CN109236194A - 一种钢接头钛合金钻杆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢接头钛合金钻杆，所述钢接头钛合金钻杆包括钛合金钻杆管体和通过螺纹连接在钛合金钻杆管体两端的钢制钻杆接头，所述钛合金钻杆管体与所述钢制钻杆接头通过热装配过盈配合连接。本发明的钢接头钛合金钻杆比强度高、抗硫化氢应力腐蚀性能及耐腐蚀疲劳性能良好，可以显著减轻钻柱重量，缓解应力集中，提高钻柱的最大下入深度、耐腐蚀疲劳性能等，延长钻柱服役寿命，减少油气井中钻具失效造成的安全事故。
Description
技术领域
本发明涉及油气勘探开发过程中使用的钻杆，具体涉及一种钛合金钻杆，尤其是一种钢接头钛合金钻杆。
背景技术
随着石油工业的发展，深井、超深井及水平井数量不断增加，勘探开发难度增大。传统钢制钻杆比强度低，在复杂工况油气钻采条件下发生的应力腐蚀断裂、疲劳断裂、泄漏、过载等失效事故对油气井的安全生产造成了极大的威胁。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钢接头钛合金钻杆，以解决现有的钢制钻杆比强度低，在复杂工况油气钻采条件下易发生应力腐蚀断裂、疲劳断裂、泄漏、过载等安全事故的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种钢接头钛合金钻杆，所述钢接头钛合金钻杆包括钛合金钻杆管体和通过螺纹连接在钛合金钻杆管体两端的钢制钻杆接头，所述钛合金钻杆管体与所述钢制钻杆接头通过热装配过盈配合连接。
进一步地，钢制钻杆接头包括连接在钛合金钻杆管体一端的钢制外螺纹接头以及连接在钛合金钻杆管体另一端的钢制内螺纹接头。
进一步地，所述钛合金钻杆管体包括位于两端的第一加厚段和第二加厚段，以及分别与第一加厚段和第二加厚段连接的第一过渡段和第二过渡段，第一过渡段和第二过渡段之间连接有中间段。
进一步地，第一加厚段和第二加厚段的外径相等且大于中间段的外径，第一加厚段的端部设有第一外螺纹，第二加厚段的端部设有第二外螺纹，钛合金钻杆管体的一端通过第一外螺纹与钢制外螺纹接头连接，另一端通过第二外螺纹与钢制内螺纹接头连接。
进一步地，钢制外螺纹接头的一端设有与第一外螺纹配合的第一内螺纹，另一端设有与钢制内螺纹接头配合连接的第三外螺纹；
钢制内螺纹接头的一端设有与第二外螺纹配合连接的第二内螺纹，另一端设有与钢制外螺纹接头配合连接的第三内螺纹。
进一步地，第三外螺纹和第三内螺纹均为API标准钻具螺纹。
进一步地，第一外螺纹、第二外螺纹、第一内螺纹以及第二内螺纹均为偏梯形螺纹。
进一步地，钢制外螺纹接头设置第一内螺纹的一端以及钢制内螺纹接头设置第二内螺纹的一端均设有与钛合金钻杆管体配合的止推台肩和对中稳定锥面台肩，钛合金钻杆管体的端部设有分别与止推台肩和对中稳定锥面台肩配合的钛合金管体端面和钛合金管体端部锥面。
进一步地，止推台肩与钛合金管体端面之间在热装配后为过盈配合；对中稳定锥面台肩与钛合金管体端部锥面之间在热装配后为过盈配合。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的钢接头钛合金钻杆比强度高、抗硫化氢应力腐蚀性能及耐腐蚀疲劳性能良好，可以显著减轻钻柱重量，缓解应力集中，提高钻柱的最大下入深度、耐腐蚀疲劳性能等，延长钻柱服役寿命，减少油气井中钻具失效造成的安全事故。
进一步地，钢制接头的第三外螺纹与第三内螺纹采用标准API钻具螺纹，可在任意井段与任意普通钢制钻杆螺纹连接，无需转换接头，无需改换起下钻杆吊卡装置，通用性高，抗螺纹粘扣性能好，提高了钻杆反复上卸扣次数，延长了钛合金的钻杆使用寿命并扩大了钛合金钻杆的应用范围。
进一步地，本发明钢制接头与钛合金管体间采用偏梯形特殊螺纹连接设计，并采用热装配即钛合金管体冷却同时钢制接头加热状态下装配，保证在装配恢复室温后螺纹达到过盈配合，保证了管体与接头的螺纹连接部分的强度不低于管体强度。
进一步地，本发明接头设计的止推(扭矩)台肩及对中稳定(扭矩)锥面台肩，提高了钛合金钻杆的抗扭强度和密封性能，具有比钢制钻杆更高的耐腐蚀性能、更轻的整管重量和更高的下深能力。
附图说明
图1为本发明的钢接头钛合金钻杆的结构示意图；
图2为图1中A处的放大结构；
图3为图1中B处的放大结构。
其中，1、第三外螺纹；2、钢制外螺纹接头；31、第一内螺纹；32、第一外螺纹；4、第一加厚段；5、第一过渡段；6、钛合金钻杆管体；7、中间段；8、第二过渡段；9、第二加厚段；101、第二内螺纹；102、第二外螺纹；11、钢制内螺纹接头；12、第三内螺纹；A1、止推台肩；A2、钛合金管体端面；B1、对中稳定锥面台肩；B2、钛合金管体端部锥面；100、钢接头钛合金钻杆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
参见图1至图3，如图1所示，本发明的钢接头钛合金钻杆100包括：钛合金钻杆管体6和通过螺纹连接在钛合金钻杆管体端部的钢制钻杆接头(包括钢制外螺纹接头2和钢制内螺纹接头11)。与现有的钢制钻杆不同的是：本发明的钻杆管体为钛合金制成，而且，钛合金钻杆管体6以及钢制接头是通过冷却钛合金管体加热钢制接头下热装配完成的，钛合金钻杆管体6与钢制接头间通过螺纹连接，而不是焊接连接。本发明的钢接头钛合金钻杆比传统钢制钻杆具有更高的比强度、耐腐蚀性能、耐疲劳及高温性能，极大的提高了钻柱的下深能力、安全性及使用寿命。
钛合金钻杆接头包括：分别通过螺纹连接在钛合金钻杆管体6两端的钢制外螺纹接头2和钢制内螺纹接头11，即钢接头钛合金钻杆100包括：钛合金钻杆管体6和分别通过螺纹连接在钛合金钻杆管体6两端的钢制外螺纹接头2和钢制内螺纹接头11，钢制外螺纹接头2通过螺纹连接在钛合金钻杆管体6的底端，钢制内螺纹接头11通过螺纹连接在钛合金钻杆管体6的顶端。通过将钛合金钻杆管体6两端分别连接钢制外螺纹接头2和钢制内螺纹接头11，采用钢制接头的钛合金钻杆，可在任意井段与任意普通钢制钻杆螺纹连接，无需转换接头，无需改换起下钻杆吊卡装置，通用性高，抗螺纹粘扣性能好，提高了钻杆反复上卸扣次数，延长了钛合金的钻杆使用寿命并扩大了钛合金钻杆的应用范围。
钛合金钻杆管体6包括：位于钛合金钻杆管体6两端的第一加厚段4和第二加厚段9，连接在第一加厚段4和第二加厚段9上的第一过渡段5和第二过渡段8，以及位于钛合金钻杆管体6中间的中间段7，且中间段7连接在第一过渡段5和第二过渡段8之间；第一加厚段4和第二加厚段9的外径相等且大于中间段7的外径，即第一加厚段4和第二加厚段9的壁厚大于中间段7的壁厚，第一加厚段4和第二加厚段9上分别设有延伸到第一加厚段4和第二加厚段9端面处的第一外螺纹32和第二外螺纹102，钛合金钻杆管体6通过两端的第一外螺纹32和第二外螺纹102分别与钢制外螺纹接头2和钢制内螺纹接头11螺纹连接。第一加厚段4和第二加厚段9增加了钛合金钻杆管体6与钢制外螺纹接头2和钢制内螺纹接头11的连接处的连接强度，远大于不加厚管体部位(即中间段7)的抗拉强度，密封性能大于35MPa不发生泄漏，远远大于钻杆使用过程中的泥浆压力(通常低于20MPa)，完全适应工作环境。
钢制外螺纹接头2在与钛合金钻杆管体6的连接端设有与钛合金钻杆管体6配合连接的第一内螺纹31，第一内螺纹31与第一外螺纹32配合连接，钢制外螺纹接头2的另一端(图1中为底端)设有与钢制内螺纹接头11匹配连接的第三外螺纹1。在使用过程中，相邻的钢接头钛合金钻杆100之间的钢制外螺纹接头2和钢制内螺纹接头11相互螺纹连接，形成钻杆柱，这个钻杆柱和其他钻具相连，从井底钻头直到井架钻杆，形成整个钻柱。其中，钻杆柱的长度占整个钻柱长度的90％以上。钢制内螺纹接头11在与钛合金钻杆管体6的连接端设有与钛合金钻杆管体6配合连接的第二内螺纹101，第二内螺纹101与第一外螺纹102配合连接，钢制内螺纹接头11的另一端(图1中为顶端)设有与钢制外螺纹接头2匹配连接的第三内螺纹12。
如图2所示，钛合金钻杆管体6的一端设有与钢制外螺纹接头2相匹配的止推(扭矩)台肩A1，止推(扭矩)台肩A1为钛合金钻杆管体6的台肩，位于第一外螺纹32的根部(图2中止推台肩A1位于第一外螺纹32的上端)，例如，止推(扭矩)台肩A1为位于第一外螺纹32的上端的阶梯面，垂直于钛合金钻杆管体6的轴线。止推(扭矩)台肩A1用于和钢制外螺纹接头2配合，增加了钛合金钻杆管体6与钢制外螺纹接头2的抗扭能力和密封能力。
如图3所示，钛合金钻杆管体6的一端设有与钢制内螺纹接头2相匹配的对中稳定锥面(扭矩)台肩B1，对中稳定锥面(扭矩)台肩B1为钛合金钻杆管体6的台肩，位于钛合金钻杆管体端部螺纹起始处的锥面(图3中对中稳定锥面台肩B1位于第一外螺纹32的下端)，例如，对中稳定锥面(扭矩)台肩B1为位于第一外螺纹32的下端的锥面。对中稳定锥面(扭矩)台肩B1用于和钢制外螺纹接头2配合，增加了钛合金钻杆管体6与钢制外螺纹接头2的抗扭能力、密封能力及防卸扣能力，此外保证了在热装配过程中螺纹的对中性能和装配稳定性，极大的提高了钢接头钛合金钻杆的热装配合格率，可以节约成本，提高效率。
第三外螺纹1和第三内螺纹12为标准的钻具螺纹，即为标准的API钻具螺纹，可在任意井段与任意普通钢制钻杆螺纹连接，无需转换接头，无需改换起下钻杆吊卡装置，通用性高，抗螺纹粘扣性能好，提高了钻杆反复上卸扣次数，延长了钛合金的钻杆使用寿命并扩大了钛合金钻杆的应用范围。
第一外螺纹32、第二外螺纹102，第一内螺纹31与第二内螺纹101为偏梯形螺纹，采用了偏梯形特殊螺纹，增加螺纹连接的抗拉强度。
本发明用钢制接头连接钛合金钻杆管体，必须实现接头的连接、密封及抗扭功能。采用偏梯形特殊螺纹，增加螺纹连接的抗拉强度，采用止推台肩和对中稳定锥面台肩设计可在热装配过程中有效地保护螺纹上扣扭矩及保证螺纹的对中性，提高热装配稳定性，此外，止推台肩和对中稳定锥面台肩设计可有效提高接头的密封和抗扭性能并提高了放卸扣性能，本发明可实现钢接头钛合金钻杆具有良好的连接、密封及抗扭性能。
本发明的钛合金管体与钢制接头间的螺纹连接性能和钢制接头间的螺纹连接性能的抗拉强度、抗扭强度、密封性能等均不低于同钢级钢制钻杆，具有比传统钢制钻杆更轻的质量、更高的比强度、更好的耐腐蚀耐疲劳等性能，显著减轻整钻柱重量，缓解应力集中，提高钻柱的最大下入深度及延长钻柱服役寿命等优点。主要解决传统钢制钻杆比强度低，在复杂工况油气钻采条件下易发生应力腐蚀断裂、疲劳断裂、泄漏、过载等失效的问题。
本发明的钢接头钛合金钻杆制作过程如下：
钛合金钻杆管体6通过海绵钛真空熔炼、轧制、挤压(或墩粗)方式，使钛合金钻杆管体6具有中间段7并使钛合金钻杆管体6端部形成一定长度的第一加厚段4和第二加厚段9及第一过渡段5和第二过渡段8，在第一加厚段4和第二加厚段9上加工具有高连接强度的偏梯形特殊外螺纹。
钢制钻杆接头(包括钢制外螺纹接头2及钢制内螺纹接头11)采用精密模锻方式快速成型，接头一端加工成与钛合金钻杆管体6的第一外螺纹32、第二外螺纹102相匹配的偏梯形特殊第一内螺纹31、第二内螺纹101，另一端加工成具有API标准钻具螺纹的第三外螺纹1或第三内螺纹12。
钢制外螺纹接头2及钢制内螺纹接头11采用热装配的方法与钛合金钻杆管体6连接成为一个整体，即注入冷却介质保护钛合金钻杆管体6，加热钢制外螺纹接头2及钢制内螺纹接头11，保温后通过扭矩系统进行上扣连接，冷却后形成钢接头钛合金钻杆整体结构。
为了提高管体与接头的抗扭能力和密封能力，钛合金钻杆管体6及钢制接头连接处螺纹采用了止推台肩及稳定对中稳定锥面台肩结构设计，通过热装配连接冷却后，端部止推台肩及对中稳定锥面台肩均处于过盈配合状态，形成了连接结构为一次性连接，在使用过程中无法卸开，该结构设计对于保证螺纹连接强度和预防卸扣起到了重要作用。
钢接头钛合金钻杆100在使用中通过钢制接头两端的API钻具螺纹连接形成钻杆柱。
分析结果表明，本发明的钢接头钛合金钻杆，钛合金钻杆管体与钢制接头的螺纹连接强度大于不加厚管体部位的抗拉强度，密封性能大于35MPa不发生泄漏，远远大于钻杆使用过程中的泥浆压力(通常低于20MPa)。钢接头钛合金钻杆的实物抗扭强度、抗拉强度和密封性能均满足深井、超深井及水平井的快速钻井性能需求。
Claims (9)
1.一种钢接头钛合金钻杆，其特征在于，所述钢接头钛合金钻杆(100)包括钛合金钻杆管体(6)和通过螺纹连接在钛合金钻杆管体(6)两端的钢制钻杆接头，所述钛合金钻杆管体(6)与所述钢制钻杆接头通过热装配过盈配合连接。
2.根据权利要求1所述的一种钢接头钛合金钻杆，其特征在于，钢制钻杆接头包括连接在钛合金钻杆管体(6)一端的钢制外螺纹接头(2)以及连接在钛合金钻杆管体(6)另一端的钢制内螺纹接头(11)。
3.根据权利要求2所述的一种钢接头钛合金钻杆，其特征在于，所述钛合金钻杆管体(6)包括位于两端的第一加厚段(4)和第二加厚段(9)，以及分别与第一加厚段(4)和第二加厚段(9)连接的第一过渡段(5)和第二过渡段(8)，第一过渡段(5)和第二过渡段(8)之间连接有中间段(7)。
4.根据权利要求3所述的一种钢接头钛合金钻杆，其特征在于，第一加厚段(4)和第二加厚段(9)的外径相等且大于中间段(7)的外径，第一加厚段(4)的端部设有第一外螺纹(32)，第二加厚段(9)的端部设有第二外螺纹(102)，钛合金钻杆管体(6)的一端通过第一外螺纹(32)与钢制外螺纹接头(2)连接，另一端通过第二外螺纹(102)与钢制内螺纹接头(11)连接。
5.根据权利要求4所述的一种钢接头钛合金钻杆，其特征在于，钢制外螺纹接头(2)的一端设有与第一外螺纹(32)配合的第一内螺纹(31)，另一端设有与钢制内螺纹接头(11)配合连接的第三外螺纹(1)；
钢制内螺纹接头(11)的一端设有与第二外螺纹(102)配合连接的第二内螺纹(101)，另一端设有与钢制外螺纹接头(2)配合连接的第三内螺纹(12)。
6.根据权利要求5所述的一种钢接头钛合金钻杆，其特征在于，第三外螺纹(1)和第三内螺纹(12)均为API标准钻具螺纹。
7.根据权利要求5所述的一种钢接头钛合金钻杆，其特征在于，第一外螺纹(32)、第二外螺纹(102)、第一内螺纹(31)以及第二内螺纹(101)均为偏梯形螺纹。
8.根据权利要求5所述的一种钢接头钛合金钻杆，其特征在于，钢制外螺纹接头(2)设置第一内螺纹(31)的一端以及钢制内螺纹接头(11)设置第二内螺纹(101)的一端均设有与钛合金钻杆管体(6)配合的止推台肩(A1)和对中稳定锥面台肩(B1)，钛合金钻杆管体(6)的端部设有分别与止推台肩(A1)和对中稳定锥面台肩(B1)配合的钛合金管体端面(A2)和钛合金管体端部锥面(B2)。
9.根据权利要求8所述的一种钢接头钛合金钻杆，其特征在于，止推台肩(A1)与钛合金管体端面(A2)之间在热装配后为过盈配合；对中稳定锥面台肩(B1)与钛合金管体端部锥面(B2)之间在热装配后为过盈配合。
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