CN101946056B - 钻具构件、钻杆和相应的钻杆列组 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钻具(1)的构件(6)，其具有至少一个支承在井壁上的支承区域(12)和两个作用区域(10，16)，所述支承区域(12)配有至少一个支承段部(14)，其外径大于所述构件的其它部分的直径，所述两个作用区域(10，16)基本上相邻于所述支承区域(12)，且布置在所述支承区域(12)的上游和下游，所述作用区域(10，16)具有多个凹槽(11，17)，其具有围绕所述构件的所述轴线(2)的总体螺旋形形状，所述支承区域(12)具有两个导向段部(13，15)，其呈凸圆形回转形状，布置在所述支承部分(14)的上游和下游，相邻于所述支承部分(14)，并相切于所述支承部分(14)和相切于所述作用区域(10，16)。
Description
技术领域
本发明属于油藏或气藏的勘探和开采领域，其中根据钻井需要使用旋转的钻具，所述旋转的钻具由钻杆构成并且可能地由端对端地相组装在一起的其它管状部件构成。
本发明尤其涉及旋转钻探设备用的成型元件，例如布置在旋转钻杆列组内的钻杆，或者重型钻杆或钻铤(masse-tige)，或者钻探稳定器或具有不同螺纹型式的或不同直径的连接件(过渡接头)。
背景技术
这些与钻具的其它部件(钻铤、稳定器等)相关联的钻杆列组(trainsde tiges)尤其可实施斜向钻探，即在钻井时可相对于垂直方向或水平方向改变钻探斜度。现在，斜向钻探可达约2至8千米的深度和约2至15千米的水平距离。
在具有一些几乎水平部分的斜向钻探的情况下，在钻井过程中，钻杆列组在井内的旋转引起的摩擦力矩可达非常大的数值。摩擦力矩可能意味着需要重新审视使所用的设备或钻井目的。此外，鉴于在钻井内、特别是在钻井的相对于垂直方向非常倾斜的部分内产生的岩屑发生沉积，因此往往极难以提升钻探所产生的岩屑。这样，井的清理不正常，井内钻杆列组的钻杆以及钻杆和井壁之间接触面的摩擦系数同时增大。
文献FR2760783提出用于钻杆的型件，其带有套筒，所述密封套与井壁接触且可相对于井壁保持不转动，并带有可促使钻探流体循流的开槽部分。
近来，文献FR2824104涉及旋转钻具用的成型元件，其具有一个在用于支承在井壁上的支承区域、一个促使钻探流体在井内围绕钻具循流的紊流区域、以及一个折流区域，所述折流区域邻近所述支承区域和所述紊流区域，沿所述成型元件的轴向方向延伸，且具有至少一个相对于钻探轴线倾斜的表面，其在轴向平面中的经线在所述成型元件在井内的工作位置，沿着自下而上的方向离开所述成型元件的轴线。
这种装置直至最近都令人满意。但是，存在对特别坚固耐用的、多功能的和设计用于进行深度钻探与大倾斜度钻探的钻具的需要。
发明内容
本发明就是改善这种情况。
对于利用钻探流体围绕钻具构件沿着从井底部向地面的方向循流的钻探来说，所述钻具构件具有：至少一个在钻探时支承在井壁上的支承区域，所述支承区域在其外表面上配有至少一个支承段部，所述支承段部的外径大于所述构件的其它部分的直径；和两个作用区域，所述作用区域相邻于所述支承区域，且布置在所述支承区域的上游和下游，所述作用区域具有多个凹槽，它们具有围绕所述构件的轴线的总体螺旋形形状。所述作用区域连接于所述支承区域。所述支承区域具有两个凸圆拱形的回转形式的导向段部，其布置在支承段部的上游和下游，且相邻于所述支承段部。所述导向段部相切于所述支承段部和所述作用区域。
对于钻探流体围绕所述构件且沿着从钻井底部向地面的方向循流的钻井来说，钻具构件在钻杆列组或重型钻杆列组与井底组件之间形成联接。所述构件包括：第一端部，所述第一端部包括一外表面和一阴螺纹，所述外表面具有第一直径；第二端部，其包括一外表面和一阳螺纹，所述外表面具有第二直径，所述第一直径小于或等于所述第二直径；至少一个支承区域，所述支承区域在钻探时支承在井壁上，所述支承区域配有至少一个支承段部，所述支承段部具有圆柱形外表面，且其外径大于所述构件的其它部分的直径；和两个作用区域，所述两个作用区域基本上相邻于所述支承区域，且布置在所述支承区域的上游和下游。所述作用区域具有多个凹槽，所述凹槽具有围绕所述构件的轴线的总体螺旋形形状。所述支承区域具有两个导向段部，所述导向段部呈凸圆拱环形，按位于所述支承段部的上游和下游、且相邻于所述支承段部的方式布置。所述导向段部相切于所述支承段部且相切于所述作用区域。
所谓钻具构件，不仅是指所述钻具的组成件(钻杆等等)，而且是指这些组成件的构成零件，例如螺纹连接器(工具联接件)，其可通过任意方法例如焊接而嵌装在钻杆的端部，使所述钻杆相互旋拧地进行连接。
用语上游和下游这里涉及钻探流体在围绕所述构件的环形空间循流的方向。
在没有相反指示的情况下，“钻杆列组”是指同时包括标准钻杆和重型钻杆的钻具部分。
本申请人注意到：转动时静负荷和动负荷减小，钻具升降时轴向载荷减小，工具上的重量传递能力增大，具有较好的钻屑去除能力，发生过牵引力和过扭力时具有较高的安全系数，受压弯曲的临界状态减少，抗交变弯曲疲劳的强度增大，钻具的磨损和磨蚀减小，除屑操作时岩屑处理能力较好，可降低封堵的危险，螺纹联接件的机械完整性保持良好，液力压力损失降低，泥浆和岩屑围绕钻杆的排出较好，钻井内壁的磨蚀磨损减小，由差动压力引起的粘住危险减小，当泥浆的静水压力大于钻探时物料例如岩石中的压力时，尤其如此，在除屑操作时，钻杆列组被卡住的危险性大为减少，和井壁的表面状态得到改善。
钻杆可具有至少一个上述的构件和一个在所述构件的没有螺纹的一端部上端对端地相焊接的管子。所述管子在所述构件上的焊接可进行摩擦焊接。所述构件可从一个直径大的短工件加工而成，而所述管子可具有较小的直径，从而极大地减少要加工金属的质量和加工废料的数量。所述短工件可具有约0.3米至1米的长度。
优选地，所述钻杆列组具有大比例的上述钻杆，例如至少80％，甚至95％以上。由上述钻杆组成的钻杆列组具有上面提到的作用。所述钻杆列组可具有至少两个相邻的钻杆。
对于利用钻探流体围绕所述构件且沿着从井底部向地面的方向循流的井钻探来说，钻具稳定器可具有至少一个在钻探时支承在井壁上的支承区域和两个作用区域，所述支承区域配有至少一个支承段部，其外径大于所述稳定器的其它部分的直径，所述两个作用区域基本上相邻于所述支承区域，且布置在所述支承区域的上游和下游，所述作用区域围绕所述稳定器的轴线具有多个呈一般螺旋形的凹槽。所述作用区域连接于所述支承区域。所述支承区域具有至少两个凸圆拱形的导向段部，其布置在所述支承段部的上游和下游，且相邻于所述支承段部。所述导向段部相切于所述支承段部和所述作用区域。围绕所述稳定器的轴线的、呈总体螺旋形的循流凹槽，布置在所述支承区域的外表面上。
附图说明
通过阅读对根据附图所示的几个非限制性实施方式的详细说明，本发明将得到更好的理解，附图如下：
图1是钻杆(钻具的组成件)的主面视图，所述钻杆在其两个端部的每个端部具有一螺纹连接件；
图2是图1所示的钻杆的轴向剖面图；
图3是沿图1中3-3线的剖面图；
图4是沿图1中4-4线的剖面图；
图5是沿图1中5-5线的剖面图；
图6是沿图1中6-6线的剖面图；
图7是图1中细部的局部图；
图8是图1中细部的局部图；
图9是两个钻杆的装配端部上的两个构件的局部主面视图；
图10是两个钻杆的装配端部上的两个构件的局部主面视图；
图11是具有四个支承段部的钻铤的主面视图；
图12是具有四个支承段部的重型钻杆的主面视图；
图13是具有支承段部的钻探稳定器的主面视图；
图14是往往称为“过渡接头”的连接件的主面视图；以及
图15示出装配好的图7和8所示的钻杆。
具体实施方式
如图1至12所示，成型钻杆1具有关于轴线2的总体回转形状，当钻杆列组的所述成型钻杆1在由布置在钻具端部的工具例如钻头钻出的井内处于工作位置时，所述轴线2基本上构成钻探轴线。所述轴线2是所述钻杆列组的旋转轴线。所述成型钻杆1呈管形，一个基本上呈回转圆柱形的导管3布置在所述成型钻杆1的中央部分。
所述钻具的组成件(尤其是如图1至12所示的钻杆列组的钻杆)被制成管形，彼此端对端地相连，以便其中央导管3处于其彼此的延长线上，构成钻探流体自上而下、如图2中箭头4所示从实施钻探的地面直至所述钻具工作的井底部循流的连续的中央空间。然后，钻探流体或泥浆在限定在井壁和所述钻杆列组的外表面之间的环形空间内上升，参见箭头5。钻具可具有钻杆、重型钻杆、钻铤、稳定器或者联接件。所述钻杆用螺栓端对端地相连，装配成一钻杆列组，其构成所述钻具的长度很大、甚至主要的一部分。
钻探流体在其在所述钻杆外部上升的过程中，从所述钻具穿过的地质结构层向实施钻井的地面带走岩屑。所述钻杆列组设计成便于钻探流体在钻杆和井壁之间的环形空间上行循流。力求有效地带走钻屑，且对所述井壁和所述钻杆列组的支承面清扫，以便钻杆列组在井内的给进。
钻杆的特征、更一般地钻具组成件的特征有助于：无论是在严格意义上的掘进过程中还是在井底与地面之间的操作过程中，一般的钻井作业在质量、性能和安全方面的基础特性。碳氢化合物的勘探变化需要在越来越极端的地质条件下进行越来越复杂的路径测井。目前，碳氢化合物的深度勘探通常大于4千米，相对于固定设备的水平距离勘探可超过十来千米。
本申请人已意识到钻具组成件和钻出的井壁之间接触点的机械特性和液压特性是很重要的。实际上，钻具转动和平移地在井壁上摩擦。摩擦使钻具组成件产生缓慢但是显著的磨损，使井壁较快地磨损，从而增大井的直径，增加岩屑量，大长度井的岩屑量很大。此外，应该避免岩屑在井和钻具之间结块阻塞。
本申请人提出一种通用的新式型件，其可极大地减小从井底向地面和从地面向井底的轴向摩擦系数、和转动摩擦系数，同时可在钻井期间动态清理整个井，消除在钻杆列组操作上升过程中可能产生的岩屑聚积。所述型件可大大减小钻具尤其是钻杆列组的磨蚀磨损，且减小钻井壁的磨蚀磨损。所述型件也可避免旋拧联接件的最大应力区域之间的接触。所述型件可延长设备的使用寿命，在钻探和操作过程中在使用期中保持其机械强度。
所述成型钻杆1可用具有高机械强度的钢制成，按原初整体结构的形式制成，或者按继后焊接在一起的多个段部方式获得。特别地，所述成型钻杆1可具有：两个较短的成型的端段部6和7，其形成称为“钻具接头”的连接钻杆的连接器；以及一个管形的中央段部8，其长度可超过十米，所述端段部6和7与中央段部8焊接在一起。所述中央段部8的外径可小于所述端段部的外径。所述长的中央段部8与所述短的端段部6、7分开制造，可大大减少废料量，尤其是加工屑。这样，材料利用效率大为提高。所述中央段部8可呈管形，其具有基本上不变的孔径和基本上不变的外径(所述钻杆的标称直径)，可选地，朝向所述端段部6和7的端部留有厚度余量，以方便焊接于所述端段部6和7。
一般来说，在下文中，从所述段部6的自由端至所述段部7的自由端地给出下述说明。所述段部6(阴式连接件)具有一个其环形外表面呈圆柱状的阴式连接段部9，所述阴式连接段部9具有一孔腔，所述孔腔配有阴螺纹9a，用于连接于另一钻杆1的阳螺纹。例如，根据API7技术规格，或者根据本申请人的专利之一例如US7210710、US6513840之一，所述阴螺纹9a可呈截锥形。所述连接段部9构成所述端段部6和所述钻杆1的自由端。
然后，所述端段部6在外表面上具有一作用区域10，该作用区域的剖面图在图3上给出。所述作用区域10的外表面相切于所述连接段部9的圆柱形外表面，同时可以相对于所述连接段部9的外径具有一个非常轻度的环形凹腔，然后，具有越来越大的外径。所述作用区域10具有多个呈螺旋状形成的凹槽11，其具有有利于泥浆沿所述钻杆列组的旋转方向上升的总体形状(包括斜度)，该旋转方向在图1和3至6上由箭头91示出。所述凹槽11从所述连接段部9的圆柱形外表面，轴向延伸至所述作用区域10的端部附近。所述凹槽11的螺旋相对于轴线2的倾斜角可在7度至45度之间。
所述凹槽11的底部具有：一个部分11a，其直径相对于所述连接段部9逐渐减小；一个环形底部11b，其长度小；以及一个倾斜部分11c，其在相对于所述连接段部9一侧，直至相接于所述作用区域10的外径。所述作用区域10的外表面的环形凹腔基本上位于所述凹槽11的所述倾斜部分11a处。如图3所示，所述凹槽11具有不对称的勺状型面，在一侧相对于所述作用区域10的圆柱形外表面呈钝角，而在相对一侧呈锐角。所述锐角可沿所述钻杆列组的旋转方向(箭头91)布置在所述凹槽的后侧或出口侧。这里，应当指出，钻杆列组被驱动始终沿相同方向旋转，以避免螺纹联接件旋松开。布置在所述凹槽的前侧或进口侧的钝角设计成便于流体细流进入所述凹槽11内。所述凹槽11借由其不对称的型面而确保排屑作用。
特别是，所述作用区域10可配有凹槽11，其数量在七至十个之间，例如九个。所述部分11a的轴向长度可在10毫米至70毫米之间，优选地在35毫米至45毫米之间，例如等于39毫米。所述中央部分11b的轴向长度可在5毫米至40毫米之间，优选地在10毫米至15毫米之间，例如等于11毫米。所述第一部分11a相对于所述轴线的角度α1可在10°至30°之间，优选地在15°至25°之间，例如等于20°。所述部分11c的角度β1可在30°至60°之间，优选地在40°至50°之间，例如等于45°。所述各部分之间的连接倒圆可在3毫米至10毫米之间的半径。所述凹槽11的深度可在5毫米至20毫米之间，优选地在10毫米至15毫米之间。所述凹槽11的下游边缘的与γ1互补的锐角可在50°至80°之间，优选地在60°至70°之间，例如等于65°。所述作用部分10的外部上的两个凹槽11之间的距离d1可在20毫米至40毫米之间，例如在25毫米至30毫米之间。所述作用区域10确保钻井(钻杆列组旋转下行)时泥浆和岩屑的循流作用以及钻杆列组上升时对井壁的刮擦。
然后，所述钻杆1在其外表面上、远离开所述连接部分9地具有一支承区域12。所述支承区域12具有一导向段部13、一中央支承段部14和一导向段部15。沿着钻井泥浆在所述钻杆1的外流动的方向5，所述导向段部13位于下游，而所述导向段部15位于上游。所述支承区域12的轴向长度可约在50毫米至110毫米之间，优选地约在70毫米至80毫米之间。所述中央支承段部14呈回转圆柱形，其外径大于所述钻杆1的其它部分的外径。
所述导向段部13和15呈回转圆形外形，例如呈环形、尖拱形或椭圆形。所述导向段部13和15外切于所述中央支承段部14。所述导向段部13外切于所述作用区域10的外表面。所述导向段部15外切于下面将予以说明的所述作用区域16。所述支承段部14的长度可约为所述支承区域12的长度的一半。所述导向段部13和15每个的长度可约为所述支承区域12的长度的四分之一。所述导向段部13和15在呈环形的情况下，其曲率半径约在50毫米至100毫米之间，优选地在70毫米至80毫米之间。所述支承区域12，特别是所述支承段部14，可用比所述钻杆1的其余部分更硬的材料制成覆层或铺面的形式。所述硬质的材料可包括碳化钨或碳化铬。所述硬质材料的厚度可在1毫米至10毫米之间，例如在2毫米至4毫米之间。所述硬质材料呈一硬覆层的形式，该覆层可通过热焊接或热喷射操作(例如使用火焰或等离子体)提供。所述支承区域12设置用于在钻出的井的壁上承受旋转的轴向摩擦。所述支承区域12，特别是所述导向段部的型面，可使流体产生流体轴承的作用。
所述作用区域16沿钻井泥浆在所述钻杆1外部的流动方向布置在所述支承区域12的上游，作用区域16的外径一般沿箭头5所示的钻井泥浆的流动方向越来越大。外形例如可呈凸卵形。所述作用区域16在一侧相切地连接于所述支承区域12的所述导向段部15，并可在其连接于另一钻杆1(升降机锥体)之前，在另一侧连接于所述钻杆1的垂直支承锥面。所述作用区域16具有多个凹槽17，这些凹槽的总体形状类似于所述凹槽11的总体形状，但具有不同的尺寸。所述凹槽17的数量可在四至八个之间，例如为六个。所述作用区域16确保在钻探(钻杆列组下行)时将泥浆和岩屑铲动，使得泥浆循流。为了增大泥浆在所述上游作用区域16和下游作用区域10之间的轴向速度，由此增大泥浆的循流作用，位于所述凹槽17下游的所述凹槽11的螺旋相对轴线的斜度可小于所述凹槽17的斜度。
一个凹槽17具有一个靠近所述导向段部15的下游部分17a、一个具有圆柱形底部的中央部分17b、以及一个其直径沿箭头5的方向逐渐减小的上游部分17c。所述下游部分17a可相对于所述轴线2具有角度β2，角度β2在30°至60°之间，优选地在40°至50°之间，例如等于45°。所述上游部分17c可相对于所述轴线2具有角度α2，角度α2在10°至30°之间，优选地在15°至25°之间，例如等于20°。所述中央部分17b的轴向长度可在20毫米至60毫米之间，优选地在30毫米至40毫米之间，例如等于36毫米。所述上游部分17c的轴向长度可在10毫米至50毫米之间，优选地在20毫米至30毫米之间，例如等于24毫米。所述中央部分17b的直径可小于所述作用区域10的凹槽11的中央部分11b的直径。所述凹槽17的深度可大于所述凹槽11的深度，优选地大于两倍以上。所述凹槽17的深度可在20至30毫米之间，优选地在25至28毫米之间。优选地，所述凹槽的圆柱形底部17b和所述孔径3之间的材料厚度大于将在后面予以说明的所述连接区域18的材料厚度。例如，凹槽底部的直径可大于或等于所述连接区域18的外径。
图4上以剖面图示出的所述凹槽17沿钻杆列组的旋转方向的上游边缘相对于所述作用区域16的回转外表面成钝角，在下游一侧成一锐角，该锐角与γ2互补，例如在50°至80°之间，优选地在60°至70°之间，例如等于65°。两个凹槽17之间的距离d2可在10毫米至50毫米之间，优选地在20毫米至40毫米之间，例如在所述距离最小的区域等于30毫米。
在所述作用区域16之外，所述端段部6可具有：一锥形升降区域92(用于在一钻杆连接于另一钻杆之前该钻杆由井架升降机升起和保持时支承所述钻杆)，其相切于所述作用区域16的外表面；然后，是具有圆柱形外表面的一连接区域18，直至其焊接于所述中央段部8的端部。
所述上游端段部7(阳式连接件)具有与所述端段部6的形状极通常地呈对称的形状。所述端段部7在其外表面上、沿箭头4的方向具有：一个连接区域19；一个配有凹槽21的作用区域20；一个支承区域22，其具有一下游导向段部23、一个中央支承段部24和一个上游导向段部25；一个配有凹槽27的作用区域26；和一个阳式连接区域28。
确切地说，所述连接区域19具有回转圆柱形外形，其在一侧焊接固定于所述中央段部8，且在相对一侧相切于所述作用区域20。所述作用区域20配有凹槽21，凹槽21的数量在四至八个之间，例如等于六个。所述凹槽21可具有图5以剖面图所示的几何特征，这些几何特征接近于所述凹槽17的几何特征，但深度略微小一些。所述作用区域20确保钻井(钻杆列组下行)时泥浆和岩屑的循流作用以及钻杆列组上升时对井的刮擦。
以轴向剖面来看，参见图2和8，所述凹槽21具有两个主要部分，替代所述凹槽11和17有三个主要部分。所述凹槽21具有一下游部分21a，其位于所述连接区域19的外表面的延伸部分中，以便在所述凹槽21的部分21a处保持钻杆壁厚，该壁厚至少等于所述连接区域19的壁厚。换句话说，在所述下游区域21a，所述凹槽21的底部基本上是平面。除了所述下游部分21a之外，所述凹槽21还具有一倾斜的上游部分21b，用于连接所述作用区域20的外径。所述上游部分21b相对于所述轴线2可具有倾斜角β3，其在30°至60°之间，优选地在40°至50°之间，例如等于45°。所述作用区域20的外表面在所述连接区域19和所述支承区域22之间具有一般的隆起形状，例如尖拱形。所述下游部分21a的轴向长度可在50毫米至100毫米之间，优选地在60毫米至80毫米之间，更优选地小于所述导向段部的平均半径。所述凹槽21之间的距离d3可等于所述距离d2。
所述支承区域22可具有与所述支承区域12相似的几何、物理和/或化学特征。所述下游导向段部23相切于所述作用区域20的外表面和所述支承段部22的外表面。所述上游导向段部25相切于所述作用区域26的外表面和所述支承段部22的外表面。
所述作用区域26具有多个凹槽27，例如，其数量在五至十个之间，例如七个。所述作用区域26的外表面具有一个沿箭头5的方向直径越来越大的部分，然后是一个直径逐渐减小的部分——该部分连接于所述连接段部28的外径。所述凹槽27的底部具有一个沿箭头5的方向直径越来越大的下游部分27a，一个具有圆柱形底部的中央部分27b，以及一个沿箭头5的方向直径逐渐减小的上游部分27c。所述下游部分27a可相对于所述轴线2具有角度β4，其在30°至60°之间，优选地在40°至50°之间，例如等于45°。所述上游部分27c可相对于所述轴线2具有角度α4，其在10°至30°之间，优选地在15°至25°之间，例如等于20°。所述中央部分27b的直径可介于所述凹槽11的中央部分11b的直径和所述凹槽17的中央部分17b的直径之间。所述中央部分27b的轴向长度可在10毫米至50毫米之间，优选地在20毫米至30毫米之间。所述上游部分27c的轴向长度可在20毫米至80毫米之间，优选地在40毫米至60毫米之间，例如等于53毫米。所述作用区域26确保钻井(钻杆列组下行)时刮铲泥浆和岩屑并使其再循流。为了增大泥浆在所述上游作用区域26和下游作用区域20之间的轴向速度，由此增大岩屑的上升排出，位于所述凹槽27下游的所述凹槽21的螺旋相对所述轴线的斜度可小于所述凹槽27的斜度。
以横剖面图所示，参见图6，所述凹槽27沿钻杆列组的旋转方向的上游边缘相对于所述作用区域26的外圆周成钝角，而在下游边缘一侧成一锐角，该锐角与γ4互补，例如，相对于所述外圆周来说，角度在50°至80°之间，优选地在60°至70°之间，例如等于65°。所述凹槽27的深度可在15毫米至30毫米之间，优选地在20毫米至25毫米之间。所述凹槽之间的距离d4可在10毫米至40毫米之间，优选地在20毫米至35毫米之间，例如等于25毫米。
位于所述作用区域26上游的所述连接区域28具有回转圆柱形外形。所述连接区域28也具有阳螺纹28a，其设置用于同相应的阴螺纹配合。
在所示的实施方式中，所述成型元件1具有两个彼此隔开的支承区域12和22，每个支承区域由两个作用区域10和16、相应地20和26围绕。根据所述成型元件1的长度，所述支承区域12和22之间的距离可较大，例如约在5至15米之间。有利地，按分开的段部6、7和8的方式制造所述成型钻杆1。所述中央段部8呈一回转件的形式，该回转件的最大直径显然小于所述端段部6和7(工具联接件)的最大直径，所述中央段部8可用一管形坯件制成，所述管形坯件的外径比所述端段部6和7的外径小，例如净小约15％至30％之间。这样，相对于用一整体坯件制造一钻杆1来说，加工材料量大为减少。在所述作用区域的凹槽加工之前或之后，以及在所述支承区域12和22的硬质加强部分形成之前或之后，所述段部6、7和8例如通过摩擦焊接方法焊接在一起。
钻具可由一些钻杆1组成，钻杆上附加或不附加其它构件，例如联接件、或重型钻杆、钻铤或稳定器。特别有利地，钻具尤其是钻杆列组用大比例的钻杆1组成，从而确保极好的钻井特性，尤其是给进线速度、小驱动力矩和钻出的井的低磨蚀。实际上，所述作用区域10、16、20和26引起位于所述钻杆1外部的钻井泥浆和岩屑进行具有刮铲作用的运动，在钻屑趋向于在钻出的井中沉积的基本上呈水平的斜井的情况下，则尤其如此。所述作用区域鉴于其螺旋形斜度和钻具的旋转方向，确保铲除这些沉积物和趋向于使这些沉积物沿箭头5的方向上升。一般来说，所述支承区域12、22用其硬度大于所述钻杆1的其余部分的硬度的材料，实施在径向厚度上，使得所述支承段部的外径减去所述径向厚度的两倍大于所述构件的螺纹部分的外径。
至少一个导向段部可呈环面形，优选地，其平均半径大于20毫米，优选地大于60毫米，以便形成一流体轴承。
至少一个作用区域可具有朝所述支承区域增大的外径。
至少一个导向段部可具有穹隆形或椭圆形形状。
所述支承段部的长度可在20毫米至50毫米之间，优选地在30毫米至40毫米之间。
所述支承区域的长度可在50毫米至100毫米之间，优选地在70毫米至80毫米之间，更优选地小于所述导向段部的平均半径。
图15示出两个钻杆1由其螺纹部分9a和28a进行组装。所述钻杆之一的所述支承区域12和所述作用区域10、16相对地靠近另一钻杆的所述支承区域22和所述作用区域20和26(距离约小于0.50米)。鉴于泥浆和岩屑在所述钻杆列组外部的循流方向5，所述泥浆和岩屑首先遇到所述作用区域16，然后遇到所述支承区域12，然后遇到所述作用区域10，然后在数十厘米处遇到所述作用区域26，然后遇到所述支承区域22，最后遇到所述作用区域20。
由于这些区域的靠近性，可能有利的是，寻求增大泥浆和岩屑沿这些不同区域的轴向速度。为此，可选择所述凹槽的倾斜角，例如，该角度从最上游的凹槽17至最下游的凹槽21单一地减小。换言之，所述凹槽21的倾斜角可选择成小于所述凹槽27的倾斜角，所述凹槽27的倾斜角可选择成小于所述凹槽11的倾斜角，所述凹槽11的倾斜角可选择成小于所述凹槽17的倾斜角。
一个钻杆41可具有一个端段部7(阳式工具连接件)，其在一下游支承区域22的下游具有一作用区域20，在一上游支承区域42的上游具有一作用区域26，且在所述下游支承区域和上游支承区域之间具有一作用区域46，参见图10。所述钻杆41使泥浆具有加大的活化作用，使之在井壁上进行极佳的滑移运动。
一钻杆31可具有一个段部6(阴式工具连接件)，其在一上游支承区域12的上游具有一作用区域16，且在一下游支承区域32和所述上游支承区域12之间具有一作用区域11，见图9。所述部分31具有两个支承区域和两个作用区域。
在图11所示的实施方式中，所述成型元件1是一钻铤(masse-tige)。所述成型元件1具有四个支承区域12、22、52和62，每个支承区域被作用区域10和16、20和26、50和56、60和66围绕。
在图12所示的实施方式中，所述成型元件1是一重型钻杆。所述成型元件1具有四个支承区域12、22、52和62，每个支承区域被作用区域10和16、20和26、50和56、60和66围绕。
在图13所示的实施方式中，配置一稳定器70，例如，其布置在一钻杆列组下端的下面。所述稳定器70在一端具有阳螺纹，在另一个端部具有阴螺纹。
所述稳定器70在其外表面上具有一支承区域12，所述支承区域12具有下游支承段部14和上游支承段部74两个支承段部，在所述支承区域12的下游和上游相应地具有两个作用区域10和16。所述支承区域12具有两个导向段部13、15，所述两个导向段部13、15相应地在所述作用区域10和所述下游支承段部14之间以及在所述作用区域16和所述上游支承段部74之间。所述支承区域12在所述下游支承段部14和所述上游支承段部74之间具有一连接段部73。所述连接段部的外径可小于所述支承段部14和74的外径。所述作用区域10的外径可不同于所述作用区域16的外径。
所述稳定器70在所述阳螺纹和所述支承区域12之间具有一第一管形部分，且在所述阴螺纹和所述支承区域12之间具有一第二管形部分。每个管形部分的外径小于所述支承区域12的最大直径，优选地，小于所述支承区域12的最大直径的65％。所述第一管形部分的外径大于或等于所述第二管形部分的外径。所述第一管形部分的长度可在254毫米至1219毫米之间。
所述呈总体螺旋形的凹槽71可至少布置在所述支承区域12，按在所述凹槽71之间构成稳定器的叶片75的方式布置。所述凹槽71至少从所述下游支承段部14延伸至所述上游支承段部74。所述凹槽71的数量可在两个至六个之间，例如为三个。所述凹槽71相对于所述轴线2具有15°至35°之间的倾斜角。所述倾斜角可介于所述作用区域10的凹槽11的倾斜角和所述作用区域16的凹槽17的倾斜角之间。所述凹槽71可从所述作用区域10延伸至所述作用区域16。所述凹槽71可在其端部通到凹槽11和17的至少一部分，例如六个中的三个。所述凹槽71确保钻探泥浆的循流作用，所述稳定器的外径可以接近井的直径，至少某些叶片75支靠在井的内表面上。
在图14所示的实施方式中，一连接件或“过渡接头”80没有凹槽71。所述连接件80可具有：一个与图10所示的支承区域类似的支承区域41；在一端具有的阳螺纹；在另一端具有的阴螺纹；在所述阳螺纹和所述支承区域41之间具有的一个第一管形部分；和在所述阴螺纹和所述支承区域41之间具有一个第二管形部分。每个管形部分的外径小于所述支承区域12的最大直径，所述支承区域12的最大直径可远小于钻出的井的直径。所述第一和第二管状部分的惯性可接近相邻组成件的端部的惯性。这样，如果相邻于所述第一部分的所述组成件是一钻铤，则所述第一部分的惯性可接近于所述钻铤的惯性。如果相邻于所述第二部分的所述组成件是一重型钻杆，则所述第二部分的惯性可接近所述重型钻杆的惯性。
每个稳定器70或连接件80可用作在一个井底组件和一个可在其下端装有重型钻杆的钻杆列组之间的联接件。在一实施方式中，一个稳定器70或连接件80布置在成为所述钻杆列组的组成部分的一个重型钻杆(或者如不配置重型钻杆则为一个标准钻杆)和一个钻铤或另一个成为所述井底组件的组成部分的部件之间。特别是，所述钻铤的上管形部分的外径可不同于所述稳定器70或所述连接件80的第一管形部分的外径。所述重型钻杆的下管形部分的外径可不同于所述稳定器70或所述连接件80的第二管形部分的外径。应当指出，所述稳定器通常布置在所述井底组件中(例如朝下端和上端)。一个稳定器70或一个连接件80配置在所述钻杆列组和所述井底组件之间，在进行钻具上升的所谓“回钻”时，提供特殊的优越性。在标准配置中(在所述井底组件和所述钻杆列组之间无70、80类型的组成件)，实际上，在钻具处于回钻(backreaming)上升状态时，趋于在所述井底组件的上面形成岩屑或“泥沙”积聚。发明人注意到，特别有益于排出岩屑的作用是在所述井底组件和所述钻杆列组之间至少布置一个组成件70、80。此外，一个连接件80可在所述井底组件的一个钻铤的大惯性和一个重型钻杆的或一个标准钻杆的较小的惯性之间实施过渡。
一般来说，所述凹槽11、17、21、27可具有一个部分，该部分具有沿着相交于所述轴线的一个平面倾斜的底部，靠近相邻支承区域，该平面相对于所述轴线的倾斜度在30°至60°之间，优选地在40°至50°之间。
至少一部分凹槽11、17、21、27可具有一中央部分，其底部沿着一个基本上与所述轴线平行的平面延伸。
一个钻杆可在一个第一支承区域上游的一个作用区域和一个第二支承区域下游的一个作用区域之间具有一个基本上呈管形的部分。
位于所述第二支承区域上游的所述作用区域的凹槽可具有一个倾斜部分，其远离相邻的支承区域，其底部沿着与所述轴线相交的平面倾斜。该平面相对于所述轴线的倾斜度可在10°至30°之间，优选地在15°至25°之间。
位于所述第二支承区域上游的所述作用区域的凹槽可具有：一个与所述支承区域相远离的部分，其底部沿着与所述轴线相交的平面倾斜，其长度在20毫米至80毫米之间，优选地在40至60毫米之间；和一个中央部分，其底部沿着基本上与所述轴线平行的平面延伸，其长度在10毫米至50毫米之间，优选地在20毫米至30毫米之间。
位于所述第二支承区域下游的所述作用区域的凹槽可具有一个其底部沿着基本上与所述轴线平行的平面延伸的部分，其长度在50毫米至120毫米之间，优选地在70毫米至80毫米之间。
位于所述第二支承区域下游的所述作用区域的凹槽可具有一个部分，该部分的底部沿着基本上与所述轴线平行的且相切于基本上呈管形表面的外表面的平面延伸。
位于所述第一支承区域上游的所述作用区域的凹槽可具有一个部分，其底部沿着与所述轴线相交的平面倾斜，远离相邻的支承区域。相对于所述轴线的倾斜度可在10°至30°之间，优选地在15°至25°之间。
位于所述第一支承区域上游的所述作用区域的凹槽可具有：一个部分，其底部沿着与所述轴线相交的平面倾斜，远离相邻的支承区域，其长度在10毫米至60毫米之间，优选地在20毫米至30毫米之间；和一个基本上呈轴向的中央部分，其长度在10毫米至80毫米之间，优选地在30毫米至40毫米之间。
位于所述第一支承区域下游的所述作用区域的凹槽可具有一个部分，其底部沿着与所述轴线相交的平面倾斜，该部分远离相邻的支承区域，相对于所述轴线的倾斜度在10°至30°之间，优选地在15°至25°之间。
位于所述第一支承区域下游的所述作用区域的凹槽可具有：一个部分，其底部沿着与所述轴线相交的平面倾斜，远离相邻的支承区域，其长度在10毫米至70毫米之间，优选地在35毫米至45毫米之间；和一个基本上呈轴向的中央部分，其长度在5毫米至40毫米之间，优选地在10毫米至15毫米之间。
一个作用区域的一个凹槽的深度与凹槽数量的乘积可在80毫米至200毫米之间，优选地在100毫米至160毫米之间。
所述作用区域的凹槽按所述作用区域的外表面的方式可在一个边缘上成锐角，且在按沿着圆周方向且相对于所述作用区域的外圆周而言的相对的边缘上成钝角。所述锐角的数值可在60°至70°之间。
一个作用区域的两个凹槽之间的距离可在10毫米至50毫米之间，优选地在20毫米至35毫米之间。
一个作用区域的一个凹槽的深度可在10毫米至40毫米之间，优选地在11毫米至28毫米之间。
所述凹槽呈总体螺旋形，相对于所述轴线的角度从一个支承区域的上游至下游逐渐减小。
一个上述段部可在其端部之一配有一个螺纹联接件，而在另一端不配有螺纹。因此，一个钻杆可具有至少一个这种段部(其例如由一个工具连接件构成)和一个管子，所述管子的一个端面焊接在所述段部的没有螺纹的端部上(所谓的对焊)。所述钻杆可具有两个段部，其由一管子连接，所述管子由其端面焊接在每个段部的没有螺纹的端部处。一个钻杆列组可至少具有80％的本发明的钻杆，甚至100％的本发明的钻杆。
布置一钻杆元件，可大大改善钻井性能，尤其是使给进速度提高约10％至30％之间，减小摩擦力矩约10％至60％之间，减小轴向摩擦约10％至50％之间，延长钻杆列组的使用寿命约10％至30％之间，增加钻出的井全长约1千米至2千米之间。
Claims (28)
1.钻具(1)的构件(6)，其用于按使钻探流体围绕所述构件(6)沿着从钻井的底部朝向地面的循行方向(5)循流的方式钻井，所述构件具有：至少一个支承区域(12)，其用于在钻探时其支承在井壁上，所述支承区域(12)在外部配有至少一个支承段部(14)，所述支承段部(14)的外径大于所述构件的其它部分的直径；和两个作用区域(10，16)，其基本上相邻于所述支承区域(12)，且布置在所述支承区域(12)的上游和下游，术语上游和下游相对于流体围绕所述构件的循流方向(5)来定义，所述作用区域(10，16)具有多个凹槽(11，17)，所述多个凹槽具有围绕所述构件的轴线(2)的总体螺旋形形状，
其特征在于，所述支承区域(12)具有两个导向段部(13，15)，所述导向段部呈凸圆拱形的回转形状，所述导向段部按位于所述支承段部(14)的上游和下游且相邻于所述支承段部(14)的方式布置，所述导向段部(13，15)外切于所述支承段部(14)且外切于所述作用区域(10，16)，并且，所述支承区域(12)用其硬度大于所述构件的其余部分的硬度的材料实施，并按一径向厚度(E)实施成：所述支承段部(14)的外径减去两倍的所述径向厚度(E)，大于一螺纹部分(9)的外径。
2.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，至少一个导向段部(13，15)呈环面形，其平均半径在60毫米至100毫米之间。
3.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，至少一个作用区域(10)具有一外径，该外径朝向所述支承区域(12)增大。
4.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，至少一个导向段部(13，15)具有穹隆形或椭圆形的形状。
5.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，在所述支承区域(12)下游的所述作用区域(10)的凹槽(11)的螺旋相对于所述轴线(2)的倾斜角小于在所述支承区域(12)上游的所述作用区域(16)的凹槽(17)的螺旋的相应的角度。
6.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述凹槽(11)具有一个在相邻的支承区域附近的倾斜部分，所述倾斜部分相对于所述轴线的倾斜度在30°至60°之间。
7.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，至少一部分的所述凹槽(11)具有一个管形的中央部分(11b)。
8.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，一个凹槽(11)的深度与一个作用区域(10)的凹槽数量的乘积在80毫米至200毫米之间。
9.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，至少一个作用区域(10)的凹槽(11)在一个边缘上成锐角，而且在按圆周方向而言的相对的边缘上成钝角。
10.根据权利要求9所述的构件，其特征在于，相对于由所述构件的轴线(2)和所述边缘通过的一平面来说，所述锐角具有在20°至30°之间的数值。
11.根据前述权利要求1至10中任一项所述的构件，其特征在于，一个作用区域(10)的两个凹槽(11)之间的距离在10毫米至50毫米之间。
12.根据前述权利要求1至10中任一项所述的构件，其特征在于，至少一个作用区域(10)的一凹槽(11)的深度在10毫米至40毫米之间。
13.根据前述权利要求1至10中任一项所述的构件，其特征在于，所述构件具有三个至五个支承区域。
14.根据前述权利要求1至10中任一项所述的构件，其特征在于，所述的构件具有：在一个下游支承区域(22)的下游的一个作用区域(20)，在一个上游支承区域(42)的上游的一个作用区域(26)，以及在所述下游支承区域和上游支承区域之间的一个作用区域(46)。
15.根据前述权利要求1至10中任一项所述的构件，其特征在于，所述构件具有：在一个上游支承区域(12)的上游的一个作用区域(16)，和在一个下游支承区域(32)和所述上游支承区域(12)之间的一个作用区域(11)。
16.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述构件在其端部之一不配有螺纹，而在另一端部具有螺纹。
17.钻杆，其特征在于，所述钻杆具有两个根据权利要求16所述的构件和一个基本上呈管形的部分(8)，所述基本上呈管形的部分(8)在一个第一支承区域(12)上游的一个作用区域(16)和一个第二支承区域(22)下游的一个作用区域(20)之间固定于所述构件。
18.根据权利要求17所述的钻杆，其特征在于，在所述第二支承区域(22)上游的所述作用区域(26)的凹槽(27)具有一个部分(27c)，该部分远离相邻的支承区域，具有沿着与所述轴线相交的平面倾斜的底部，与所述轴线相交的所述平面相对于所述轴线的倾斜度(α4)在10°至30°之间。
19.根据权利要求17所述的钻杆，其特征在于，在所述第二支承区域(22)上游的所述作用区域(26)的凹槽(27)具有一个部分(27c)，该部分远离相邻的支承区域，具有沿着与所述轴线相交的平面倾斜的底部，所述部分的长度在20毫米至80毫米之间；和一个中央部分(27b)，其具有沿着与所述轴线基本上平行的平面延伸的底部，所述中央部分(27b)长度在10毫米至50毫米之间。
20.根据权利要求17所述的钻杆，其特征在于，在所述第二支承区域(22)下游的所述作用区域(20)的凹槽(21)具有一个部分(21a)，该部分远离相邻的支承区域，具有沿着与所述轴线基本上平行的平面延伸的底部，其长度在50毫米至120毫米之间。
21.根据权利要求17所述的钻杆，其特征在于，在所述第二支承区域(22)下游的所述作用区域(20)的凹槽(21)具有一个部分(21a)，所述部分远离相邻的支承区域，所述部分的底部沿着与所述轴线基本上平行的且与一个基本上呈管形的部分(19)的外表面相切的平面延伸。
22.根据权利要求17至21中任一项所述的钻杆，其特征在于，在所述第一支承区域(12)上游的所述作用区域(16)的凹槽(17)具有一个部分(17c)，所述部分(17c)远离相邻的支承区域，具有沿着与所述轴线相交的平面倾斜的底部，所述相交的平面的倾斜度在10°至30°之间。
23.根据权利要求17至21中任一项所述的钻杆，其特征在于，在所述第一支承区域(12)上游的所述作用区域(16)的凹槽(17)具有：一个远离部分(17c)，该远离部分远离相邻的支承区域，具有沿着与所述轴线相交的平面倾斜的底部，所述远离部分的长度在10毫米至60毫米之间；和一个中央部分(17b)，其具有沿着与所述轴线基本上平行的平面延伸的底部，所述中央部分(17b)的长度在10毫米至80毫米之间。
24.根据权利要求17至21中任一项所述的钻杆，其特征在于，在所述第一支承区域(12)下游的所述作用区域(10)的凹槽(11)具有一个远离部分，所述远离部分远离相邻的支承区域，其具有沿着与所述轴线相交的平面倾斜的底部(11a)，所述相交的平面相对于所述轴线的倾斜度在10°至30°之间。
25.根据权利要求17至21中任一项所述的钻杆，其特征在于，在所述第一支承区域(12)上游的所述作用区域(10)的凹槽(11)具有：一个部分，所述部分远离相邻的支承区域，其具有沿着与所述轴线相交的平面倾斜的底部(11a)，所述部分的长度在10毫米至70毫米之间；和一个中央部分(11b)，其具有沿着与所述轴线基本上平行的平面延伸的底部，该中央部分的长度在5毫米至40毫米之间。
26.钻杆(1)，其特征在于，其具有至少一个根据权利要求16所述的构件(6)和一个管子(8)，所述管子(8)的一端焊接在所述构件的没有螺纹的端部上。
27.钻杆列组，其特征在于，其具有至少两个根据权利要求17至26中任一项所述的钻杆(1)。
28.钻具，其特征在于，其具有：一个钻杆列组，在其下端具有至少一个重型钻杆；一个井底组件；和至少一个根据权利要1所述的构件，其在所述钻杆列组的钻杆和所述井底组件之间形成联接件。
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