管子端部内径的突变。这种困境可以通过我们所推荐的方法来解决，就是使所需要的内径突变的大部分位于连接器的非危险区段内，该区段一方面必须距离螺纹段足够远，以便能够对磨损的螺纹进行修复，另一方面要处于环状止挡区内，在那里有足够的横截面积来传递所需要的力和转矩。连接器中的过渡段可以是截圆锥形，也可以是一个弯曲圆弧面的一部分，它与朝向焊缝的圆筒形部分相切。不管怎么说，到圆筒形部分的过渡将成显著的圆形，以避免缺口应力集中，在同一方向上，连接器的外侧从焊缝区到管钳夹紧区亦成人们已熟知的圆形。
套筒接头连接器的外侧有一个18°标准倾斜角的轴肩，不再需要径向向内的加厚，这是因为在临界区的横截面已经足够了，这样就可以使一直到管子的圆筒形孔的孔径保持不变，从而避免了两端的顶锻加工不一样，通过管颈接头端部的倾斜角使由管颈接头的螺纹段的终端到套筒接头的螺纹段的始端的过渡趋于缓和。当套筒接头连接器外侧是90°轴肩时，由于前面所提到的小半径及由此而产生的缺口应力集中效应，而出现薄弱环节。
为解决此问题而提出的建议是在套筒接头连接器的这个部位径向向内加厚。朝螺纹方向内径减小的中间段的起始点要位于90°外部轴肩的前面，这样一来，在该位置上就有较大的横截面积可供使用了。与管颈接头相比，突变并不要那么明显。这是因为为了增强强度，仅需要较小的径向加厚。在这里，在管子的顶锻范围内内径的突变甚至等于或小于连接器中内径突变。
以两个设计实例图对所发明的空心钻杆做较为详细的说明
图1为本发明的空心钻杆的局部纵向剖面图，该空心钻杆焊接有一个管颈接头连接器。
图2如图1，只是空心钻杆焊有一个套筒接头连接器。
图3如图2，只是连接器有一个90°轴肩。
图1所示是所发明的空心钻杆的局部纵向剖面图，空心钻杆上焊有一个管颈接头连接器18。连接器18通过焊缝4(该焊缝可由摩擦焊产生)与管子3相连接。管子3在焊缝一侧的端部是顶锻的，在本例中，顶录是径向向内和向外进行的。径向向外顶锻的轴向延伸长度17，17′小于径向向内顶锻的轴向长度30，30′。未变形的管子3的孔段5的内径以箭头6表示。顶锻头部8的孔段7的内径较小，如箭头9所示。在这两个圆筒形孔段5和7之间有一中间段10，作为两个孔段5和7之间的过渡。在中间段10内，内径朝焊缝4方向延续减少，最大内径和最小内径之差在图中以线差11表示。中间段10的长度用箭头12表示，它大于相邻二孔段5和7的内径6和9的差值的10倍。由未变形的管子3的孔段5到中间差10的过渡成明显圆形，该圆半径以箭头13表示，至少为300mm。本图中，管颈接头连接器18有一圆筒形孔段20，该孔段从焊缝4直到轴肩区19，其内径9与焊接的管子3的顶锻头部8的内径相同，在螺纹段21方向上紧接着是内径减小的中间段22。中间段22的长度以箭头23表示，它大于相邻孔段20，25的内径9和24差值的3倍，该差值同样可以从线段26看出。中间段22的端部位于加厚的环状止挡区27区段内。在本例中，中间段22形成弯曲的圆弧形状，该面与朝向焊缝4的圆筒形孔段20相切。这个弯曲的圆弧形面的半径至少为150mm。位于外表面的倾斜轴肩19具有一个符合标准的30°倾斜角。
图2所示是与图1相同的所发明的空心钻杆1的局部纵向剖面图，只是其上焊有套筒接头连接器2，图中，与图1相同部分具有相同标号。连接器2通过焊缝4′(例如此焊缝可由摩擦焊产生)与管子3相连接。管子3在焊缝4′一侧的端部进行了顶锻处理，处理方式与管子3的另一端相同(见图1)。套筒接头连接器2有一从焊缝4′到螺纹段14端部的圆筒形孔段15，其内径9′与焊接的管子3的顶锻头部8′的内径相等。外侧的倾斜轴肩16具有符合标准的18°倾斜角。
图3所示是所发明的空心钻杆1的如同图2一样的局部纵向剖面图，只是其上的连接器2具有一个90°的轴肩31，图中相同部分具有相同标记。连接器2通过焊缝4′与管子3相连接。管子3在焊缝4′一侧的端部进行了顶锻处理，处理方式与管子3另一端相同(见图1)。正如图2所示，套筒接头连接器2有一从焊缝4′开始，仅通过连接器一定区段的圆筒形孔段20′，其内径9′与焊接的管子3的顶锻头部8′的内径相同。紧接着它在螺纹差14方向上有一个内径逐渐减小的中间段22′。中间段22′早在90°外轴肩31开始前一段便终止，从而避免了有可能造成危险的截面减少，中间段22′的长度以箭头23′表示，它大于两个相邻的圆筒形孔段20′，25′的内径9′，24′的差值的3倍。该差值可从线段26′看出。在本例中，中间段22′形成一个弯曲的圆弧形表面，与朝向焊缝4′的圆筒形孔段20′相切。这个弯曲的圆弧形曲面的半径29′至少为150mm。
权利要求
1.在空心钻杆经过顶锻加工处理的端部焊接了连接器，该连接器有一加厚的管钳夹紧区，构成管颈接头和套筒接头，通过它们相互配合的锥形螺纹段可以相互拧紧，连接器的内径小于没有变形的管子的内径，管子端部的顶锻处理是相同的，位于未变形管子的圆筒形孔和顶锻头部圆筒形孔之间的中间段的内径朝焊缝方向逐渐减小，套筒接头连接器在由焊缝到加厚的管钳夹紧区过渡的外侧有一个轴肩，本发明的特征是--在管子(3)中，中间段(10，10′)的长度(12，12′)大于与其相邻的两个孔段(5，7，5′，7′)内径差值一半(11，11′)的20倍，从未变形的管子(3)的圆筒形孔段(5，5′)到中间段(10，10′)的过渡成明显的圆形(13，13′)；--管颈接头连接器(18)有一个圆筒形孔段(20)，该孔段从焊缝(4)开始，其内径(9)与焊接的管子(3)的顶锻头部(8)的内径相等，紧接着孔段(20)，主要是在管钳夹紧区(27)内有一中间段(22)，它的内径朝螺纹段(21)方向逐渐减小，其后是一个一直延伸到螺纹段(21)始端的圆筒形孔段(25)，中间段(22)的长度(23)大于两个相邻圆筒形孔段(20，25)的内径差值一半的6倍，到朝向焊缝(4)的圆筒形孔段(20)的过渡成明显的圆形；--在管子(3)的顶录区域内，内径的突变(11，11′)基本上要小于在管颈接头连接器(18)中内径的突变(26)；套筒接头连接器(2)有一个一直延伸到螺纹段(14)的过渡段的圆筒形孔(15)，它的内径(9′)与被焊接管子(3)的顶锻头部(8′)的内径相同。
2.按照权利要求1的空心钻杆，其特征是管子(3)的外径在顶锻区是相同的，只是径向向内进行顶锻加工。
3.按照权利要求1的空心钻杆，其特征是管子端部的顶锻加工是径向向内和径向向外进行的，外部顶锻的轴向延伸段(17，17′)小于内部顶锻的轴向延伸段(30，30′)。
4.按照权利要求3的空心钻杆，其特征是径向向内的顶锻量(11，11′)大于径向向外的顶锻量(28，28′)。
5.按照权利要求1的空心钻杆，其特征是从没有变形的管子(3)到中间段(10，10′)的内部过渡区的圆的半径至少为300mm，在连接器中过渡区的圆的半径至少为150mm。
6.按照权利要求1的空心钻杆，其特征是在管颈接头连接器(18)中的中间段(22)是截圆锥形。
7.按照权利要求1的空心钻杆，其特征是在管颈接头连接器(18)中，中间看(22)的横截面弯成圆弧形，并与朝向焊缝(4)的圆筒形孔(20)相切。
8.按照权利要求1的空心钻杆，其特征是管子(3)顶锻区内径的突变(11)比管颈接头连接器的内径突变(26)少50%～30%，顶锻头部(8)的横截面至少是未变形管子横截面的1.5倍。
9.按照权利要求1的空心钻杆，其特征是-在具有90°轴肩(31)的套筒接头连接器(2)上，有一个从焊缝(4′)开始，内径(9′)与焊接的管子(3)的顶锻头部(8′)的内径相同的圆筒形孔段(20′)，紧接着该孔差，在90°轴肩(31)位置之前有一个中间段(22′)，它的内径朝螺纹差(14)方向逐渐减小，还有一个延伸到螺纹段(14)的过渡的圆筒形孔段(25′)，中间段(22′)的长度(23′)大于两个相邻的圆筒形孔差(20′，25′)的内径差的一半(26′)的6倍，到朝向焊缝(4′)的圆筒形孔段(20′)的过渡至少要成明显的圆形;-在管子(3)的顶锻区内内径的突变(11′)稍小于或等于连接器中的内径突变(26′)，在此，顶锻头部(8′)的横截面至少是未变形管子(3)横截面的1.5倍。
10.按照权利要求9的空心钻杆，其特征是在套筒接头连接器(2)内的中间段(22′)的横截面弯成圆弧形，并与朝向焊缝(4′)的圆筒形孔(20′)相切。
11.按照权利要求7或10的空心钻杆，其特征是弯成圆弧形曲面(22，22′)的半径(29，29′)至少为150mm。
全文摘要
一种空心钻杆，其顶录端焊有一个连接器。这种具有加厚的管钳夹紧区的连接器构成管颈接头和套筒接头，通过它们相互配合的锥形螺纹段可以相互拧紧。连接器的内径小于未变形的管子的内径，管子两端具有相同的顶锻结构。在未变形的管子的圆筒形孔和顶锻头部圆筒形孔之间有一中间段，其内径朝焊缝方向减小。套筒接头连接器在从焊缝区到加厚的管钳夹紧区的过渡的外侧有一个轴肩。这种空心钻杆，符合API一规范，并兼顾使钻探泥浆压力损耗最小，关键部位的故障率最低。该空心钻杆适用于钻井深度很大的恶劣场合，可靠性高且制造成本低。
文档编号F16L15/00GK1039636SQ8910497
公开日1990年2月14日 申请日期1989年7月27日 优先权日1988年7月28日
发明者格哈德·克虏克 申请人:曼内斯曼股份公司