專利名稱：一種新型輕質(zhì)鉆具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油鉆井機(jī)械領(lǐng)域，特別涉及一種新型輕質(zhì)鉆具。
背景技術(shù)：
隨著石油勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，深井和超深井的數(shù)量逐步增加，鉆井深度越來(lái)越大，同時(shí)地面上承載鉆桿的結(jié)構(gòu)的承載能力是有限的，這樣在鉆深井時(shí)，就要求地面承載更大的重量，這也對(duì)承載結(jié)構(gòu)也提出了跟大的考驗(yàn)，這些井中的鉆柱承受著很高的拉伸應(yīng)力和復(fù)雜交變應(yīng)力作用，對(duì)鉆柱設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)，再加上井下復(fù)雜的工況和交變應(yīng)力，因此對(duì)鉆柱性能提出了更高要求。隨著材料的加工工藝的進(jìn)步，現(xiàn)在有很多的高強(qiáng)度鋼材面世，它們具有比原有普通鋼材更高的屈服極限，同時(shí)具有更好的耐腐蝕性，如何利用現(xiàn)有材料對(duì)現(xiàn)有鉆桿結(jié)構(gòu)進(jìn) 行減重設(shè)計(jì)，使得它們?cè)诒３衷袃?yōu)良性能的情況下，具有更輕的重量，這是工作的重點(diǎn)。為了提升超深井和水平井的鉆井能力，從降低鉆柱質(zhì)量、扭矩和拖曳阻力等方面著手，采用新研制的高強(qiáng)度材料低碳錳-硅空冷貝氏體/馬氏體復(fù)相鋼來(lái)制造輕質(zhì)鉆具，因此需要結(jié)合材料的特性對(duì)鉆桿進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以減輕鉆具的重量，并且還可以減少材料的使用。目前，現(xiàn)有普通鋼質(zhì)鉆具在應(yīng)用中主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題
I、普通鋼質(zhì)鉆具重量大，這無(wú)疑就增加了鉆機(jī)井架的負(fù)荷與鉆機(jī)動(dòng)力端的負(fù)荷，因此極大的限制了鉆井深度。2、強(qiáng)度重力比低，制約大位移井、超深井和深定向井鉆井能力的一個(gè)主要因素是鉆具的強(qiáng)度重力比。3、抗疲勞特性、抗腐蝕性不夠高。發(fā)明的內(nèi)容
針對(duì)石油勘探開(kāi)發(fā)鉆井中普通鋼質(zhì)鉆具重量大，強(qiáng)度重力比低，抗疲勞特性、抗腐蝕性低等缺陷，本發(fā)明提供一種輕質(zhì)鉆具，它由新研制的高強(qiáng)度材料低碳錳-硅空冷貝氏體/馬氏體復(fù)相鋼制做而成，極大的減小了每根鉆桿的重量，從而減小鉆井過(guò)程中整個(gè)鉆柱的重量，針對(duì)材料的特性對(duì)鉆桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以三寸半鉆桿為例，鉆桿壁厚減小為7. 3mm，可以使整個(gè)鉆具重量減輕20% 25 %，材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到1500MPa，屈服強(qiáng)度為1200MPa，在井架本身的承載能力和絞車(chē)牽引能力不變的情況下使鉆井深度加深，鉆具具有更好的抗疲勞特性和抗腐蝕特性，提高了鉆具的使用壽命。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是采用一種新研制的高強(qiáng)度材料低碳錳-硅空冷貝氏體/馬氏體復(fù)相鋼來(lái)制作鉆桿，以減小鉆桿的重量，同時(shí)對(duì)輕質(zhì)鉆桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，如附圖所示，鉆桿管體(1)，鉆桿管體的過(guò)渡段(2)，鉆桿接頭在F處與鉆桿管體(I)相連接，連接形式為摩擦焊接，鉆桿接頭帶有內(nèi)、外螺紋。重新設(shè)計(jì)后鉆桿外徑不變內(nèi)徑變大，鉆桿壁厚減小，厚度小于或等于7. 3mm，鉆桿的過(guò)渡段區(qū)是整個(gè)結(jié)構(gòu)中應(yīng)力集中最嚴(yán)重的區(qū)域，通過(guò)有限元原理進(jìn)行分析與優(yōu)化，得出過(guò)渡段應(yīng)力集中系數(shù)最小的設(shè)計(jì)參數(shù)，三寸半鉆桿過(guò)渡段長(zhǎng)度(L) ^ 100 mm，過(guò)渡段圓弧半徑(R) ^ 300 mm，分析結(jié)果表明鉆桿具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，鉆桿減重設(shè)計(jì)后仍能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)工作要求。經(jīng)過(guò)研究與分析，得出新型輕質(zhì)鉆具有以下優(yōu)點(diǎn)
I、輕型鉆具重量輕，屈服強(qiáng)度高，強(qiáng)度重量比高，設(shè)計(jì)后的鉆具壁薄，可以減輕整個(gè)鉆具重量的20% 25%。2、由于鉆具本身重量輕，在井架本身的承載能力和絞車(chē)牽引能力不變的情況下使鉆井深度加深。3、具有更好的抗疲勞特性和抗腐蝕特性，增加了使用壽命。4、能有效減小起下鉆過(guò)程中鉆具在井內(nèi)的摩擦阻力，同時(shí)鉆具輕能夠減小井架和鉆機(jī)的負(fù)荷，在鉆井的過(guò)程中能夠減小轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩，從而減小轉(zhuǎn)盤(pán)動(dòng)力端載荷。
5、減小柴油機(jī)的負(fù)荷，有效減小相關(guān)的設(shè)備磨損并延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命及柴油的消耗，節(jié)約鉆井成本。6、重量減輕后方便運(yùn)輸，可以減輕車(chē)輛運(yùn)輸中的負(fù)載。


附圖為輕質(zhì)鉆桿管端結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，I一鉆桿管體；2—鉆桿管體的過(guò)渡段；L一鉆桿過(guò)渡段長(zhǎng)度；F—鉆桿接頭與鉆桿管端焊接連接處；R_過(guò)渡段圓弧半徑。
具體實(shí)施例方式 參照說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明的輕質(zhì)鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作以下詳細(xì)說(shuō)明。如附圖所示，鉆桿管體的過(guò)渡段(2)是整個(gè)鉆桿結(jié)構(gòu)中應(yīng)力集中最嚴(yán)重的區(qū)域，本發(fā)明充分考慮了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用復(fù)雜工況的需要，在不降低鉆桿強(qiáng)度的條件下，采用高強(qiáng)度材料低碳錳-硅空冷貝氏體/馬氏體復(fù)相鋼制造鉆桿，對(duì)鉆桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，在不改變鉆桿管體外徑的條件下增大內(nèi)經(jīng)，減小了鉆桿的壁厚，以減小鉆桿的重量。利用有限元方法分析計(jì)算與優(yōu)化，得出三寸半鉆桿管體過(guò)渡段(2)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)過(guò)渡段長(zhǎng)度(L)和過(guò)渡段圓弧半徑(R)。在實(shí)際鉆井過(guò)程中，多根鉆桿通過(guò)螺紋接頭相連接組成鉆桿柱，動(dòng)力端驅(qū)動(dòng)鉆桿柱旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆桿同時(shí)受到拉伸載荷、彎矩和扭矩的共同作用，并且當(dāng)鉆井液循環(huán)時(shí)，鉆桿內(nèi)壁受到高壓鉆井液強(qiáng)烈的沖擊作用，鉆桿應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度、可靠性、穩(wěn)定性和抗腐蝕特性。
權(quán)利要求
1.ー種輕質(zhì)鉆具，包括鉆桿接頭和鉆桿管體(I )，其特征在于還包括過(guò)渡段(2)，過(guò)渡段長(zhǎng)度(L)S 100 mm，過(guò)渡段圓弧半徑(R) > 300 mm，鉆桿接頭和鉆桿管體的端部(F)處連為一體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的輕質(zhì)鉆具，其特征在于采用高強(qiáng)度材料低碳錳-硅空冷貝氏體/馬氏體復(fù)相鋼來(lái)制做輕質(zhì)鉆具，材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到1500 MPa，屈服強(qiáng)度為1200MPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的輕質(zhì)鉆具，其特征在于三寸半鉆桿管體壁厚減小，厚度小于或等于7. 3mm，相對(duì)原來(lái)壁厚的普通三寸半鉆桿，鉆桿整體重量減輕20% 25%。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種輕質(zhì)鉆具，屬于石油鉆井機(jī)械領(lǐng)域。此輕質(zhì)鉆具由高強(qiáng)度材料低碳錳-硅空冷貝氏體/馬氏體復(fù)相鋼制作而成，極大的減小了鉆具的重量，針對(duì)材料的特性對(duì)鉆桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，鉆桿壁厚減小，厚度小于或等于7.3mm，可以使整個(gè)鉆具重量減輕20%～25％，材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到1500MPa，屈服強(qiáng)度為1200MPa，同等條件下大大提升了超深井和水平井的鉆井能力，鉆具具有更好的抗疲勞特性和抗腐蝕特性,提高了鉆具的使用壽命。
文檔編號(hào)E21B17/02GK102839922SQ20121036081
公開(kāi)日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月21日
發(fā)明者蔡正敏, 王柱軍, 袁比飛, 劉新海 申請(qǐng)人:中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司工程服務(wù)公司