[发明专利]一种新型轻质钻具

说明书

技术领域

本发明涉及石油钻井机械领域，特别涉及一种新型轻质钻具。 

背景技术

随着石油勘探开发的不断深入，深井和超深井的数量逐步增加，钻井深度越来越大，同时地面上承载钻杆的结构的承载能力是有限的，这样在钻深井时，就要求地面承载更大的重量，这也对承载结构也提出了跟大的考验，这些井中的钻柱承受着很高的拉伸应力和复杂交变应力作用，对钻柱设计提出了挑战，再加上井下复杂的工况和交变应力，因此对钻柱性能提出了更高要求。 

随着材料的加工工艺的进步，现在有很多的高强度钢材面世，它们具有比原有普通钢材更高的屈服极限，同时具有更好的耐腐蚀性，如何利用现有材料对现有钻杆结构进行减重设计，使得它们在保持原有优良性能的情况下，具有更轻的重量，这是工作的重点。 

为了提升超深井和水平井的钻井能力，从降低钻柱质量、扭矩和拖曳阻力等方面着手，采用新研制的高强度材料低碳锰-硅空冷贝氏体/马氏体复相钢来制造轻质钻具，因此需要结合材料的特性对钻杆进行重新设计，以减轻钻具的重量，并且还可以减少材料的使用。 

目前，现有普通钢质钻具在应用中主要存在以下几个问题： 

1、普通钢质钻具重量大，这无疑就增加了钻机井架的负荷与钻机动力端的负荷，因此极大的限制了钻井深度。

2、强度重力比低，制约大位移井、超深井和深定向井钻井能力的一个主要因素是钻具的强度重力比。 

3、抗疲劳特性、抗腐蚀性不够高。 

发明的内容

针对石油勘探开发钻井中普通钢质钻具重量大，强度重力比低，抗疲劳特性、抗腐蚀性低等缺陷，本发明提供一种轻质钻具，它由新研制的高强度材料低碳锰-硅空冷贝氏体/马氏体复相钢制做而成，极大的减小了每根钻杆的重量，从而减小钻井过程中整个钻柱的重量，针对材料的特性对钻杆的结构进行重新设计，以三寸半钻杆为例，钻杆壁厚减小为7.3mm，可以使整个钻具重量减轻20%～25％，材料的拉伸强度达到1500MPa，屈服强度为1200MPa，在井架本身的承载能力和绞车牵引能力不变的情况下使钻井深度加深，钻具具有更好的抗疲劳特性和抗腐蚀特性,提高了钻具的使用寿命。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用一种新研制的高强度材料低碳锰-硅空冷贝氏体/马氏体复相钢来制作钻杆，以减小钻杆的重量，同时对轻质钻杆的结构进行了重新设计，如附图所示，钻杆管体（1），钻杆管体的过渡段（2），钻杆接头在F处与钻杆管体（1）相连接，连接形式为摩擦焊接，钻杆接头带有内、外螺纹。重新设计后钻杆外径不变内径变大，钻杆壁厚减小，厚度小于或等于7.3mm，钻杆的过渡段区是整个结构中应力集中最严重的区域，通过有限元原理进行分析与优化，得出过渡段应力集中系数最小的设计参数，三寸半钻杆过渡段长度（L）≥100 mm，过渡段圆弧半径（R）≥300 mm，分析结果表明钻杆具有足够的结构强度，钻杆减重设计后仍能够满足现场工作要求。 

经过研究与分析，得出新型轻质钻具有以下优点： 

1、轻型钻具重量轻，屈服强度高，强度重量比高，设计后的钻具壁薄，可以减轻整个钻具重量的20％～25％。

2、由于钻具本身重量轻，在井架本身的承载能力和绞车牵引能力不变的情况下使钻井深度加深。 

3、具有更好的抗疲劳特性和抗腐蚀特性，增加了使用寿命。 

4、能有效减小起下钻过程中钻具在井内的摩擦阻力，同时钻具轻能够减小井架和钻机的负荷，在钻井的过程中能够减小转盘扭矩，从而减小转盘动力端载荷。 

5、减小柴油机的负荷，有效减小相关的设备磨损并延长设备的使用寿命及柴油的消耗，节约钻井成本。 

6、重量减轻后方便运输，可以减轻车辆运输中的负载。 

附图说明

附图为轻质钻杆管端结构示意图。 

图中，1—钻杆管体；2—钻杆管体的过渡段； L—钻杆过渡段长度；F—钻杆接头与钻杆管端焊接连接处；R-过渡段圆弧半径。 

具体实施方式    

参照说明书附图对本发明的轻质钻具的结构设计作以下详细说明。