钻铤的制作方法

本发明涉及油气井钻井技术领域，特别是涉及一种钻铤。

背景技术：

钻铤是底部钻具组合(bha)的主要组成部分之一，是保证钻头按照预定井眼轨道平稳工作的重要部件。

在现有技术中，钻铤多采用钢等材料制成。虽然这种钻铤能够在一定程度上增加钻头工作的平稳性，但是目前钻头工作的平稳性依然不足。例如在坚硬地层、软硬交错地层、含砾地层等复杂地层中，容易诱发井下振动，造成钻头牙齿或切削齿的先期损坏、钻具疲劳破坏。但是，井眼尺寸都是非常有限的，在这种情况下，难以通过对常规钻铤进行几何形状的改进来提高钻井作业的稳定性。

因此，需要一种能够进一步提高钻井作业的稳定性的钻铤。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出了一种能够提高钻井稳定性的钻铤。

根据本发明提出了一种钻铤，该钻铤包括筒状的钻铤主体，所述钻铤主体的密度在8.8g/cm³至22.6g/cm³之间，和/或所述钻铤主体的弹性模量在250gpa至540gpa之间，和/或所述钻铤主体的剪切模量在97gpa至280gpa之间。

通过这种钻铤，能够在不改变钻铤的整体尺寸的前提下提高抗弯稳定性与旋转稳定性，并由此提高钻井作业的稳定性。

在一个实施例中，所述钻铤主体的密度在12.5g/cm³至19.3g/cm³之间。

在一个实施例中，所述钻铤主体的密度在16.0g/cm³至18.6g/cm³之间。

在一个实施例中，所述钻铤主体的弹性模量在300gpa至410gpa之间。

在一个实施例中，所述钻铤主体的弹性模量在260gpa至380gpa之间。

在一个实施例中，所述钻铤主体的剪切模量在110gpa至150gpa之间。

在一个实施例中，所述钻铤主体的剪切模量在100gpa至141gpa之间。

在一个实施例中，所述钻铤主体包含镍，镍的含量在1wt％至15wt％之间，优选地，在1wt％至11wt％之间，更优选地，在1wt％至7wt％之间。

在一个实施例中，所述钻铤主体包含钨，钨的含量在78wt％至99wt％之间，优选地，在85wt％至99wt％之间，更优选地，在90wt％至99wt％之间。

在一个实施例中，所述钻铤主体包含铁，铁的含量在0.5wt％至10wt％之间，优选地，在0.5wt％至5wt％之间，更优选地，在0.5wt％至3wt％之间，和/或所述钻铤主体包含铜，铜的含量在在0.5wt％至10wt％之间，优选地，在0.5wt％至5wt％之间，更优选地，在0.5wt％至3wt％之间。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过这种钻铤，能够在不改变钻铤的整体尺寸的前提下提高钻井作业的稳定性。

附图说明

在下文中参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了根据本发明的钻铤的一个实施例的结构示意图；

图2-4显示了根据本发明的钻铤的替代实施例的结构示意图。

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绘制。

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，钻铤100包括大体上呈圆柱形的中空的钻铤主体101，以及分别设置在钻铤主体101的两端处的上游接头(例如，内螺纹)102和下游接头(例如，外螺纹)103。在将钻铤100组装到钻具中时，上游接头102更加靠近井口，下游接头103更加接近井底。在如图1所示的实施方案中，上游接头102和下游接头103与钻铤主体101一体成形。然而应当理解的是，上游接头102和下游接头103也可与钻铤主体101分别制造，并通过螺纹连接等方式而连接在一起。

在一个实施方案中，该钻铤主体101的密度约在8.8g/cm³至22.6g/cm³之间，弹性模量约在250-540gpa之间，剪切模量约在100-280gpa之间。与现有的相同尺寸钢制钻铤相比，该钻铤重量提高了约0.12-1.88倍、弹性模量提高了约0.20-1.62倍、剪切模量提高了约0.25-2.5倍。相应地，避免钻铤正弦屈曲的最大钻压提高了约0.16-1.75倍，相同条件下钻铤扭转应变能降低了约20.6％-71.7％，根据实验与现场实践，钻井作业的工作稳定性得到了提高。

优选地，该钻铤主体101的密度在约12.5g/cm³至19.3g/cm³之间，弹性模量在约300-410gpa之间，剪切模量约为110-150gpa。与现有的相同尺寸钢制钻铤相比，该钻铤重量提高了约0.60-1.46倍、弹性模量提高了约0.46-1.0倍、剪切模量提高了约0.38-0.89倍。相应地，避免钻铤正弦屈曲的最大钻压提高了约0.52-1.21倍，根据实验与现场实践，相同条件下钻铤扭转应变能降低了约27.8％-47.1％，钻井作业的工作稳定性得到了提高。

在一个实施例中，可通过选择钻铤主体101的材料来改变其重量、抗弯刚度与抗扭刚度。例如，钻铤主体101可选用钨镍铁合金等材料。采用钨镍铁合金制得的钻铤主体101的密度约在12.5g/cm³至18.9g/cm³之间，弹性模量约在300-400gpa之间，剪切模量约在110-150gpa之间。采用该材料制得的钻铤主体具有提高钻铤重量、提高钻铤失稳临界载荷、减低钻具与钻头振动、预防井斜等优势。

在一个实施例中，钻铤主体101可选用钨镍铜合金等材料。采用钨镍铜合金制得的钻铤主体101的密度约在12.5g/cm³至18.9g/cm³之间，弹性模量约在300-400gpa之间，剪切模量约在110-150gpa之间。采用该材料制得的钻铤主体具有提高钻铤重量、提高钻铤失稳临界载荷、减低钻具与钻头振动、预防井斜、提供无磁环境等优势。

下面将通过对比例和实施例来进一步说明剪切模量对钻井稳定性的影响，以及本发明的钻铤100的优势。

对比例

一种钻铤，其钻铤主体由现有的普通合金钢材(aisi4145h铬钼合金钢)制成。该钻铤的密度约为7.85g/cm³，弹性模量约为206gpa，剪切模量约为79gpa。

实施例1

一种钻铤，其钻铤主体由包含85w-10.5ni-4.5fe的材料制成。该钻铤的密度约为16.0g/cm³，弹性模量约为260gpa，剪切模量约为97gpa。

实施例2

一种钻铤，其钻铤主体由包含90w-7ni-3fe的材料制成。该钻铤的密度约为17.1g/cm³，弹性模量约为310gpa，剪切模量约为115gpa。

实施例3

一种钻铤，其钻铤主体由包含93w-4.9ni-2.1fe的材料制成。该钻铤的密度约为17.6g/cm³，弹性模量约为340gpa，剪切模量约为126gpa。

实施例4

一种钻铤，其钻铤主体由包含97.1w-1.4ni-0.7fe-0.8co的材料制成。该钻铤的密度约为18.6g/cm³，弹性模量约为380gpa，剪切模量约为140gpa。

以外径228.6mm、内径76.2mm钻铤，直径311.2mm直井眼，钻井液密度1.2g/cm³，扭矩10kn·m为例，进行不同材料所制造的钻铤的实验参数对比分析。其结果如下表。

上述直井正弦屈曲临界载荷指的是直井眼中钻具结构开始发生正弦屈曲的特定轴向载荷。当载荷达到屈曲临界值时，结构构形将突然跳到另一个随遇的平衡状态。若屈曲变形呈正弦曲线则为正弦屈曲，屈曲变形呈螺旋曲线则为螺旋屈曲；在无约束情况下，屈曲是一个构件还没有达到屈服时就丧失承载力的过程，由于井眼的约束，钻柱发生屈曲后依然具有承载力。然而，这种屈曲会导致整个钻具的稳定性和钻井作业的安全性、可靠性大幅降低。

转动惯量又称质量惯性矩，是刚体绕轴转动时惯性的量度，在旋转动力学中的角色相当于线性动力学中的质量。

扭转应变能指的是钻柱扭转时以应变和应力的形式贮存在钻柱中的势能，扭转应变能的频繁积聚与释放是造成钻柱与钻头井下振动的重要原因。

由上文可知，本发明的密度约在8.8g/cm³至22.6g/cm³之间(例如，在16.0-18.6g/cm³之间)、弹性模量约在250gpa至540gpa之间(例如，在260-380gpa之间)、剪切模量约在97gpa至280gpa之间(例如，在97-141gpa)之间的钻铤主体101能够使得钻井作业的稳定性得到较高提升。这主要表现为钻铤重量、弹性模量、剪切模量、屈曲临界载荷、井斜后钻铤的钟摆力、旋转时的转动惯量等参数大幅增加，扭转应变能大幅降低，有利于底部钻具组合的运动稳定性，降低井下振动与井斜等复杂与风险的概率。

在图2至图4中显示了钻铤的一些替代实施方案。

如图2所示，钻铤200包括钻铤主体，该钻铤主体包括在径向上相互套设在一起的内套筒201和外套筒202。在一个实施例中，内套筒201由上述材料制成，该材料优选地包含钨，更优选地还包含镍；外套筒202由其他材料(例如，钢)制成。在另一个实施例中，外套筒202由上述材料制成，该材料优选地包含钨，更优选地还包含镍；内套筒201由其他材料(例如，钢)制成。

上述钻铤200能够提高钻井过程的稳定性，同时具有较好的成本效率。

如图3所示，钻铤300包括钻铤主体，该钻铤主体包括在径向上相互套设在一起的第一套筒301、第二套筒302和第三套筒303，其中第二套筒302位于第一套筒301和第三套筒303之间。第二套筒302可由上述材料制成，该材料优选地包含钨，更优选地还包含镍；第一套筒301和第三套筒303可由其他材料(例如，钢)制成。第一套筒301和第三套筒303可以由相同的材料制成，也可由不同的材料制成。在一个实施例中，第一套筒301和第三套筒303在一个端部处相连(例如，通过上游接头或下游接头或其他辅助连接部分)。由此，在第一套筒301和第三套筒303之间形成用于设置第二套筒302的空腔。在该空腔内填充第二套筒302。

如图4所示，钻铤400包括钻铤主体，该钻铤主体包括在径向上相互套设在一起的第一套筒401、第二套筒和第三套筒403，其中第二套筒位于第一套筒401和第三套筒403之间。该第二套筒包括沿纵向方向布置的第一填充体402a和第二填充体402b，在设置有多个第一填充体402a和/或多个第二填充体402b的情况下，相邻的第一填充体402a或第二填充体402b被第二填充体402b或第一填充体402a间隔开。在一个实施例中，第一填充体402a可由上述材料制成，该材料优选地包含钨，更优选地还包含镍。第二填充体402b、第一套筒401和第三套筒403由其他材料制成。它们可由相同的材料制成，也可由不同的材料制成。例如，可预先制造好第一套筒401和第二套筒402，然后根据具体的需要向其中设置第一填充体401a和第二填充体402b。针对此，可调节第一填充体401a和第二填充体402b的整体比例，以及各个第一填充体401a、第二填充体402b所占的相应高度。由此，不仅能根据具体需要来调整钻铤400的整体重量，并由此来调节包含钻铤400的钻具的重心位置，还能根据具体需要来调整钻铤400本身的重心位置。由此，更有利于提高钻井作业的稳定性。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。