整体式耐磨垫及制造方法
【专利摘要】本发明提供一种标准重量钻杆，其具有整体式耐磨垫。具有整体式耐磨垫的所述钻杆，在保持标准重量钻杆的强度、柔性、轻量及其它性能特征的同时，还提供耐久性。本发明还提供一种方法，用于制造具有整体式耐磨垫的标准重量钻杆。
【专利说明】整体式耐磨垫及制造方法
【背景技术】
[0001]钻井作业使钻杆遭受各种应力、摩擦力以及环境的影响。在定向钻井期间，钻杆会弯曲，从而导致井眼接触(well bore contact)。其结果是,钻杆的中心部分会磨损，并最终导致钻杆的故障或过早更换。所涉及的术语“钻杆”和“标准重量钻杆”在本文中可以互换。
[0002]为减轻在定向钻井过程中产生的一些损害，耐磨垫可安装在钻杆上的选定位置处。标准重量钻杆目前所使用的耐磨垫，通常为安装在钻杆外表面上的圆柱形套筒状设备。这些套筒状耐磨垫中很多都卡在钻杆的外表面上。不幸的是，卡箍式耐磨垫趋于滑动而使目标易磨损区暴露。此外，对卡箍式耐磨垫的必要的安装及其后的维护将使钻井作业减慢。
[0003]标准重量钻杆具有诸如柔性、韧性和耐疲劳性等机械性能，而这些性能使得它特别适合用在钻柱的中心部。特定的钻柱可包括各种部件，诸如通常用在钻柱中的钻头和钻杆之间的钻铤(drill collar)和中间配重构件。这些部件由比标准重量钻杆更厚、更硬且更重的材料制成。因此，钻铤和中间配重构件被用作从钻头到钻杆的过渡部分，以减少钻杆上的冲击载荷。至少自I960年以来，便已能获得具有机加工的耐磨垫的钻铤和中间配重构件。但是，钻铤和中间配重构件并不具备钻杆的所述机械性能。此外，这些更重的部件使用更大量的有限的钻机功率，而且缺乏柔性。其他限制阻碍钻铤和中间配重构件充当上述钻杆和耐磨垫的可行性替代。
[0004]虽然目前可获得的用于标准重量钻杆的耐磨垫提供一些保护和功能，但业内还期望有所改进。业界希望在井场增强性能并减少维护，以便提高安全性并最小化作业成本。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种改进的标准重量钻杆。该改进的钻杆包括整体式耐磨垫，所述耐磨垫适合用于在定向钻井过程中保护钻杆免遭侵蚀。通常，所述整体式耐磨垫在钻杆上居中地定位，但是，整体式耐磨垫的位置也可以不同。此外，所述改进的钻杆可具有一个或更多整体式耐磨垫。
[0006]此外，本发明提供一种制造具有整体式耐磨垫的标准重量钻杆的方法。根据一个实施例，在第一长度的标准重量钻杆的第一端上形成第一墩锻部。在第二长度的标准重量钻杆的第一端上形成第二墩锻部。通过将第一和第二墩锻部彼此整体地结合而接合第一长度和第二长度的钻杆，藉此产生单个钻杆，其具有对应于第一和第二墩锻部的整体式耐磨垫。
[0007]在替代性实施例中，本发明的方法在单独的钻杆柄上形成第一和第二墩锻部端。所述方法还提供一段钻杆，其具有与第一和第二墩锻部对应的外径和横截面厚度。根据该实施例，在第一和第二墩锻部之间结合一段短的钻杆，以产生一定长度的单个钻杆，其具有与第一和第二墩锻部对应的整体式耐磨垫和所述一段短的钻杆。
[0008]另外，在替代性实施例中，本发明的方法在单独的钻杆柄上形成第一和第二墩锻部。相应的墩锻部适宜地形成，以连接常规的外、内螺纹钻杆接头。常规的外螺纹钻杆接头固定至一个钻杆，而同时内螺纹钻杆接头固定至另一钻杆。此后，将外、内螺纹钻杆接头螺纹固定在一起。其后，焊接由外、内螺纹钻杆接头形成的接头，以提供具有整体式耐磨垫的钻杆。可选地，耐磨带材料(或耐磨环材料)可施加至耐磨垫。
[0009]在另一替代性实施例中，本发明提供形成耐磨损钻杆的方法。在该方法中，本发明最初在单独的钻杆柄上形成第一和第二墩锻部。所述方法还提供一段短的管，其具有形成于所述短的管段的两端之间的耐磨垫，其中所述耐磨垫具有与第一、第二墩锻部和单独的钻杆对应的外径和横截面厚度。根据该实施例，在第一和第二墩锻部之间结合一段短的管，以产生一定长度的单个钻杆，其具有形成于所述一段短的管上的整体式耐磨垫。
[0010]在又一实施例中，本发明提供一种方法，用于制造在井下环境中使用的耐磨损钻杆。该方法提供标准重量钻杆的两个柄部件，其中每个钻杆具有第一外径。所述方法在第一标准重量钻杆的至少一端上形成第一墩锻部，并且在在第二标准重量钻杆的至少一端上形成第二墩锻部。所述墩锻部具有第二外径。第二墩锻部的第二外径与第一墩锻部的第二外径基本相等。所述方法还提供第三管状构件，其包括具有第三外径的耐磨垫、具有第四外径的第一端、和具有第四外径的第二端，其中第三管状构件的第一端和第二端的第四外径彼此基本相等，并且基本等于第一和第二墩锻部的第二外径。耐磨垫的第三外径大于第一和第二标准重量钻杆的第一外径以及第一和第二墩锻部的第二外径。所述耐磨垫定位在第三管状构件的第一端和第二端之间。根据当前发明的该方法，将第一墩锻部接合至第三管状构件的第一端。接合的方法使第一标准重量钻杆保持与第三管状构件基本同心。其后，所述方法将第二墩锻部接合至第三管状构件的第二端。接合的方法使第二标准重量钻杆保持与第三管状构件和第一标准重量钻杆基本同心。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1示出现有技术中的钻杆；
[0012]图2示出改进的钻杆，其具有整体式耐磨垫；
[0013]图3示出具有相对的墩锻部的各个钻杆，所述相对的墩锻部在具有整体式耐磨垫的钻杆形成之前对齐；
[0014]图4示出替代性实施例，其中，在具有整体式耐磨垫的钻杆形成之前，钻杆的中间件(或中央件)定位在相对的墩锻部之间；
[0015]图5示出中部耐磨垫的放大图；
[0016]图6示出替代性实施例，其中，外螺纹钻杆接头已固定至一个墩锻部且内螺纹钻杆接头固定至另一墩锻部；所述外螺纹钻杆接头和所述内螺纹钻杆接头在固定到一起时形成整体式耐磨垫；
[0017]图7为图6的实施例在连接外、内螺纹钻杆接头以提供具有整体式耐磨垫的钻杆之后的剖视图；
[0018]图8为焊缝坡口的剖视图，所述焊缝坡口形成为有助于将由钻杆所带的墩锻部焊接至第三管状构件。
【具体实施方式】
[0019]具有整体式耐磨垫的标准重暈钻杆
[0020]本文中所使用的术语“标准重量钻杆”指的是根据美国石油学会(API)标准5DP制造的钻杆。满足该标准的标准重量钻杆可包括各种金属。典型的标准重量钻杆由美国钢铁协会(AISI) 4127-4130级钢制造。满足API标准OTP的钻杆可具有一系列的壁厚。通常，满足API标准OTP的标准重量钻杆的最大壁厚(D)约小于1.000英寸而大于0.250英寸。因此，标准重量钻杆与通常具有1.000英寸或更大壁厚的中间重量钻杆、加重型重量钻杆和钻铤显著地不同。
[0021]参考图1，现有技术中的标准钻杆2包括第一端4和第二端6，其适于固定钻具或将一件钻杆2固定至另一钻杆。如本领域技术人员所公知，标准重量钻杆在定向钻井作业期间会折曲。在这样的作业中，中部区域11常常接触井眼壁或壳体。其结果是，中部区域11将经受过度的磨损。
[0022]继续参考附图，本发明提供一种改进的标准重量钻杆10，其具有整体式耐磨垫(或耐磨垫块)26。钻杆10包括钻杆主体16，所述钻杆主体具有沿其长度延伸的内部孔18。内部孔18还穿过由耐磨垫26限定的区域。钻杆10适合于在井下钻井环境内进行标准或常规的使用。因此，钻杆10可在任一端处进行修改，用以包含在管柱内或者用以附接各种钻具或钻杆接头。这种修改在本领域中是公知的，本文中不再讨论。相反，下面的讨论将集中于由整体式耐磨垫26以及生产具有整体式耐磨垫的标准重量钻杆的方法所提供的改进。
[0023]如上述，标准重量钻杆在钻井期间、特别是在定向钻井过程中会弯曲。因此，在钻井作业期间，钻杆10的中部区域11最常接触井眼壁并经受最大程度的磨损。为延长钻杆寿命，本发明提供整体式耐磨垫26。优选地，至少一个耐磨垫26定位在钻杆10的中部区域11内。居中定位的一个耐磨垫26将在钻井期间保护钻杆10免遭过度磨损。取决于岩层、井眼及其它钻井条件，本公开还设想出一种具有多个整体式耐磨垫26的钻杆10。
[0024]参考图2、5和7，耐磨垫26的优选实施例至少包括一对第一锥形部32。如图2和5所示，锥形部32提供从钻杆主体16的外径(A)到耐磨垫26的外径(B)的过渡。可选的第一过渡锥形部32减少在钻井期间的磕碰。耐磨垫26的外径(B)比钻杆主体16的外径(A)大至少0.500英寸。以该构造，耐磨垫26将保护壁更薄的钻杆主体16免遭由井眼接触造成的损害。因此，在优选的实施例中，由外径(B)所提供的附加厚度将避免钻杆主体16与井眼壁在钻井期间的接触。
[0025]钻杆主体16的直径(A)在由API标准5DP所规定的范围之内。通常，直径(A)在
3.500和6.625英寸之间，并沿钻杆主体16大体上保持一致，除非其被修改以接纳本领域技术人员公知的钻杆接头或其它类似连接件。
[0026]在优选实施例中，耐磨垫26还包括表面层40，其提供增强了的耐磨损性。表面层40优选为牺牲材料，其通常粘接至钻杆接头的圆周表面。因此，牺牲材料的类型以及施加该牺牲材料的方法是本领域技术人员所公知的。优选的牺牲材料不会损害井眼中的壳体。表面层40在业内通常被称为耐磨带层(或称为环形加硬层)40。如图5所示，层40未必覆盖整个耐磨垫26。
[0027]通常被本领域技术人员称作耐磨带层或耐磨堆焊层(wear surfacing layer),在耐磨垫26的圆周表面上包含耐磨带层40将进一步增强钻杆10的寿命。适合用作耐磨带层40的材料包括但不必限于可热处理的工具钢线材,诸如可从Postle Industries Inc.公司(美国俄亥俄州克利夫兰市42037信箱)购得的久固邦(Duraband?)和强力邦(Tuffband?)。在优选的实施例中，耐磨带层40为硬化钢，其具有硬度等级大于钻杆10的硬度。因此，耐磨带层40优选具有约45HRC至约55HRC的洛氏C级硬度等级。
[0028]优选地，耐磨带层40的厚度为约0.125英寸至约0.188英寸。在耐磨垫26的圆周表面上包含耐磨带层40能使整个外径(B)增加所述层40厚度的两倍。一般而言，耐磨垫26的包括耐磨层40的总的外径(B)可从约4.250英寸到约8.375英寸不等。耐磨垫26的包括耐磨层40的横截面厚度可从约1.125英寸到约1.688英寸不等。如果忽略耐磨带层40，那么总的外径(B)可从约4.000英寸到约8.000英寸不等。不带耐磨带层40的耐磨垫横截面厚度(E)可从约1.000英寸到约1.500英寸不等。
[0029]整体式耐磨垫26优选包括标准重量钻杆主体16的基体材料制成的再分配部分。以此方式,具有整体式耐磨垫26的钻杆10呈现出细化(refined)的冶金晶粒结构，藉此提供一种耐磨垫26，其具有至少与缺少整体式耐磨垫26的常规钻杆相对应的机械性能。优选地，钻杆10的冶金晶粒结构遍布于从钻杆主体16的外径(A)到耐磨垫26的外径(B)的过渡部分，所述冶金晶粒结构保持与所述过渡部分的轮廓平行地定向。因此，耐磨垫26的冶金性质对应于例如钻杆主体16的强度、韧度、柔性和耐疲劳性。在耐磨垫26上包含耐磨带层40不会使钻杆10的机械性能降低。因此，本发明能在不牺牲可操作性的情况下、减少井眼作业现场的停机时间。
[0030]参考图2、5和7，所述改进的钻杆10包括前面所讨论的第一过渡锥形部32、耐磨垫26、耐磨带层40和钻杆主体16。在优选的实施例中，居中定位的耐磨垫26具有在所述第一锥形区域32之间延伸的、约2.000英寸至约24.000英寸的总长度(F)，即耐磨垫26的长度(F)不包括第一锥形区域32。耐磨垫26的优选长度(F)在约10.000英寸至约14.000英寸的范围内。以沿钻杆16长度的轴线为参照，每个第一锥形部32大体上具有约0.500英寸至约6.000英寸范围内的轴向长度。优选地，第一锥形部32的轴向长度在约2.000英寸至约4.000英寸的范围内，并具有约15度到约25度的角度倾斜。此外，每个第一锥形部32的角度倾斜优选具有定向成与所述角度倾斜大致平行的冶金晶粒结构。穿过钻杆主体16的内部孔18还穿过耐磨垫26。在优选的实施例中，孔18具有在钻杆10的整个长度上基本一致的内径(C)。在耐磨垫26区域内的任何轻微的限制，不会使钻杆10的性能降低。[0031 ] 参考图7，除了前面所讨论的第一过渡锥形部32、耐磨垫26、耐磨带层40和钻杆主体16，改进的钻杆10的一个优选实施例还包括第二过渡锥形部33和肩部35。第二过渡锥形部33具有约0.500英寸至约6.000英寸的轴向长度以及约15度至约25度的角度倾斜。肩部35具有约0.500英寸至约2.000英寸的轴向长度。因此，本发明设想的钻杆10在钻杆主体16的外径(A)到耐磨垫26的外径(B)之间具有过渡部分，而该过渡部分不限于特定形状。在该特定实施例中，钻杆10的冶金晶粒结构优选地仍定向为与第二锥形部33的角度倾斜和肩部35的轮廓平行。如前所述，第一锥形部32的冶金晶粒结构优选地仍定向为与第一锥形部32的角度倾斜平行。穿过钻杆主体16的内部孔18还穿过第二锥形部33、肩部35、第一锥形部32和耐磨垫26。在优选的实施例中，孔18具有在钻杆10的整个长度上基本一致的内径(C)。在耐磨垫26区域内的任何轻微的限制，不会使钻杆10的性能降低。
[0032]参考以上描述及附图，耐磨垫26可对应于钻杆主体16的被修改端，所述被修改端以下面讨论的方式随后被接合，以产生本发明的改进的钻杆10。替代性地，耐磨垫26可对应于附加的一段管状管34。管状管34,也被称为管状构件34,具有对应于钻杆主体16的冶金特性(metallurgical characteristics)。因此，当固定在两个钻杆主体16之间时,管状段34提供如本文所讨论的整体式耐磨垫26。不管整体式耐磨垫26的主要成分是什么，所得到的改进的钻杆10具有整体式耐磨垫26并总是具有与标准重量钻杆对应的冶金和机械特性。
[0033]因此，本发明提供一种改进的标准重量钻杆10，其包括至少一个耐磨垫26。优选地，耐磨垫26在钻杆10上居中地定位。此外，通过使用常规的方法，本领域技术人员可以容易地将钻具附接到钻柱内、或将钻杆10并入到钻柱内，以用于井下作业。
[0034]制造具有整体式耐磨垫的标准重暈钻杆的方法
[0035]继续参考附图，本发明还提供一种制造工艺，用于制备具有整体式耐磨垫26的标准重量钻杆10。
[0036]在一个优选的实施例中，本发明的方法通过将两个墩锻部22、24同心地接合在一起而形成具有整体式耐磨垫26的钻杆10。在另一优选的实施例中，本发明的方法通过在墩锻部22、24之间同心地并入第三管状构件34而提供具有整体式耐磨垫26的钻杆。第三管状构件34可以是，例如，一段短的钻杆柄或者由彼此螺纹连接的外、内螺纹钻杆接头所形成的管件。在又一优选的实施例中，第三管状构件34可以是一段短的管件，其具有锻造或机加工到管件外表面上的耐磨垫。
[0037]在一种优选的方法中，本发明利用被称为镦锻的锻造工艺。通常实施为在钻杆的各端上形成用于钻具或接头的安装点，这一热锻造工艺在钻杆10的处于镦锻部位置的端部处增加壁厚并且使基体材料的晶粒结构细化。在钻杆的端部上产生镦锻部的方法是本领域技术人员所公知的，本文将不再讨论。关于镦锻工艺的一个例子，请参阅第4192167号美国专利，该公开以参考的方式并入本文。
[0038]在一个优选的实施例中，本发明的方法包括在第一钻杆主体16a的端部上提供第一镦锻部22的步骤。所述方法还在第二钻杆主体16b的端部上提供第二镦锻部24。如本领域技术人员所公知，镦锻工艺通过纵向地压缩钻杆来增加钻杆端部的壁厚，藉此在钻杆端部的镦锻部区域中重新分配钻杆的基体材料。所产生的镦锻部22、24具有与钻杆主体16原来的孔18基本一致的内部孔18a。因此，孔18和孔18a的内径(C)基本相等。但是，每个镦锻部22、24的外径(J)均超过钻杆主体16的外径(A)。
[0039]在镦锻部22、24形成之后，所述方法通过将各镦锻部焊接至彼此而同心地接合镦锻部22、24。所得到的钻杆10在整个耐磨垫26和整个钻杆10上始终呈现一致的机械性能。本发明的方法考虑了诸如(但不限于)摩擦焊、惯性焊、闪光焊、螺柱焊和埋弧焊等焊接技术。
[0040]优选的实施例使用惯性焊接工艺，来生产具有整体式耐磨垫26的钻杆10。作为适合于将钻杆接头和其他类似部件固定至由钻杆所带的镦锻部的技术，惯性焊接是本领域技术人员所公知的。因此，用于惯性焊接的设备和技术也是本领域技术人员公知的。
[0041]参考图4，替代性实施例也使用常规的惯性焊接工艺，来将第三管状构件34的第一端同心地接合至镦锻部22或镦锻部24。在该特定实施例中，第三管状构件34可以是一段短的钻杆柄，其具有与镦锻部22、24的外径(J)基本一致的外径(B)。第三管状构件34也可以是一段短的管件，具有外径(B)的耐磨垫锻造或机加工到所述管件在两端之间的外表面上。在任一构造中，第三管状构件34的每一端均具有与镦锻部22、24的横截面厚度和外径基本一致的相应的横截面厚度和外径。[0042]将第三管状构件34并入到改进的钻杆10中的方法，可利用惯性焊接步骤将第三管状构件34固定至镦锻部22和24。替代性地，所述方法使用惯性焊接将管状构件34的第一端固定至一个镦锻部22或24，进而使用埋弧焊接将管状构件34的第二端固定至余下的镦锻部22或24。然而，能够在部件之间提供所需的结合、而同时提供所需的冶金特性的任何焊接工艺，都可被两个焊接步骤所接受。
[0043]使用埋弧焊接将管状构件34固定至镦锻部之一 22或24的方法，优选地包括于焊接前在管状构件34的第二端与未固定的镦锻部22或24之间形成焊缝坡口(weldinggroove) 74的步骤。使用焊缝坡口 74将提高各焊接部件之间的结合的完整性。
[0044]提供焊缝坡口 74，需要在未固定的镦锻部22或24以及管状构件34的第二端上都形成台阶88。优选地，台阶88使用单独的铰削工艺而形成，所述铰削工艺在钻杆柄16和管状构件34的整个孔18上纵向延伸。这些铰削步骤可发生在制造所述改进的钻杆10期间或之前的任何时候。铰削工艺在钻杆柄16内、距入口 80为长度(H)处终止，所述入口 80对应于由未固定的镦锻部22或24所限定的端部。在管状构件34内，铰削工艺在管状构件34的第二端内距入口 80长度(H)处终止。因此，长度(H)限定每个台阶88的轴向长度。彼此配合时，各台阶88提供平台100，所述平台充当焊缝坡口 74的底部并能避免焊接过度渗入到孔18内。
[0045]为提供焊缝坡口 74的壁，在管状构件34的第二端和未固定的镦锻部22或24的面84内机加工半径部92。随后，对管状构件34的第二端和未固定的镦锻部22或24的面84进行机加工，以提供斜面96，所述斜面96以与每个面84成约15度至20度的角度而与每个半径部92相交。其后，将管状构件34与未固定的镦锻部22或24同心地抵接在一起，提供具有平台100的焊缝坡口 74。台阶88、每个半径部92和每个斜面96限定焊缝坡口 74。
[0046]每个面84由垂直于每个孔18的轴线所取的截面限定。每个台阶88具有从每个孔18的内表面向内延伸的高度(G)，以及从每个入口 80延伸到每个孔18内的长度(H)。台阶88的高度(G)在约0.0625英寸至约0.1875英寸之间，台阶88的长度(H)在约0.1875英寸至0.3125英寸之间。针对在每个入口 80处的长度(H)，台阶88的高度(G)提供约0.125英寸至约0.325英寸之间的内径，其小于成品的孔18的内径(C)。优选地，通过在孔18的与入口 80相反的端部处开始向外扩大每个孔18至内径(C)并在距入口 80的距离等于长度(H)处停止，而对台阶88进行机加工。以该方式机加工台阶88，要求孔18具有比成品内径(C)小至少两倍高度(H)的未完工的内径。以该方式，如上述的向外扩大孔18将使台阶88围绕孔18的内圆周具有高度(G)和长度(H)。
[0047]因此，焊缝坡口 74有助于在每个面84的整个横截面厚度上施加统一的焊缝。在将第三管状构件34的第二端焊接至未固定的镦锻部22、24之后，优选地通过完成扩大孔18至内径(C)来去除平台100。优选地，在施加焊缝至焊缝坡口 74之前，该方法还将第三管状构件34和镦锻部22或24预热至约350华氏度到约450华氏度的温度。此外，在施加焊缝期间，该方法施加雾气至每个孔18。
[0048]在利用惯性焊接工艺的实施例中，将第一钻杆主体16a固定在防止其旋转运动的夹具中，而将第二钻杆主体16b安装至惯性焊接设备内的芯轴或其它合适的支撑件。钻杆主体16a、16b被安装成使镦锻部22和24彼此相对且同心。在进行焊接步骤之前，优选地使镦锻部22和24在一起，以确保其直接对齐、并进行达到所述直接对齐的任何必要的调整。随后,惯性焊接机转动钻杆主体16，并将镦锻部24移动至与镦锻部22直接接触。由惯性焊接机施加的旋转速率和压力会产生足够的热，来将镦锻部22焊接至镦锻部24。所得到的焊缝为均匀的固态焊缝，其从内部孔18a到所产生的耐磨垫26的外表面具有一致的特性。因此，镦锻部22、24的彼此配合与焊接，在所得到的钻杆10上产生整体式耐磨垫26。所产生的耐磨垫26具有大体对应于原镦锻部22和24的尺寸。
[0049]实施该实施例的合适的惯性焊机,包括但不限于制造技术公司(ManufacturingTechnology Inc.，美国印第安纳州46628南本德市西华盛顿路1702号)所售的型号为300BX和400BX的惯性焊机。
[0050]力常数、转动速率和焊接压力，可随着惯性焊接机型号的不同以及相同型号下惯性焊接机的不同而不同。例如，用于产生惯性焊接的力常数或WK2可在每31平方英寸焊缝约45560至每6平方英寸焊缝约8560的范围内。钻杆主体16的转动速率可在每31平方英寸焊缝约757转每分钟至每6平方英寸焊缝约778转每分钟的范围内。惯性焊接机具有作用在由钻杆主体16b所带的墩锻部24上抵抗由钻杆主体16a所带的墩锻部22的焊接压力，该焊接压力在每6平方英寸焊缝约196磅每平方英寸至每31平方英寸焊缝约987磅每平方英寸的范围内。更优选地，惯性焊接工艺的压力将从每6平方英寸焊缝约686磅每平方英寸逐渐增加至每31平方英寸焊缝约3456磅每平方英寸。
[0051]在具有整体式耐磨垫26的钻杆10形成之后，可选地向外扩大孔18a，以确保基本一致的内部孔18贯穿钻杆10。将与所焊接的墩锻部22、24对应的区域向外扩大的步骤，能去除由焊接步骤所产生的任何多余的熔渣。此外，可选地，耐磨垫26的外径可机加工成提供平滑的、基本一致的外径(B)。
[0052]在焊接及其后的机加工步骤之后，本发明的方法进一步对所得到的钻杆10从内部和外部进行热处理。热处理步骤围绕钻杆10的整个长度进行，并避免在焊接作业期间形成任何热影响区。热处理步骤产生与钻杆接头的硬度大体对应的硬度，即在约20HRC至约38HRC范围内的硬度。优选的热处理工艺包括以下步骤:(I)在约1650华氏度的温度下奥氏体化处理；(2)水淬火至环境温度或约72华氏度；以及(3)在约1050至1200华氏度的温度下回火。
[0053]在热处理步骤之后，钻杆10 (现已具有整体式耐磨垫26)已准备好进行如在井下环境中使用所要求的进一步修改。在热处理之前，优选的实施例将连接钻杆接头(未示出)用的常规墩锻部(未示出)放置在钻杆10的每一端上，并将可选的耐磨带层40添加至耐磨垫26。
[0054]在一个优选的实施例中，耐磨带在各墩锻部彼此接合的步骤之后被施加至墩锻部22和24。在另一优选的实施例中，耐磨带层40在构件34焊接于墩锻部22和24间之前被施加至管状构件34。一般而言，添加耐磨带材料的步骤，可发生在制造过程期间的任何适宜的时候。此外，钻杆10的寿命可通过在区域内施加或再施加耐磨带而延长。
[0055]添加耐磨带层的方法是本领域技术人员所公知的。一般而言，这一步骤要求将硬化的圆周工具钢丝带焊接至耐磨垫26的外圆周表面。通常，会使用诸如金属惰性气体(MIG)保护焊的焊接工艺，来将耐磨带材料固定至耐磨垫26。在优选的实施例中，耐磨垫26的第一外端部26a和第二外端部26b每个都接纳耐磨带。
[0056]在又一实施例中，本发明的方法包括产生具有由外、内螺纹钻杆接头形成的整体式耐磨垫26的钻杆10的步骤。本实施例包括在第一钻杆主体16a上形成第一墩锻部22的步骤。本实施例还在第二钻杆主体16b上形成第二墩锻部24。在该特定实施例中，墩锻部22和24适宜地形成为连接常规的外螺纹钻杆接头68和内螺纹钻杆接头70。
[0057]在墩锻部22和24形成之后，本实施例将前述的热处理步骤应用至钻杆主体16a、16b、以及常规的外螺纹钻杆接头68和内螺纹钻杆接头70。优选地，外螺纹钻杆接头68和内螺纹钻杆接头70具有锥度在约0.250至2.000英寸每英尺之间的螺纹连接，以及在外螺纹钻杆接头68的梢端上的反转的角向扭矩台肩(如图7所示)。本实施例的外螺纹钻杆接头68和内螺纹钻杆接头70具有彼此基本相等的外径(B)，其比钻杆主体16a和16b的外径(A)大至少0.5000英寸。热处理之后，该优选的实施例还包括将墩锻部22同心地焊接至内螺纹钻杆接头70、以及将墩锻部24同心地焊接至外螺纹钻杆接头68的步骤。将墩锻部22,24焊接至内、外螺纹钻杆接头70、68的步骤，优选使用惯性焊接工艺。
[0058]参考图7，在将钻杆接头70、68焊接至墩锻部22、24之后，该优选的实施例还包括将外螺纹钻杆接头68螺纹连接至内螺纹钻杆接头70，以及永久地固定外、内螺纹钻杆接头68,70间连接的步骤。优选地，外、内螺纹钻杆接头68、70的配合围绕其外圆周留出焊缝坡口 72。坡口 72允许施加焊缝，藉此将外螺纹钻杆接头68永久地固定至内螺纹钻杆接头70。优选地，坡口 72具有约0.500英寸至约1.000英寸范围内的深度以及约0.375英寸至约
1.000英寸范围内的宽度。对该特定实施例而言，形成坡口 72的任何公知方法已足够。本发明的方法还想到使用诸如横向钻孔的公知技术并施加螺纹锁固剂，来永久地固定外螺纹钻杆接头68到内螺纹钻杆接头70的连接。
[0059]用焊缝将外螺纹钻杆接头68永久地固定至内螺纹钻杆接头70的优选实施例，还包括以下步骤:(I)在将焊缝施加至焊缝坡口 72之前，将外螺纹钻杆接头68和内螺纹钻杆接头70预热至约350华氏度到450华氏度之间的温度；以及(2)在施加焊缝期间，将水雾施加至外螺纹钻杆接头68和内螺纹钻杆接头70的孔18。
[0060]焊接连接外螺纹钻杆接头68和内螺纹钻杆接头70之后，该优选实施例包括用局部热处理消除焊接区域应力的步骤。应力消除包括以下步骤:(I)在约10分钟到约30分钟内，使焊接的接头升温至约1250华氏度到约1300华氏度之间的温度，优选地至约1275华氏度；以及(2)在静止空气中冷却。应力消除步骤的完成，提供具有整体式耐磨垫26的钻杆10，所述耐磨垫26通过外、内螺纹钻杆接头68、70的连接而形成。
[0061]应力消除步骤之后，可将耐磨带层40施加至耐磨垫26。优选地，耐磨垫26的第一外端部26a和第二外端部26b每个均接收两个耐磨带层40。
[0062]通过研究本文所公开的本发明的详细说明或具体实施，当前发明的其它实施例对本领域技术人员而言将显而易见。因此，前述说明仅被认为是本发明的示例，而本发明的真正的范围和精神由以下权利要求所限定。
【权利要求】
1.一种在井下环境中使用的耐磨损钻杆，包括: 标准重量钻杆主体，其具有至少一个整体式耐磨垫。
2.如权利要求1所述的耐磨损钻杆，还包括在所述耐磨垫上的耐磨带层。
3.如权利要求1所述的耐磨损钻杆，其中所述耐磨垫具有比标准重量钻杆主体大至少0.5英寸的外径。
4.如权利要求1所述的耐磨损钻杆，其中所述耐磨垫具有约2英寸至约24英寸之间的长度。
5.如权利要求1所述的耐磨损钻杆，其中所述耐磨垫具有约10英寸至约14英寸之间的长度。
6.如权利要求1所述的耐磨损钻杆，其中所述耐磨垫具有约4英寸至约8英寸之间的外径。
7.如权利要求1所述的耐磨损钻杆，其中所述耐磨垫具有约I英寸至约1.500英寸之间的横截面厚度。
8.如权利要求1所述的耐磨损钻杆,其中所述耐磨垫包括标准重量钻杆主体的基体材料制成的再分配部分。
9.如权利要求1所述的耐磨损钻杆，还包括至少一对锥形部，所述锥形部提供从标准重量钻杆主体的外径到耐磨垫的外径的过渡，其中每个锥形部具有约0.5英寸至约6英寸之间的轴向长度以及约15度至约25度之间的角度倾斜。
10.如权利要求9所述的耐磨损钻杆，其中每个锥形部具有平行于其角度倾斜而定向的冶金晶粒结构。
11.如权利要求1所述的耐磨损钻杆，其中所述耐磨垫在耐磨损钻杆的每个纵向端部之间居中地定位。
12.如权利要求1所述的耐磨损钻杆，其中所述耐磨垫具有与标准重量钻杆主体的机械性能基本相同的机械性能。
13.如权利要求1所述的耐磨损钻杆，还包括中心孔，其中所述中心孔穿过整个耐磨损钻杆具有基本一致的内径。
14.一种在井下环境中使用的耐磨损钻杆，包括: 具有至少一个整体式耐磨垫的标准重量钻杆主体，其中所述耐磨垫具有比标准重量钻杆主体大至少约0.5英寸的外径。
15.如权利要求14所述的耐磨损钻杆，其中所述耐磨垫具有与标准重量钻杆主体的机械性能基本相同的机械性能。
16.如权利要求14所述的耐磨损钻杆，其中所述耐磨垫包括标准重量钻杆主体的基体材料制成的再分配部分。
17.如权利要求14所述的耐磨损钻杆，还包括至少一对锥形部，所述锥形部提供从标准重量钻杆主体的外径到耐磨垫的外径的过渡，其中每个锥形部具有与其角度倾斜平行的冶金晶粒结构。
18.如权利要求14所述的耐磨损钻杆，其中所述耐磨垫具有约2英寸至约24英寸之间的长度。
19.如权利要求14所述的耐磨损钻杆，其中所述耐磨垫具有约10英寸至约14英寸之间的长度。
20.一种在井下环境中使用的耐磨损钻杆，包括: 具有至少一个整体式耐磨垫的标准重量钻杆主体，其中所述耐磨垫具有比标准重量钻杆主体大至少约0.5英寸的外径，并且其中所述耐磨垫具有与标准重量钻杆主体的机械性能基本相同的机械性能。
21.如权利要求20所述的耐磨损钻杆，其中标准重量钻杆主体所包含的基体材料具有基本平行于至少一对锥形部流动的晶粒结构，所述至少一对锥形部定位在标准重量钻杆主体的外径和耐磨垫的外径之间。
22.如权利要求20所述的耐磨损钻杆，其中所述耐磨垫包括标准重量钻杆主体的基板材料制成的再分配部分。
23.如权利要求20所述的耐磨损钻杆，其中所述耐磨垫具有约10英寸至约14英寸之间的长度。
24.一种制造在井下环境中使用的耐磨损钻杆的方法，包括: 墩锻第一标准重量钻杆的端部，所述第一标准重量钻杆具有外径，藉此提供第一墩锻部，其具有比第一标准重量钻杆的外径大的外径；` 墩锻第二标准重量钻杆的端部，所述第二标准重量钻杆具有外径，藉此提供第二墩锻部，其具有比第二标准重量钻杆的外径大的外径，其中所述第二墩锻部的外径基本等于第一墩锻部的外径；以及 将第一墩锻部接合至第二墩锻部，其中所述第一标准重量钻杆保持与第二标准重量钻杆基本同心，藉此在所得到的耐磨损钻杆上形成整体式耐磨垫，所述耐磨垫具有与第一和第二墩锻部的外径基本相等的外径。
25.如权利要求24所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中接合第一和第二墩锻部的步骤使用从惯性焊接工艺和摩擦焊接工艺组成的群组中选择的工艺。
26.如权利要求24所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中墩锻的步骤形成墩锻部，所述墩锻部具有比第一和第二标准重量钻杆中每个的外径大至少0.5英寸的外径。
27.如权利要求24所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中所述耐磨垫具有约2英寸至约24英寸之间的长度。
28.如权利要求24所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中所述耐磨垫在所述耐磨损钻杆上居中地定位。
29.如权利要求24所述的制造耐磨损钻杆的方法，还包括以下步骤: 在第一和第二墩锻部之间同心地接合第三管状构件，所述第三管状构件在第一和第二墩锻部之间的接合会在所得到的耐磨损钻杆上提供整体式耐磨垫，所述耐磨垫具有与第一和第二墩锻部的外径基本相等的外径。
30.如权利要求29所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中所述第三管状构件从一段钻杆柄和管件组成的群组中选择，且所述管件通过将外螺纹钻杆接头和内螺纹钻杆接头彼此螺纹连接而形成。
31.如权利要求29所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中所述第三管状构件使用从惯性焊接工艺和摩擦焊接工艺组成的群组中选择的工艺、同心地接合至第一和第二墩锻部中的每个。
32.如权利要求29所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中在将所述第三管状构件的第二端接合至第二墩锻部之前，将第三管状构件的第一端同心地接合至第一墩锻部。
33.如权利要求24所述的制造耐磨损钻杆的方法，还包括将所得到的耐磨损钻杆热处理至硬度范围为约20HRC到约38HRC的步骤。
34.一种制造在井下环境中使用的耐磨损钻杆的方法，包括: 墩锻第一标准重量钻杆的端部，所述第一标准重量钻杆具有外径，藉此提供第一墩锻部，其具有比第一标准重量钻杆的外径大的外径； 墩锻第二标准重量钻杆的端部，所述第二标准重量钻杆具有外径，藉此提供第二墩锻部，其具有比第二标准重量钻杆的外径大的外径，其中所述第二墩锻部的外径基本等于第一墩锻部的外径； 提供具有第一端和第二端的第三管状构件，所述第三管状构件具有与第一和第二墩锻部的外径基本相等的外径； 将第一墩锻部接合至第三管状构件的第一端，其中第一标准重量钻杆保持与第三管状构件基本同心；以及 将第二墩锻部接合至第三管状构件的第二端，其中第二标准重量钻杆保持与第三管状构件及第一标准重量钻杆基本同心，将第一和第二墩锻部接合至第三管状构件，藉此限定整体式耐磨垫，所述整体式耐磨垫具有与第一和第二墩锻部的外径基本相等的外径。
35.如权利要求34所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中所述第三管状构件使用惯性焊接工艺同心地接合至第一和第二墩锻部中的每个。
36.如权利要求34所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中墩锻的步骤形成各墩锻部，所述墩锻部具有比第一和第二标准重量钻杆中每个的外径大至少0.5英寸的外径。
37.如权利要求34所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中所述耐磨垫具有约2英寸至约24英寸之间的长度。
38.如权利要求34所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中墩锻的步骤形成各锥形部，所述锥形部提供从第一和第二标准重量钻杆中每个的外径到耐磨垫的外径的过渡，其中锥形部中的每个具有约0.5英寸至约6英寸之间的轴向长度以及约15度至约25度之间的角度倾斜。
39.如权利要求34所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中所述耐磨垫在所述耐磨损钻杆上居中地定位。
40.如权利要求34所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中所述第三管状构件从一段钻杆柄和管件组成的群组中选择，且所述管件通过将外螺纹钻杆接头和内螺纹钻杆接头彼此螺纹连接而形成。
41.如权利要求34所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中在将所述第三管状构件的第二端接合至第二墩锻部之前，将第三管状构件的第一端同心地接合至第一墩锻部。
42.如权利 要求34所述的制造耐磨损钻杆的方法，还包括将所得到的耐磨损钻杆热处理至硬度范围为约20HRC到约38HRC的步骤。
43.如权利要求34所述的制造耐磨损钻杆的方法，还包括以下步骤: 将所述第二墩锻部和所述第三管状构件的所述第二端同心地抵接在一起，藉此形成具有平台的焊缝坡口，其中所述焊缝坡口被由所述第二墩锻部所带的台阶、斜面和半径部以及由所述第三管状构件所带的台阶、斜面和半径部限定；以及 将焊缝施加至焊缝坡口，藉此接合第三管状构件的第二端与第二墩锻部。
44.如权利要求43所述的制造耐磨损钻杆的方法，还包括以下步骤: 在将焊缝施加至焊缝坡口之前，将第三管状构件和第二墩锻部预热至约350华氏度到约450华氏度之间的温度；以及 在施加焊缝期间，将水雾施加至第三管状构件和第二墩锻部的孔。
45.一种制造在井下环境中使用的耐磨损钻杆的方法，包括: 墩锻第一标准重量钻杆主体的端部； 墩锻第二标准重量钻杆主体的端部； 将第一墩锻部同心地连接至外螺纹钻杆接头，并将第二墩锻部同心地连接至内螺纹钻杆接头； 将外螺纹钻杆接头螺纹连接至内螺纹钻杆接头，藉由外螺纹钻杆接头到内螺纹钻杆接头的连接而形成耐磨垫；以及 永久地紧固从外螺纹钻杆接头到内螺纹钻杆接头的连接。
46.如权利要求45所述的制造耐磨损钻杆的方法，还包括以下步骤: 围绕在外螺纹钻杆接头与内螺纹钻杆接头之间的圆周配合表面，形成焊缝坡口 ；以及 将焊缝施加至焊缝坡口，藉此永久地紧固从外螺纹钻杆接头到内螺纹钻杆接头的螺纹连接。
47.如权利要求45所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中将第一墩锻部连接至外螺纹钻杆接头以及将第二墩锻部连接至内螺纹钻杆接头的步骤，使用从惯性焊接工艺和摩擦焊接工艺组成的群组中选择的工艺。
48.如权利要求45所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中外螺纹钻杆接头和内螺纹钻杆接头每个均具有彼此基本相等的外径，所述外径比第一钻杆主体和第二钻杆主体中每个的外径大至少0.5英寸。
49.如权利要求45所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中所述耐磨垫在所述耐磨损钻杆上居中地定位。
50.如权利要求45所述的制造耐磨损钻杆的方法，还包括对所得到的耐磨损钻杆进行应力消除的步骤。
51.如权利要求45所述的制造耐磨损钻杆的方法，还包括将带有第一墩锻部的第一标准重量钻杆、带有第二墩锻部的第二标准重量钻杆、外螺纹钻杆接头和内螺纹钻杆接头进行热处理至硬度在约20HRC到约38HRC之间的步骤。
52.如权利要求51所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中热处理步骤发生在将第一墩锻部连接至外螺纹钻杆接头以及将第二墩锻部连接至内螺纹钻杆接头的步骤之前。
53.如权利要求46所述的制造耐磨损钻杆的方法，还包括以下步骤: 在将焊缝施加至焊缝坡口之前，将外螺纹钻杆接头和内螺纹钻杆接头预热至约350华氏度到约450华氏度之间的温度；以及 在施加焊缝期间，将水雾施加至外、内螺纹钻杆接头内的孔。
54.一种制造在井下环境中使用的耐磨损钻杆的方法，包括: 墩锻具有第一外径的第一标准重量钻杆主体的端部，藉此提供具有第二外径的第一墩锻部； 墩锻具有第一外径的第二标准重量钻杆主体的端部，藉此提供具有第二外径的第二墩锻部，其中所述第二墩锻部的第二外径与第一墩锻部的第二外径基本相等； 提供第三管状构件，其包括具有第三外径的耐磨垫、具有第四外径的第一端、和具有第四外径的第二端，其中所述第三管状构件的第一端和第二端的第四外径彼此基本相等，并且基本等于第一和第二墩锻部的第二外径，并且其中所述耐磨垫的第三外径大于第一和第二标准重量钻杆的第一外径以及第一和第二墩锻部的第二外径，并且其中所述耐磨垫定位在第三管状构件的第一端和第二端之间； 将第一墩锻部接合至第三管状构件的第一端，其中使第一标准重量钻杆保持与第三管状构件基本同心；以及 将第二墩锻部接合至第三管状构件的第二端，其中使第二标准重量钻杆保持与第三管状构件和第一标准重量钻杆基本同心。
55.如权利要求54所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中使用惯性焊接工艺将第三管状构件同心地接合至第一和第二墩锻部中的每个。
56.如权利要求54所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中所述耐磨垫的第三外径比第一和第二标准重量钻杆的每一个的第一外径大至少0.5英寸。
57.如权利要求54所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中所述耐磨垫具有约2英寸至约24英寸的长度。
58.如权利要求54所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中所述耐磨垫具有至少一对锥形部，所述锥形部提供从第一和第二墩锻部中每个的第二外径到耐磨垫的第三外径的过渡，其中锥形部中的每个均具有约0.5英寸至约6英寸之间的轴向长度以及约15度至约25度之间的角度倾斜。
59.如权利要求54所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中所述耐磨垫在所述耐磨损钻杆上居中地定位。
60.如权利要求54所述的制造耐磨损钻杆的方法，其中在将所述第三管状构件的第二端接合至第二墩锻部之前，将第三管状构件的第一端同心地接合至第一墩锻部。
61.如权利要求54所述的制造耐磨损钻杆的方法，还包括将所得到的耐磨损钻杆热处理至硬度范围为约20HRC到约38HRC的步骤。
62.如权利要求54所述的制造耐磨损钻杆的方法，还包括以下步骤: 将所述第二墩锻部和所述第三管状构件的所述第二端同心地抵接在一起，藉此形成具有平台的焊缝坡口，其中所述焊缝坡口被由所述第二墩锻部所带的台阶、斜面和半径部以及由所述第三管状构件所带的台阶、斜面和半径部限定；以及 将焊缝施加至焊缝坡口，藉此接合第三管状构件的第二端与第二墩锻部。
63.如权利要求62所述的制造耐磨损钻杆的方法，还包括以下步骤: 在将焊缝施加至焊缝坡口之前，将第三管状构件和第二墩锻部预热至约350华氏度到约450华氏度之间的温度；以及 在施加焊缝期间，将水雾施加至第三管状构件和第二墩锻部的孔。
【文档编号】E21B17/10GK103781988SQ201180057718
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2011年3月14日 优先权日:2011年3月14日
【发明者】T·H·昂, R·G·加尔扎, A·J·艾伦, R·T·摩尔 申请人:旋转钻井工具美国公司