CN101970790A - 带螺旋肋部的铝钻杆 - Google Patents
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Abstract
一种带螺旋肋部的铝钻杆(10)具有中间部分(30)，该中间部分具有沿着其长度盘旋的多个肋部(32)。这些肋部具有通过凹入区域(36)暴露的刃面(34)。刃面相对钻杆的外表面限定切入角(DELTA)，用于沿着钻孔壁主动接合淤泥/泥沙材料。可旋转地布置在钻杆上的轴承(50A，50B)的直径大于钻杆上的带肋部的中间部分或者任何钻具接头(40A，40B)的直径，以便使轴承接合钻孔壁。钻杆的本体优选由轻质合金构成，例如铝合金，而轴承优选由钢构成并且具有耐磨的涂层或带(52)。
Description
背景技术
当沿着钻孔的偏斜段和水平段钻探时可以导致淤泥/泥沙淤积、阻力和磨损的多种问题。例如，当沿着显著倾斜的段(例如，超过65度)钻探时，钻探泥浆在钻杆上方沿着钻孔的顶部运动，但是泥浆无法运输淤积在钻孔的下壁上的淤泥和泥沙。当沿着水平段钻探时，尤其当钻具在校正井眼轨迹的同时在“滑动”模式中操作时，这种类型的淤积还会发展。
另外，当钻柱沿着钻孔运动时，钻柱上的管段之间的钻具接头抵抗淤泥/泥沙淤积受到阻力。随着淤泥/泥沙填充在钻具接头处，在钻具接头处可能快速地形成“结块(cake)”。该快速的结块过程会导致影响钻孔壁稳定性的液压冲击。虽然结块的淤泥/泥沙中的某些可以通过钻杆的机械旋转和运动而被逐出，但是不会完全去除淤泥。此外，钻杆的钻具接头可以在偏斜段和水平段中显著地接触钻孔壁，从而在钻杆旋转或运动时导致接头发生磨损。
在现有技术中有这样的钢钻杆，其具有减少钻杆与钻孔壁接触的槽。在A.I.Bulatov，S.V.Dolgov，“Driller’s Guide”，Moscow，Nedra，2006，v.1，P.153，Fig.8.8中以及在美国专利号4,460,202中公开了这种钢钻杆的示例。现有技术中的钢钻铤也可以具有槽，例如在美国专利号6,012,744中公开。然而，这些钢钻杆和钻铤可能对于钻进钻孔的高偏斜段或水平段仅具有有限的应用，这是因为钻杆的重量产生较高的加压载荷，所述较高的加压载荷在钻杆/钻铤沿着钻孔运动和旋转时产生较高的摩擦力。另外，这些槽通过在钢的外表面上铣磨而形成，并且这些槽是较浅的。以这种方式机加工的槽不会使在下钻孔壁上沉积的淤泥/泥沙有效地脱落。
附图说明
图1是根据本发明的特定教导的钻杆的视图；
图2是沿着图1的A-A得到的钻杆的剖视图，其示出钻杆上的肋部的型面；
图3是沿着B-B得到的钻杆的纵向剖视图，其示出安装在钻杆上的轴承；
图4是沿着C-C得到的钻杆的剖视图，其示出用于将轴承保持在钻杆上的部件；
图5是沿着D-D得到的钻杆的剖视图，其示出轴承的部件；
图6示出配置在钻孔的偏斜段中的本发明的钻杆。
具体实施方式
图1中所示的带螺旋肋部的钻杆10包括钻杆本体20，其用在钻孔中，并且尤其用在钻孔的偏斜段或水平段中。虽然钻杆本体20可以由任何适当的材料构成，例如钢或类似物，但是钻杆本体20优选地由轻合金构成，例如铝合金。
为了将钻杆10联接到其它的管或导管，例如另一个钻杆10、传统的钢钻杆、钻铤等，钻具接头40A和40B联接到本体的端部22A和22B。具体地，钻具接头40A螺纹连接到上销接头23A上，而钻具接头40B螺纹连接到下销接头23B上。在钻具接头40A处于端部22A上的情况下，钻具接头40A下方的圆柱形表面提供区域以容纳用于操纵钻杆10的套管卡盘(casing spider)和升降机。
为了处理钻孔中的淤泥/泥沙淤积，钻杆的中间部分30限定沿着中间部分30的长度延伸的多个肋部32，虽然在某些实施中可以仅使用一个这种肋部32。优选地，肋部32具有沿着中间部分30向右旋的扭曲和螺旋，但是在某些实施中也可以使用向左旋的扭曲。同样，肋部32不必是螺旋的，并且可以在某些实施例中沿着中间部分的长度直线延伸。
在图2的剖视图中最好地示出肋部32的细节。每个肋部32都具有刃面34，所述刃面34通过限定在本体的大致圆柱形的外表面中的凹入区域36暴露。为了维持本体20的壁厚T，这些凹入区域36可以具有两个成角度的表面38和39，但是可以使用弯曲的或者甚至直的表面。肋部的刃面34大致与钻杆本体20垂直(即，刃面34限定大致与钻杆的中心轴线C共面的平面)，但是可以在一定程度上向内或向外倾斜。
然而，优选地，刃面34中的一个或多个可以从垂直方向向内切割，以便使刃面34相对于钻杆本体的外表面限定一角度，并且有效地铲出和运输钻孔中的任何淤泥/泥沙。换言之，刃面34可以限定不与钻杆的中心轴线C交叉的切入角(incut angle)θ。切入角θ可以是大约0度到20度，虽然依据期望的实施可以使用与该角偏离的角。另外，刃面34优选地具有耐磨涂层35，所述耐磨涂层35可以是例如细颗粒的、高强度的铬合金涂层。螺旋肋部32的与刃面34邻接的外表面也可以用相同的耐磨涂层部分地覆盖。如以下将更加详细地说明，这些肋部32以及它们的刃面34和凹入区域36帮助释放会在钻孔的偏斜段或水平段中出现的淤泥/泥沙淤积。
为了防止中间部分30显著地接合偏斜段或水平段中的侧壁，在钻杆10的与端部22A和22B相邻的圆柱形表面上可旋转地定位有第一轴承50A和第二轴承50B。为了耐磨损，这些轴承50A和50B优选地由钢材料构成并且被硬化。此外，轴承50A和50B优选地具有耐磨涂层带52，所述耐磨涂层带52可以由例如Relit硬质合金构成。
图3详细地示出轴承50A和50B如何可以保持在钻杆本体20上。虽然仅示出第一轴承50A的保持，但是相同的特征也可以用于第二轴承(50B；图1)。为了保持轴承50A，其首先在钻杆本体的圆柱形表面22A上抵靠中间部分30的肩部25A定位。接下来，开口环60A布置在开槽区域26A中并且将轴承50A保持抵靠在肩部25A上。然后，保持套管70A部分地布置在开口环60A上并且部分地布置在钻杆本体20上，以保持开口环60A。最后，在钻杆本体20上的圆柱槽28A内布置有弹簧圈80A，并且该弹簧圈80A将保持套管70A保持在适当的位置中。
如图1中所示，钻杆的轴承50A和50B以及其它部件的直径构造成处理钻孔的偏斜段或水平段中的磨损和淤泥/泥沙淤积问题。具体地，轴承50A和50B的直径DB大于中间部分的直径DP并且大于钻具接头的直径DJ。较大的直径DB允许轴承50A和50B接合其中定位有钻杆10的钻孔的侧壁。这样缓解钻具接头40A和40B和钻杆的中间部分30上的潜在的磨损，且仍然允许肋部32沿着钻孔壁接合淤泥和泥沙。
图6中示出钻杆10在钻孔BH的偏斜段或水平段中的使用。为了使用钻杆10，操作员首先使用钻具接头40A和40B在钻柱上安装多个钻杆10。作为示例，用于钻探偏斜段的钻柱可以包括底孔组件(例如，钻头，马达等)和钻铤，随后是具有使用大约400或更多个的钻具接头连接的所公开钻杆10的段(大约200m至250m)，并且继而随后是具有钢钻杆的另一个段。
当钻柱配置成向下钻并且钻探通过地层FM时，操作员通过钻柱将钻探泥浆喷射到底孔。所喷射的钻探泥浆穿过钻杆的内孔21并且激活向下钻进的马达，冷却钻头，并且通过环状部将钻屑移除到地面。螺旋肋部32及其相应的刃面34和凹入区域36减小了钻杆10在压差(孔中的静水压力和储层压力之间的差)下粘在钻孔中的可能性。此外，轴承50A和50B帮助稳定底孔组件，这是因为钻杆10的总外径与钻孔壁间具有减小的间隙。
然而，根据期望，以较高的倾斜度(超过65度)在偏斜段内钻探，导致钻屑和淤泥/泥沙S沿着钻孔BH的下壁淤积。当钻柱不旋转并且运动以校正井眼轨迹时在“滑动”模式操作期间尤其会发生淤积。无论如何，淤积抑制钻柱的运动和旋转，并且可能最终导致钻柱粘在钻孔BH中。
钻杆10通过帮助从钻孔BH清除淤积并且减小操作期间所受的阻力而减轻由淤泥/泥沙S所导致的问题。当钻杆10旋转时，例如，中间部分30的向右旋的螺旋肋部32与淤积在钻孔BH的下壁上的淤泥/泥沙反复相互作用。在该反复相互作用中，肋部的前边缘上的刃面34铲起淤泥/泥沙并且将其运输到钻孔BH的上侧，然后在该处钻探泥浆的典型的向上流动可以将淤泥/泥沙S沿孔向上带走。借助向右旋的螺旋，也可以使任何已接合的淤泥/泥沙材料沿着钻杆10的长度轴向地运动。这样清除淤积的淤泥和泥沙，可以允许操作员减少在钻探期间所需的泥流，这本身可以产生较好的等效循环密度(EDC)的值。
当钻杆10旋转时，钻杆10上的轴承50A和50B接触钻孔BH的壁。由于可在钻杆10上旋转，轴承50A和50B经历的转数少于钻杆本体20所经历的转数。因此，轴承50A和50B的减少的转数以及它们的抗磨损涂层52延长了它们的使用寿命并且减少了旋转钻杆10所需要的转矩。因为轴承的直径DB(参见图1)大于钻具接头40A和40B以及钻杆本体20的直径，也可以减少钻具接头40A和40B以及钻杆本体20上的表面磨损，这样也增加了它们的操作寿命。
如上所述，钻杆10优选地由轻合金构成，例如铝合金。适当的铝合金的示例包括Al-Cu-Mg系统的D16T(俄罗斯标准GOST 4748)或者Al-Zu-Mg系统的1953 T1，但也可以使用用于井眼环境的其它适当的铝合金。与传统的钢钻杆相比，由轻质合金制成的钻杆10可以减少在使钻柱运动和旋转时的摩擦力和阻力。另外，铝钻杆10可以通过挤压制造，以便可以在不需要较多机加工的情况下生产(若有的话)螺旋肋部32、刃面34和凹入区域36的不同的构造和型面。
钻杆10由铝合金或类似物构成，则钻杆10优选地在热处理和老化之后满足用于物理和机械性能的ISO 15546要求。为了进一步满足ISO 15546，用于互连钻杆10的钻具接头40A和40B优选地由钢构成。另外，钻具接头40A和40B与钻杆的端部22A和22B之间的连接优选地具有锥形螺纹，所述锥形螺纹具有梯形的螺纹横截面，并且所述连接优选地使用锥形肩部和内部止动件以释放部分螺纹载荷。
对于某些示例性尺寸，钻杆10的总长度可以是约9000mm至约12200mm，钻杆的带肋部的中间部分30是约105mm至200mm。钻杆10的直径和壁厚部分地取决于钻杆10的长度、期望的内孔直径、期望的钻杆尺寸等。总体上参照图1，钻具接头40A和40B可以具有约108mm至约203mm的外径DJ。钻杆的带肋部的中间部分30可以具有约90mm至约170mm的外径DP(或者更大以大于钻具接头的直径DJ)以及约70mm到约150mm或者更大的内径。因此，钻杆本体的壁厚可以是约9mm至约22mm。轴承50A和50B的直径DB可以稍大于中间部分的直径DP和钻具接头的直径DJ，从而大于这些直径，并且因此可以具有约114mm至208mm的直径。
优选的其它实施例的上述说明不意欲限制或约束由申请人所构思的本发明的构思的范围或适用性。作为公开本文所包含的发明构思的交换，申请人期望由所附权利要求书所提供的所有专利权。因此，所附权利要求书应完全包括以下权利要求或等同物的范围内的所有修改和变化。
Claims (28)
1.一种钻杆，包括：
钻杆本体，其具有外表面并且具有第一端部和第二端部，所述第一端部和第二端部能连接到钻柱元件，所述钻杆本体具有沿着所述外表面延伸的至少一个肋部，所述至少一个肋部具有与所述钻杆本体基本垂直且能与钻孔壁附近的材料接合的面；以及
至少一个轴承，其可旋转地布置在所述钻杆本体上并且能与所述钻孔壁接合。
2.根据权利要求1所述的钻杆，其中，所述钻杆本体包括铝合金材料，并且所述至少一个轴承包括钢材料。
3.根据权利要求1所述的钻杆，其中，所述至少一个轴承具有包括耐磨涂层的外表面。
4.根据权利要求1所述的钻杆，其中，所述至少一个轴承具有的第一外径大于所述钻杆本体的第二外径。
5.根据权利要求4所述的钻杆，其中，在所述钻杆本体的第一端部和第二端部上布置有第一接头和第二接头，并且所述第一外径大于所述第一接头和第二接头的第三外径。
6.根据权利要求1所述的钻杆，其中，所述至少一个肋部沿着所述外表面盘旋，由此所接合的材料能沿着所述钻杆本体运动。
7.根据权利要求1所述的钻杆，其中，所述面在所述外表面中限定切入角，以便使所述面不与所述钻杆本体的中心轴线交叉。
8.根据权利要求1所述的钻杆，其中，所述外表面中的凹入区域暴露所述面，所述凹入区域在所述外表面上具有至少两个成角度的侧面以维持所述钻杆本体的壁厚。
9.根据权利要求1所述的钻杆，其中，所述面包括耐磨涂层。
10.一种钻杆，包括：
钻杆本体，其具有外表面、第一端部和第二端部、以及布置在所述第一端部和第二端部之间的中间部分，所述第一端部和第二端部能连接到钻柱元件，所述中间部分具有沿着所述外表面盘旋的多个肋部，每个所述肋部都具有与所述外表面基本垂直且能与钻孔壁附近的材料接合的面；
第一轴承，其可旋转地布置成与所述第一端部相邻并且能与所述钻孔壁接合；以及
第二轴承，其可旋转地布置成与所述第二端部相邻并且能与所述钻孔壁接合。
11.根据权利要求10所述的钻杆，其中，所述钻杆本体包括铝合金材料，并且所述第一轴承和第二轴承包括钢材料。
12.根据权利要求10所述的钻杆，其中，所述第一轴承和第二轴承中的每个都具有包括耐磨涂层的外表面。
13.根据权利要求10所述的钻杆，其中，所述第一轴承和第二轴承中的每个所限定的第一外径都大于所述钻杆本体的第二外径。
14.根据权利要求13所述的钻杆，其中，在所述钻杆本体的第一端部和第二端部上布置有第一接头和第二接头，并且所述第一外径大于所述第一接头和第二接头的第三外径。
15.根据权利要求10所述的钻杆，其中，所述中间部分限定与所述第一端部相邻的第一肩部，并且限定与所述第二端部相邻的第二肩部，并且其中，所述钻杆还包括第一开口环和第二开口环，所述第一开口环和第二开口环布置在所述钻杆本体上并且保持所述第一轴承和第二轴承抵靠所述第一肩部和第二肩部。
16.根据权利要求15所述的钻杆，还包括第一保持套管和第二保持套管，所述第一保持套管和第二保持套管布置在所述钻杆本体上并且保持所述第一开口环和第二开口环。
17.根据权利要求16所述的钻杆，还包括第一弹簧圈和第二弹簧圈，所述第一弹簧圈和第二弹簧圈布置在所述钻杆本体上并且保持所述第一保持套管和第二保持套管。
18.根据权利要求2所述的钻杆，其中，每个所述肋部在沿着所述中间部分盘旋时都具有向右旋的扭曲，由此所接合的材料能沿着所述钻杆本体运动。
19.根据权利要求10所述的钻杆，其中，所述面中的一个或多个限定不与所述钻杆本体的中心轴线交叉的切入角。
20.根据权利要求10所述的钻杆，其中，所述中间部分的外表面中的凹入区域暴露所述面，所述凹入区域中的每个都在所述外表面上具有至少两个成角度的侧面以维持所述中间部分的壁厚。
21.根据权利要求10所述的钻杆，其中，所述面中的每个都包括耐磨涂层。
22.一种钻杆，包括：
钻杆本体，其具有外表面以及第一端部和第二端部，所述第一端部和第二端部能连接到钻柱元件，所述钻杆本体具有与所述第一端部相邻的第一部分、与所述第二端部相邻的第二部分、以及布置在所述第一端部和第二端部之间的中间部分，并且所述中间部分与所述第一端部和第二端部限定第一肩部和第二肩部，所述中间部分具有沿着所述外表面盘旋的多个肋部，每个所述肋部都具有通过所述外表面中的凹入区域暴露的面，每个面都与所述外表面基本垂直且能与钻孔壁附近的材料接合；
第一轴承，其可旋转地布置在第一部分上以与所述第一肩部相邻；以及
第二轴承，其可旋转地布置在第二部分上以与所述第二肩部相邻，
其中，所述第一轴承和第二轴承限定的第一外径大于所述中间部分的第二外径，由此所述第一轴承和第二轴承能与所述钻孔壁接合。
23.根据权利要求22所述的钻杆，其中，所述钻杆本体包括铝合金材料，并且所述第一轴承和第二轴承包括钢材料。
24.根据权利要求22所述的钻杆，其中，所述第一轴承和第二轴承中的每个都具有包括耐磨涂层的外表面。
25.根据权利要求22所述的钻杆，其中，每个所述肋部在沿着所述中间部分盘旋时都具有向右旋的扭曲，由此所接合的材料能沿着所述钻杆本体运动。
26.根据权利要求22所述的钻杆，其中，所述面中的一个或多个在所述外表面中限定切入角，以便使所述面不与所述钻杆本体的中心轴线交叉。
27.根据权利要求22所述的钻杆，其中，所述凹入区域中的每个都在所述外表面上具有至少两个成角度的侧面以维持所述中间部分的壁厚。
28.根据权利要求22所述的钻杆，其中，所述面中的每个都包括耐磨涂层。
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