CN104169516A - 对齐的有角度的井工具焊接接头 - Google Patents

Abstract

一种井工具，其可包括多个节段，一个节段上形成有配合焊接表面，而另一节段上形成有另一配合焊接表面。这些配合焊接表面之间的接合能够防止井工具的节段相对于彼此的横向位移。配合焊接表面被焊接至彼此。一种构造井工具的方法，该方法可包括使井工具的一个节段上的一个配合焊接表面和井工具的另一节段上的另一个配合焊接表面接合，这些配合焊接表面之间的界面相对于井工具的延伸穿过节段的纵轴线倾斜，以及沿该界面将这些配合焊接表面焊接至彼此。

Description

对齐的有角度的井工具焊接接头

技术领域

本发明大体涉及与地下井相关的装备应用和操作实施，并且在下文描述的一个实例中，特别提供了一种对齐的且有角度的井工具焊接接头。

背景技术

多种类型的井工具(例如钻头、完井工具、随钻测量工具、定向钻井工具、套筒等)包括焊接接头。应认识到，对井工具焊接接头的改进是持续需求的，例如增加焊接接头的强度、抗疲劳性等。

附图说明

图1是可以体现本发明原理的井系统和相关方法的代表性部分剖视图。

图2是可以体现本发明的原理的钻头的放大尺寸的代表性剖视图。

图3是钻头的节段彼此焊接后的钻头的代表性剖视图。

图4是钻头的另一种构造的代表性剖视图。

图5至图12是焊接接头的额外构造的代表性剖视图，该焊接接头可用在体现本发明的原理的井工具中。

具体实施方式

图1代表性地示出了可以体现本发明的原理的井系统10和相关方法。然而应当明确理解的是，由于本发明的原理可应用于多种不同的系统和方法，所以本发明的范围并不以任何方式受限于本文描述或附图示出的系统10和方法的细节。图1的系统10和方法仅包括一个非限制性的实例，此实例用于展示这些原理是如何在实际操作中得到应用的。

如图1所示，钻柱12用于在地下地层16中钻出井眼14。在此实例中，钻柱12包括多种井工具18、20、22、24、26。井工具18是随钻测量工具(包括传感器和遥感通信装置等)，井工具20是可调稳定器，井工具22是马达(例如Moineau型马达、涡轮机等)，井工具24是用于操纵钻出井眼14的定向钻井工具，而井工具26是钻头。

这些井工具18-26中，每个工具可包括焊接接头，该焊接接头可得益于下文将充分描述的原理。然而，井工具18-26仅是可以体现这些原理的其他多种类型井工具中的几个实例。因此应明确理解的是，本发明的范围并不受限于本文描述或附图示出的有限类型的井工具。

任何类型的井工具可以体现本发明的原理，无论这些井工具是否用在钻井操作中。例如，用于完井操作中的封隔器、阀、偏心工作筒等可包含下文描述的焊接接头。

现在再参照图2，其代表性地示出钻头30的放大尺寸的剖视图。钻头30可用作图1的系统10和方法中的井工具26，或者该钻头可用于其它系统和方法。

在图2的实例中，钻头30包括两个节段32、34。节段32包括连接器36，连接器36用于在钻柱的一端(例如图1中的钻柱12)连接钻头30。

如图2所示，连接器36包括锥形外螺纹；连接器例如为美国石油研究院(American Petroleum Institute)规定的插头连接器，但若需要的话，也可使用其他任何类型的连接器。然而节段32并非必须包括连接器36。

节段34包括刀具38，刀具例如用于在图1的系统10中切入地层16。虽然图2示出的是固定刀具38，若需要的话也可以使用其它类型的刀具，例如使用牙轮刀具(roller cone cutter)等。然而，节段34完全不是必须包括刀具38。

通过将节段32联结到节段34，由此刀具38相对于连接器36被固定，使得钻头30被充分装配并可以连接在钻柱12中，即可借此使刀具38能够被用来钻出井眼14。焊接接头40用于使节段32、34彼此联结。

此实例中的焊接接头40包括配合焊接表面42、44，焊接表面42、44形成在相应的节段32、34的相对端上。表面42、44各自相对于钻头30的纵轴线46倾斜。

表面42、44相对于纵轴线46倾斜，就是说这些表面既不平行也不垂直于纵轴线。此实例中的表面42、44呈截头圆锥形。

在图2示出的横截面中，表面42、44在各自的节段32、34的壁中平直地延伸。然而，若需要的话也可以使用其他形状的表面42、44。例如，表面42、44可呈曲面形、圆形、抛物面形或其它形状。

图2示出的平直表面42、44尤其有益于电子束焊接，这是因为电子束呈平直的形式。激光焊接也可被用于将平直表面焊接在一起。电子束焊接和激光焊接属于热辐射型焊接。

然而，在其它实例中，非平直表面也可以通过例如摩擦焊接等方法来焊接。摩擦焊接属于固态型焊接。

例如通过在以递增方式改变的多个深度形成多个焊道等方法，电子束焊接也可被用于将非平直表面焊接在一起。因此应认识到，本发明的范围并不受限于用于任何特定类型表面的任何特定焊接方法。

在图2的实例中，当表面42、44在焊接前彼此接合时，由于这些表面的倾斜形状，节段32、34因此是轴向对齐的。所以，表面42与表面44之间的接触防止了节段32、34相对于彼此的横向位移。

此种横向固定和轴向对齐方便地改进了钻头30的构造，这是因为不需要独立的对齐装置和对齐工序。然而，若需要的话，也可以使用额外的对齐装置和/或工序。例如，在图2和图3的实例中，对齐肩台52可以额外被用于使表面42、44接合，以轴向地对齐节段32、34。

现在再参照图3，其代表性地示出了表面42、44已彼此接合、且在表面42、44之间已形成焊缝48后的钻头30。焊缝48沿位于接合的表面42、44之间的界面50(参见图4至图12)延伸。

应注意焊缝48的长度L大于节段34的壁厚T。这使得焊接在一起的节段32、34得到了较大的强度。因此，除了使节段32、34轴向对齐之外，表面42、44还为焊接接头40提供了增大的强度。

在其它实例中，焊接长度L可大于节段32、34中的每个节段的壁厚T，或者仅大于节段32的壁厚，或者不大于节段32、34中的任何一个节段的壁厚。本发明的范围并不受限于与任何壁厚相比的特定长度。

现在再参照图4，其代表性地示出了钻头30的另一种构造。所示出的是在表面42、44彼此接合之后，但在这些表面被焊接至彼此之前的钻头30。

在此视图中，可清楚地看出界面50在钻头30的壁中平直地延伸，界面长于节段34的厚度(壁厚)T，且节段34上形成有对齐环54，对齐环54被接纳在环形凹部56中，环形凹部56形成于节段32的一端。然而，在其它实例中，界面50可以是曲面或其它非平直形状，该界面也可以不长于节段32、34中任何一个的壁厚，而且也可不使用对齐环54和凹部56。

现在再参照图5至图12，其代表性地示出了在表面42、44接合之后、但在将这些表面彼此焊接之前的焊接接头40的更多实例。本文描述或附图示出的任何焊接接头40可用于任何井工具18、20、22、24、26或上文描述的钻头30，或用于任何其它井工具。

在图5的实例中，对齐环54被接纳在凹部56中，类似于图4的构造。然而，连接器36被形成为锥形内螺纹，例如形成为美国石油研究院规定的双母螺纹接头。也可按需要使用其它类型的连接器，且任一节段32、34都不是必须包括任何连接器。

在图6的实例中，界面50(以及最终的焊缝48)完全延伸通过壁。在此实例中，表面42、44在焊接前保持节段32、34的对齐，而无需使用任何额外的对齐装置。

图7和图8的实例分别大致类似于图5和图6的实例。然而在图7和图8的实例中，连接器36具有外螺纹，而不是如同图5和图6的实例中那样的内螺纹。

在图9的实例中，对齐肩台52形成在节段34上，而不是如图2和图3的实例中在节段32上。此外，连接器36具有内螺纹。

在图10的实例中，独立的对齐环58被安装在节段32、34各自的孔腔60、62中。此外，界面50(以及最终焊缝48)完全延伸通过壁。

图11和图12的实例分别大致类似于图9和图10的实例。然而在图11和图12的实例中，连接器36具有外螺纹，而不是如同图9和图10的实例中那样的内螺纹。

应注意，在图6、图8、图10和图12的实例中，每个配合焊接表面42、44在横截面中的长度与界面50的长度相等。然而，在其它实例中，这些配合(对接)的焊接表面中的任一者或二者可以在横截面中比界面50长。

应充分认识到，以上公开的本发明针对构造用于井工具的焊接接头的工艺作出了重大的改进。上述的焊接接头40能够具有较大的强度，并且能够提高使用这种焊接接头的井工具的经济生产率。

在一些实例中，焊接接头40可用于将磁性和非磁性材料焊接在一起。焊接接头40的位置可以很接近钻头中所使用类型的基质材料。

小型的热影响区能够使井工具组件得以缩短。通过消除焊接接头的V型槽的宽度(这种V型槽通常用于使井工具的多个节段彼此焊接)，井工具组件也可以被形成得较短。

对于定向钻井，较短的钻头能够被更容易地操纵。在井底组件中任何类型的较短的井工具，例如井下工具且包括定向钻井工具，均能够增强操纵性。

上文描述了井工具18、20、22、24、26和钻头30(钻头也是一种井工具)。在一些实例中，井工具可包括井工具的第一节段32和第二节段34，第一节段32上形成有第一配合焊接表面42，而第二节段34上形成有第二配合焊接表面44。第一和第二配合焊接表面42、44之间的接合防止第一和第二节段32、34的彼此相对的横向位移。第一和第二配合焊接表面42、44被焊接至彼此。

第一和第二配合焊接表面42、44中的至少一个可包括圆锥形表面。若需要的话也可使用其它形状。

第一配合焊接表面42与第二配合焊接表面44之间的焊缝48的长度L大于第一节段32和第二节段34中至少一个节段的壁厚T。在其它实例中也可以使用其它长度和厚度。

第一和第二配合焊接表面42、44可用电子束彼此焊接。其它实例中也可以使用其它焊接技术。

第一配合焊接表面42与第二配合焊接表面44之间的界面50在第一和第二节段32、34的横截面中可以是平直的。在其它实例中也可使用非平直界面。

界面50可相对于井工具的延伸穿过第一和第二节段32、34的纵轴线46倾斜。界面50在第一和第二节段32、34的横截面中的长度可大于第一节段32和第二节段34中的至少一个节段在横截面中的壁厚T。

上文还描述了一种构造井工具18、20、22、24、26、30的方法。在一个实例中，该方法可包括：使井工具的第一节段32上的第一配合焊接表面42与井工具的第二节段34上的第二配合焊接表面44接合，第一配合焊接表面42和第二配合焊接表面44之间的界面50相对于井工具的延伸穿过第一和第二节段32、34的纵轴线46倾斜；以及沿界面50，将第一和第二配合焊接表面42、44焊接至彼此。

上述接合步骤可防止第一配合焊接表面42和第二配合焊接表面44相对于彼此的横向位移。

该方法可以包括在焊接步骤之前，在第一和第二节段32、34中安装对齐环58。

上文还描述了一种构造用于钻出地下井的钻头30的方法。在一个实例中，该方法可包括使第一和第二配合焊接表面42、44接合，第一和第二配合焊接表面分别形成在钻头30的第一和第二节段32、34上，这种接合防止第一和第二节段32、34相对于彼此的横向位移；以及将第一和第二配合焊接表面42、44焊接至彼此。

虽然上文描述了多个不同的实例，且每一个实例具有特定的多个特征，但应理解，一个实例中的具体特征并不只是唯一地用于这个实例。与之相反，上文描述和/或附图示出的任一特征可与任一实例结合，以添加到或替换这些实例中的任一其他特征。一个实例的特征与另一个实例中的特征并不互相排斥。与之相反，本发明的范围包含任何特征的任何组合。

虽然上文描述的每一个实例包括多个特征的特定组合，但应理解，一个实例并非必须使用所有特征。与之相反，上文描述的多个特征中的任一个可以不和其他任何一个或多个特征共同使用。

应理解，本文描述的不同实施例可用于不同的方位，例如倾斜、倒转、水平、竖直等方位，且可用于不同的结构，而不脱离本发明的原理。这些实施例仅作为本发明的原理的有益应用的实例来描述，本发明并不受限于这些实施例的任何具体细节。

在上文代表性实例的描述中，方向性术语(例如“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等)是为了便于参照附图而使用的。然而应清楚地理解，本发明的范围不限于本文描述的任何特定方向。

在本说明书中，术语“包含”、“包括”和类似的术语是在非限制意义上使用的。例如，如果一个系统、方法、设备、装置等被描述为“包括”某个特征或元件，则该系统、方法、设备、装置等可包括该特征或元件，并且还可包括其它特征或元件。类似地，术语“包含”应认为意指“包含但不限于”。

当然，本领域技术人员在仔细思考以上描述的本发明的代表性实施例之后，会容易地认识到可以对这些具体实施例进行多种变形、添加、替换、删除或其它改变，且此种改变是本发明的原理所预期的。因此应明确地理解，前述的详细描述只是作为说明和实例，本发明的精神和范围仅由所附权利要求及其等同内容限定。

Claims (31)

1.一种井工具，包括：

所述井工具的第一节段和第二节段，所述第一节段上形成有第一配合焊接表面，且所述第二节段上形成有第二配合焊接表面；

所述第一和第二配合焊接表面之间的接合防止所述第一和第二节段相对于彼此的横向位移；以及

所述第一和第二配合焊接表面被焊接至彼此。

2.如权利要求1所述的井工具，其中，所述第一和第二配合焊接表面中的至少一个包括圆锥形表面。

3.如权利要求1所述的井工具，其中，所述第一和第二配合焊接表面之间的焊缝的长度大于所述第一和第二节段中至少一个节段的壁厚。

4.如权利要求1所述的井工具，其中，所述第一和第二配合焊接表面被电子束焊接至彼此。

5.如权利要求1所述的井工具，其中，所述第一和第二配合焊接表面之间的界面在所述第一和第二节段的横截面中是平直的。

6.如权利要求1所述的井工具，其中，所述第一和第二配合焊接表面之间的界面相对于所述井工具的延伸穿过所述第一和第二节段的纵轴线倾斜。

7.如权利要求1所述的井工具，其中，所述第一和第二配合焊接表面之间的界面在所述第一和第二节段的横截面中的长度大于所述第一和第二节段中的至少一个在所述横截面中的壁厚。

8.如权利要求1所述的井工具，其中，所述第一和第二配合焊接表面被热辐射焊接至彼此。

9.如权利要求1所述的井工具，其中，所述第一和第二配合焊接表面被固态焊接至彼此。

10.如权利要求1所述的井工具，其中，所述第一和第二配合焊接表面之间的界面的长度等于所述第一和第二配合焊接表面中的每一个在所述第一和第二节段的横截面中的长度。

11.一种构造井工具的方法，所述方法包括：

使所述井工具的第一节段上的第一配合焊接表面和所述井工具的第二节段上的第二配合焊接表面接合，所述第一和第二配合焊接表面之间的界面相对于所述井工具的延伸穿过所述第一和第二节段的纵轴线倾斜；以及

沿所述界面将所述第一和第二配合焊接表面焊接至彼此。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述接合防止所述第一和第二配合焊接表面相对于彼此的横向位移。

13.如权利要求11所述的方法，还包括在所述焊接之前，在所述第一和第二节段中安装对齐环。

14.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一和第二配合焊接表面中的至少一个包括圆锥形表面。

15.如权利要求11所述的方法，所述第一和第二配合焊接表面之间的焊缝的长度大于所述第一和第二节段中至少一个节段的壁厚。

16.如权利要求11所述的方法，其中，所述焊接包括电子束焊接。

17.如权利要求11所述的方法，其中，所述界面在所述第一和第二节段的横截面中是平直的。

18.如权利要求11所述的方法，其中，所述界面在所述第一和第二节段的横截面中的长度大于所述第一和第二节段中的至少一个在所述横截面中的壁厚。

19.如权利要求11所述的方法，其中，所述焊接包括热辐射焊接。

20.如权利要求11所述的方法，其中，所述焊接包括固态焊接。

21.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一和第二配合焊接表面之间的界面的长度等于所述第一和第二配合焊接表面中的每一个在所述第一和第二节段的横截面中的长度。

22.一种构造用于钻出地下井的钻头的方法，所述方法包括：

接合形成在所述钻头的相应的第一和第二节段上的第一和第二配合焊接表面，所述接合防止所述第一和第二节段相对于彼此的横向位移；以及

将所述第一和第二配合焊接表面焊接至彼此。

23.如权利要求22所述的方法，其中，所述第一和第二配合焊接表面中的至少一个包括圆锥形表面。

24.如权利要求22所述的方法，其中，所述第一和第二配合焊接表面之间的焊缝的长度大于所述第一和第二节段中至少一个节段的壁厚。

25.如权利要求22所述的方法，其中，所述焊接包括电子束焊接。

26.如权利要求22所述的方法，其中，所述第一和第二配合焊接表面之间的界面在所述第一和第二节段横截面中是平直的。

27.如权利要求22所述的方法，其中，所述第一和第二配合焊接表面之间的界面相对于所述井工具的延伸穿过所述第一和第二节段的纵轴线倾斜。

28.如权利要求22所述的方法，其中，所述第一和第二配合焊接表面之间的界面在所述第一和第二节段横截面中的长度大于所述第一和第二节段中的至少一个在所述横截面中的壁厚。

29.如权利要求22所述的方法，其中，所述焊接包括热辐射焊接。

30.如权利要求22所述的方法，其中，所述焊接包括固态焊接。

31.如权利要求22所述的方法，其中，所述第一和第二配合焊接表面之间的界面的长度等于所述第一和第二配合焊接表面中的每一个在所述第一和第二节段的横截面中的长度。