CN113719242A - 一种隔热钻杆、钻具及隔热钻杆的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种隔热钻杆，包括外管和套设在所述外管中的内衬管，所述外管和所述内衬管之间具有填充有隔热材料的空腔，所述外管具有连通所述空腔的注入孔，其中，所述隔热材料为砂石颗粒，所述砂石颗粒通过所述注入孔注入所述空腔中。本申请的隔热钻杆采用砂石颗粒作为隔热材料，砂石颗粒通过注入孔注入空腔以形成隔热层，不仅降低了高温油气藏钻井过程中钻杆内的钻井液的温度，同时减低了制造难度，节省了成本。
Description
技术领域
本发明涉及油气钻探技术领域，更具体地，涉及一种隔热钻杆、钻具及隔热钻杆的制造方法。
背景技术
油气行业逐渐向深层、超深层油气藏迈进，但井下高温一直是制约其开发的一大障碍。具体地，在高温地层钻进时，井底温度不断升高，不仅降低了钻井液的携岩能力，还缩短了其他井下工具的使用寿命，加剧了钻杆腐蚀，使得井下电机、电子仪器、导向工具等使用受碍，甚至影响井眼稳定、引起井控等严重安全问题。钻杆作为井下循环的重要路径，高温地层不断向低温井筒传递热量，然而普通钻杆的材料组成决定了其具有较高的热传导，难以解决高温油气藏钻井过程井底高温的棘手问题。此外，钻井过程中，钻杆时刻受拉升、内压、外压以及扭矩共同作用，钻杆的使用工况复杂且恶劣。这些都制约着深层、超深层油气资源的开发。
西南石油大学蒋建勋教授课题组设计了一种内衬式隔热油管，如图1所示，该内衬式隔热油管包括接箍1、密封圈2、隔热衬套3、衬管4、外管5以及隔热层6，其管材以及隔热层6采用具有较低导热系数的铝箔纸以及玻璃纤维复合材料制成，同时抽出隔热层中的空气，加入性质稳定的惰性气体，用来减少热辐射量，但该结构的内衬式隔热油管仅在设计阶段，并无实际应用。此外，该结构的内衬式隔热油管的衬管4嵌入难度大，需要特殊工艺处理。隔热层6不仅成本高且注入难度大，并且只能对部分油管段隔热。
申请号为201822090269.X的实用新型专利公开了一种油田用真空隔热油管，如图2所示，其包括内管1和外管2，内管1和外管2之间形成空腔12，用于抽真空以进行隔热。内管1端部外侧开设有第一螺纹7，内管1外表面贴附有第一保温层8，外管2端部外侧开设有第二螺纹9，外管2外表面贴附有第二保温层 10。内管1外部与连接板11的端部固定连接，连接板11的另一端部与外管1的内部固定连接。外套管3与外管2的端部套接，外套管3的内侧中部与连接管4 连接，连接管4侧壁与第一密封圈6固定连接。外管2端部外侧与固定板13固定连接，固定板13侧壁与第二密封圈14固定连接。该油田用真空隔热油管利用真空的超低传热性能，将油管与套管进行套接，并通过密封圈对套管内部进行密封并抽真空，有利于油管连接处的保温，避免了因管体连接处的热量散失而导致石油的温度降低。该隔热管虽然隔热效果好，但结构稳定性存在不足，在钻井过程中，钻杆处于内压、外压和扭矩的共同作用，很容易造成隔热管管壁断裂，造成井下事故等。此外，该隔热管结构复杂，没有预留抽真空的螺纹孔，实际生产难度大。
申请号为201811383583.5的专利公开了一种长寿命隔热油管及其制造方法。该隔热油管包括外管1、内管2、接箍和隔热材料3，内管2包括罐体和覆于管体外表面的铝涂层4，接箍与外管1相连接并密封，外管1和内管2之间具有真空腔5，隔热材料3设置在内管2的外壁上。但该结构的隔热油管存在以下不足：内管2内径较小，水力压降大；在钻井过程中涂层容易磨损造成井下循环通道堵塞。
申请号为20182208871.9的专利公开了一种内外隔热直连型隔热油管。该隔热油管包括内管1、外管2和中间管3，中间管3两端分别设有外螺纹和内螺纹，内管1与中间管3之间、外管2与中间管3之间均采用焊接的形式连接，内管1 和中间管3、外管2和中间管3之间均填充有隔热材料，外管2外圆周缠绕一层保温层。该隔热油管存在以下不足：制造工艺难度大，且没有预留隔热材料的注入装置。
因此，急需开发一种新型隔热钻杆，以满足深层、超深层油气资源的钻井需求。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种隔热钻杆、钻具及隔热钻杆的制造方法，用于解决上述技术问题。
第一方面，本申请提供一种隔热钻杆，包括外管和套设在所述外管中的内衬管，所述外管和所述内衬管之间具有填充有隔热材料的空腔，所述外管具有连通所述空腔的注入孔，其中，所述隔热材料为砂石颗粒，所述砂石颗粒通过所述注入孔注入所述空腔中。
本申请的隔热钻杆采用砂石颗粒作为隔热材料，砂石颗粒通过注入孔注入空腔以形成隔热层，不仅降低了高温油气藏钻井过程中钻杆内的钻井液的温度，同时降低了制造难度，节省了成本。
在根据第一方面的一个实施方式中，所述砂石颗粒的形状为圆形，其直径的尺寸范围为0.5～1mm。该尺寸范围不仅能保证隔热层的隔热效果，并且该尺寸范围的砂石颗粒也容易获取，且利于砂石颗粒的填充。
在根据第一方面的一个实施方式中，所述砂石颗粒的环境湿度小于1％。保持小于1％的环境湿度可以使砂石颗粒的隔热效果达到最佳，进一步提高隔热钻具的整体性能。
在根据第一方面的一个实施方式中，所述空腔包括相互连通的端部和中间部，所述中间部的宽度一致，所述端部的宽度沿从所述中间部朝向所述内衬管端部的方向逐渐减小。
在根据第一方面的一个实施方式中，所述中间部的宽度范围构造为6-7mm。
在根据第一方面的一个实施方式中，还包括分别设置在所述外管上下两端的第一接头和第二接头，所述空腔位于所述第一接头和所述第二接头之间。由于隔热钻杆接头处对传热的总体影响小于10％，将空腔设置在第一接头和第二接头之间，也即第一接头和第二接头部分不做隔热处理，可以简化工艺，降低成本。
在根据第一方面的一个实施方式中，所述第一接头为公接头和/或母接头，所述第二接头为公接头和/或母接头。
在根据第一方面的一个实施方式中，所述外管和/或所述内衬管采用含有Cr、 Si和Al元素的钢材料制成。采用含有Cr、Si和Al元素的钢材料可以提高隔热钻杆在高温环境下的抗拉伸、抗扭矩性能。
第二方面，本申请提供一种钻具，其采用根据第一方面所述的隔热钻杆。钻具还可以包括钻头、螺杆、单流阀、无磁钻铤、随钻测量系统和常规钻杆。
第三方面，本申请提供一种根据第一方面所述的隔热钻杆的制造方法。
与现有技术相比，本申请具有以下优点：
1)本申请的隔热钻杆采用砂石颗粒作为隔热材料，砂石颗粒通过注入孔注入空腔以形成隔热层，不仅降低了高温油气藏钻井过程中钻杆内的钻井液的温度，同时降低了制造难度，节省了成本。
2)本申请的隔热钻杆通过设置注入孔，砂石颗粒通过注入孔注入空腔中，注入后通过注入孔进行抽真空处理，以使砂石颗粒的湿度达到最佳，提高砂石颗粒的隔热效果。
3)砂石颗粒的尺寸范围为0.5-1mm，该尺寸范围不仅适合砂石颗粒的填充，且该尺寸范围的砂石颗粒容易获取，成本低。
4)空腔位于第一接头和第二接头之间。由于隔热钻杆接头处对传热的总体影响小于10％，将空腔设置在第一接头和第二接头之间，也即第一接头和第二接头部分不做隔热处理，可以简化工艺，降低成本。
5)外管和/或内衬管采用含有Cr、Si和Al元素的钢材料制成，可以提高隔热钻杆在高温环境下的抗拉伸、抗扭矩性能。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1显示了根据现有技术的一种内衬式隔热油管的结构示意图。
图2显示了根据现有技术的一种油田用真空隔热油管的结构示意图。
图3显示了根据现有技术的一种长寿命隔热油管及其制造方法的结构示意图。
图4显示了根据现有技术的一种内外隔热直连型隔热油管的结构示意图。
图5显示了根据本申请的隔热钻杆的结构示意图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，提供了根据本申请的一种隔热钻杆，其包括外管1和套设在外管1中的内衬管2，外管1和内衬管2之间具有空腔3，空腔3中填充有隔热材料，外管1具有连通空腔3的注入孔4，其中，隔热材料为砂石颗粒。
本申请的隔热钻杆采用砂石颗粒作为隔热材料，砂石颗粒通过注入孔注入空腔以形成隔热层，不仅降低了高温油气藏钻井过程中钻杆内的钻井液的温度，同时降低了制造难度，节省了成本。
其中，砂石颗粒的形状为圆形，其直径的尺寸范围为0.5～2mm。更加优选地，其直径的尺寸范围为0.5-1mm。该尺寸范围的砂石颗粒容易获取且成本低，同时利用填充。
如图1所示，砂石颗粒通过注入孔4注入空腔3中，注入砂石颗粒后，通过注入孔4进行抽真空处理，以使砂石颗粒的湿度达到最佳，提高砂石颗粒的隔热效果。优选地，砂石颗粒的环境湿度小于1％。保持小于1％的环境湿度可以进一步提高砂石颗粒的隔热效果，从而提高隔热钻具的整体性能。可以理解地，砂石颗粒的环境湿度越小越好，绝对理想状况是砂石颗粒之间的间隙被完全抽真空，也即砂石颗粒的环境湿度为0。但从实际操作考虑，环境湿度为0的情况很难实现，且当砂石颗粒的环境湿度小于1％时，继续进行抽真空处理以降低砂石颗粒的湿度，与隔热效果的提升不成正比。因此，综合考虑成本和隔热效果，将砂石颗粒的环境湿度设置为小于1％最为合适。
空腔3包括相互连通的端部和中间部，中间部的宽度一致，端部的宽度沿从中间部朝向内衬管端部的方向逐渐减小。中间部的宽度范围优选为6-7mm之间。
隔热钻杆还包括分别设置在外管1上下两端的第一接头5和第二接头6。第一接头5和第二接头6用于连接钻具组合的其他部件(图中未示出)。
优选地，空腔3位于第一接头5和第二接头6之间。由于隔热钻杆接头处对传热的总体影响小于10％，将空腔3设置在第一接头5和第二接头6之间，也即第一接头5和第二接头6部分不做隔热处理，可以简化工艺，降低成本。优选地，空腔3的宽度设置为6-7mm的范围内，空腔3的宽度不同，会导致隔热层的厚度不同，从而影响隔热效果。
该实施例中，第一接头5为公接头或母接头，第二接头6为公接头或母接头。一般地，将第一接头5设置为母接头，将第二接头设置为公接头。
其中，外管1和/或内衬管2采用含有Cr、Si和Al元素的钢材料制成。采用含有Cr、Si和Al元素的钢材料可以提高隔热钻杆在高温环境下的抗拉伸、抗扭矩性能。
采用配备有根据本申请的隔热钻杆的钻具组合进行深层、超声层油气开发时，不仅降低了高温油气藏钻井过程中钻杆内的钻井液的温度，同时节省了成本。此外，采用配备有根据该实施例的隔热钻杆，还能起到加重钻杆的作用，为钻头施加更多的压力，以利于钻探。
实施例1
该实施例中，隔热钻杆包括外管1和套设在外管1中的内衬管2，外管1的外径为5寸，外管1和内衬管2之间具有空腔3，空腔3中填充有砂石颗粒。砂石颗粒的形状为圆形，其直径为0.5～1mm。
外管1具有连通空腔3的注入孔4，砂石颗粒通过注入孔4注入空腔3中，注入砂石颗粒后，通过注入孔4进行抽真空处理，以使砂石颗粒的湿度达到最佳，以提高砂石颗粒的隔热效果。优选地，砂石颗粒的环境湿度小于1％。保持小于 1％的环境湿度可以进一步提高砂石颗粒的隔热效果，从而提高隔热钻具的整体性能。可以理解地，砂石颗粒的环境湿度越小越好，绝对理想状况是砂石颗粒之间的间隙被完全抽真空，也即砂石颗粒的环境湿度为0。但从实际操作考虑，环境湿度为0的情况很难实现，且当砂石颗粒的环境湿度小于1％时，继续进行抽真空处理以降低砂石颗粒的湿度，与隔热效果的提升不成正比。因此，综合考虑成本和隔热效果，将砂石颗粒的环境湿度设置为小于1％最为合适。
该实施例中，砂石颗粒的环境湿度设置为1％。
空腔3包括相互连通的端部和中间部，中间部的宽度一致，端部的宽度沿从中间部朝向内衬管端部的方向逐渐减小。该实施例中，中间部的宽度为6mm，即空腔3的中间部填充的砂石颗粒形成的隔热层的厚度为6mm。
该实施例中，隔热钻杆还包括分别设置在外管1上下两端的第一接头5和第二接头6。第一接头5和第二接头6分别连接随钻测量系统短节和常规钻杆(图中未示出)。
优选地，空腔3位于第一接头5和第二接头6之间。由于隔热钻杆接头处对传热的总体影响小于10％，将空腔3设置在第一接头5和第二接头6之间，也即第一接头5和第二接头6部分不做隔热处理，可以简化工艺，降低成本。该实施例中，第一接头5为母接头，第二接头6为公接头。
其中，外管1和内衬管2均采用含有Cr、Si和Al元素的钢材料制成。采用含有Cr、Si和Al元素的钢材料可以提高隔热钻杆在高温环境下的抗拉伸、抗扭矩性能。
该实施例中的隔热钻杆的有效热传导率为3.5W/(m·K)，约为传统钻杆传导率的8％。
实施例2
该实施例中，隔热钻杆包括外管1和套设在外管1中的内衬管2，外管1的外径为5寸，外管1和内衬管2之间具有空腔3，空腔3中填充有砂石颗粒。砂石颗粒的形状为圆形，其直径为0.5～1mm。
外管1具有连通空腔3的注入孔4，砂石颗粒通过注入孔4注入空腔3中，注入砂石颗粒后，通过注入孔4进行抽真空处理，以使砂石颗粒的湿度达到最佳，以提高砂石颗粒的隔热效果。优选地，砂石颗粒的环境湿度小于1％。保持小于 1％的环境湿度可以进一步提高砂石颗粒的隔热效果，从而提高隔热钻具的整体性能。可以理解地，砂石颗粒的环境湿度越小越好，绝对理想状况是砂石颗粒之间的间隙被完全抽真空，也即砂石颗粒的环境湿度为0。但从实际操作考虑，环境湿度为0的情况很难实现，且当砂石颗粒的环境湿度小于1％时，继续进行抽真空处理以降低砂石颗粒的湿度，与隔热效果的提升不成正比。因此，综合考虑成本和隔热效果，将砂石颗粒的环境湿度设置为小于1％最为合适。
该实施例中，砂石颗粒的环境湿度设置为1％。
空腔3包括相互连通的端部和中间部，中间部的宽度一致，端部的宽度沿从中间部朝向内衬管端部的方向逐渐减小。该实施例中，中间部的宽度为7mm，即空腔3的中间部填充的砂石颗粒形成的隔热层的厚度为7mm。
该实施例中，隔热钻杆还包括分别设置在外管1上下两端的第一接头5和第二接头6。第一接头5和第二接头6分别连接随钻测量系统短节和常规钻杆(图中未示出)。
优选地，空腔3位于第一接头5和第二接头6之间。由于隔热钻杆接头处对传热的总体影响小于10％，将空腔3设置在第一接头5和第二接头6之间，也即第一接头5和第二接头6部分不做隔热处理，可以简化工艺，降低成本。该实施例中，第一接头5为母接头，第二接头6为公接头。
其中，外管1和内衬管2均采用含有Cr、Si和Al元素的钢材料制成。采用含有Cr、Si和Al元素的钢材料可以提高隔热钻杆在高温环境下的抗拉伸、抗扭矩性能。
该实施例中的隔热钻杆的有效热传导率为3.2/(m·K)，约为传统钻杆传导率的7％。
对比例
采用仅配备常规钻杆的钻具组合(一般而言，钻具组合还包括钻头、螺杆、单流阀、无磁钻铤和随钻测量系统短节，这些部件之间如何连接及位置关系均为现有技术，本申请不再赘述)进行深层、超深层油气资源开发时，地层温度通常高于150℃，钻杆中的钻井液的温度会趋于地层温度。
实施例3
采用配备实施例1中的隔热钻杆的钻具组合(一般而言，钻具组合还包括钻头、螺杆、单流阀、无磁钻铤、随钻测量系统短节和常规钻杆，这些部件之间如何连接，本领域技术人员根据现有技术能够很容易的获知)进行深层、超深层油气资源开发时，针对温度为158℃的地层，钻杆中的钻井液的温度仅约为128℃。
也就是说，在同样的条件下，采用配备该实施例中的隔热钻杆进行深层、超深层油气资源开发时，钻杆中的钻井液的温度相比普通钻杆降低了约30摄氏度，实现了高温油气藏钻井过程井下降温，为深层、超深层油气资源的开发提供保障。
此外，采用配备有根据该实施例的隔热钻杆，还能起到加重钻杆的作用，为钻头施加更多的压力，以利于钻探。
实施例4
采用配备实施例2中的隔热钻杆的钻具组合(一般而言，钻具组合还包括钻头、螺杆、单流阀、无磁钻铤、随钻测量系统短节和常规钻杆，这些部件之间如何连接，本领域技术人员根据现有技术能够很容易的获知)进行深层、超深层油气资源开发时，针对温度为158℃的地层，钻杆中的钻井液的温度仅约为127℃。
也就是说，在同样的条件下，采用配备该实施例中的隔热钻杆进行深层、超深层油气资源开发时，钻杆中的钻井液的温度相比普通钻杆降低了约31摄氏度，实现了高温油气藏钻井过程井下降温，为深层、超深层油气资源的开发提供保障。
此外，采用配备有根据该实施例的隔热钻杆，还能起到加重钻杆的作用，为钻头施加更多的压力，以利于钻探。
由实施例3和实施例4可知，在其他情况相同的条件下，隔热层的厚度越厚，隔热效果越好。但考虑到钻探的实际情况及成本等，针对外管1的外径为5寸的隔热钻杆而言，空腔的厚度设置为6mm为最佳。
综上所述，本申请具有以下优点：
1)本申请的隔热钻杆采用砂石颗粒作为隔热材料，砂石颗粒通过注入孔注入空腔以形成隔热层，不仅降低了高温油气藏钻井过程中钻杆内的钻井液的温度，同时降低了制造难度，节省了成本。
2)本申请的隔热钻杆通过设置注入孔，可以通过注入孔向空腔中注水，以使砂石颗粒的湿度达到最佳，以提高砂石颗粒的隔热效果。
3)砂石颗粒的尺寸范围不仅适合砂石颗粒的填充，还能增大砂石颗粒的堆积密度，提高砂石颗粒的隔热效果。
4)空腔位于第一接头和第二接头之间。由于隔热钻杆接头处对传热的总体影响小于10％，将空腔设置在第一接头和第二接头之间，也即第一接头和第二接头部分不做隔热处理，可以简化工艺，降低成本。
5)外管和/或内衬管采用含有Cr、Si和Al元素的钢材料制成，可以提高隔热钻杆在高温环境下的抗拉伸、抗扭矩性能。
6)采用配备有根据本申请的隔热钻杆的钻具组合进行深层、超声层油气开发时，不仅降低了高温油气藏钻井过程中钻杆内的钻井液的温度，同时节省了成本。此外，采用配备有根据该实施例的隔热钻杆，还能起到加重钻杆的作用，为钻头施加更多的压力，以利于钻探。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (10)
1.一种隔热钻杆，其特征在于，包括外管和套设在所述外管中的内衬管，所述外管和所述内衬管之间具有填充有隔热材料的空腔，所述外管具有连通所述空腔的注入孔，
其中，所述隔热材料为砂石颗粒，所述砂石颗粒通过所述注入孔注入所述空腔中。
2.根据权利要求1所述的隔热钻杆，其特征在于，所述砂石颗粒的形状为圆形，其直径的尺寸范围为0.5～1mm。
3.根据权利要求1或2所述的隔热钻杆，其特征在于，所述砂石颗粒的环境湿度小于1％。
4.根据权利要求1或2所述的隔热钻杆，其特征在于，所述空腔包括相互连通的端部和中间部，所述中间部的宽度一致，所述端部的宽度沿从所述中间部朝向所述内衬管端部的方向逐渐减小。
5.根据权利要求4所述的隔热钻杆，其特征在于，所述中间部的宽度范围构造为6-7mm。
6.根据权利要求1或2所述的隔热钻杆，其特征在于，还包括分别设置在所述外管上下两端的第一接头和第二接头，所述空腔位于所述第一接头和所述第二接头之间。
7.根据权利要求6所述的隔热钻杆，其特征在于，所述第一接头为公接头和/或母接头，所述第二接头为公接头和/或母接头。
8.根据权利要求1或2所述的隔热钻杆，其特征在于，所述外管和/或所述内衬管采用含有Cr、Si和Al元素的钢材料制成。
9.一种钻具，其特征在于，其采用根据权利要求1-8任一项所述的隔热钻杆。
10.一种根据权利要求1-8任一项所述的隔热钻杆的制造方法。
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