[发明专利]钻柱连接件

说明书

发明背景

1.技术领域

本发明一般涉及一种螺纹式钻柱连接件。尤其是，本发明涉及一种钻具接头和由所述钻具接头将钻杆段和钻柱的其它元件从地面到钻头连接起来而形成的钻柱。特别是，本发明涉及一种用于高扭矩旋转钻井的具有内外装配台肩的钻具接头。

2.背景技术

深井(例如用于开发油气的深井)由钻柱旋转驱动的旋转钻头所钻成，所述钻柱包括底部钻具组合、一串钻杆、方钻杆或顶驱装置、以及与钻头相关的旋转钻柱上的相关设备。所述钻柱由单根钻杆部件构成，每一单根钻杆的长度约为30英尺。所述钻杆部件通过螺纹连接件(称作钻具接头，通常为1-1/2英尺长)被紧固在一起。所述钻具接头必须承受钻井期间遇到的正常扭矩，并且还提供防止沿钻杆向下泵送的钻井液泄漏出所述接头的密封件。由于钻井液的研磨，钻具接头的泄漏会产生磨损，这将导致提前失效。

常规的钻具接头(有时被称为API[美国石油学会]钻具接头)由阳端部件和阴端部件构成。所述阳端部件具有外螺纹和外部环形装配台肩。所述阴端部件具有内螺纹和配合靠在装配台肩上的缘或面。在常规的钻具接头中，阴端部件内没有用于与阳端部件的端部的鼻部或面接触的内台肩。当在地面装配所述工具接头部件时，它们通常会产生扭矩，该扭矩在有螺纹的截面内产生纵向应力，该应力约为阳端或阴端较弱部分的屈服强度的二分之一。

在钻水平井或大位移井时，或钻柱在井眼中卡钻时，钻井扭矩超过地面装配扭矩是可能的。当钻井扭矩超过地面装配扭矩时会产生另外的连接装配扭矩。所述另外的装配扭矩在所述连接件中产生较高的应力，该应力会超过阳端或阴端的屈服强度，从而引起井下失效。为了避免失效的可能，地面装配扭矩应当大于钻井扭矩。因此，钻杆钻具接头工业已经研制出了称作“双台肩钻具接头”的钻具接头，这种钻具接头具有比API钻具接头高的扭矩强度特征，其允许较高的地面装配扭矩。双台肩钻具接头不仅仅具有外装配台肩，还具有内装配台肩和使两个台肩在高扭矩条件下进行装配的尺寸。

如US2,532,632专利所述，双台肩钻具接头不仅仅具有外装配台肩，还具有内装配台肩和使两个台肩在高扭矩条件下进行装配的尺寸。一种双台肩钻具接头具有大大增加了的抗扭强度极限(与API钻具接头相比)，而阳端或阴端的厚度不必增加，而且不必增加钢材的屈服强度。

现有技术已经通过调整具有这种接头的元件的尺寸来力求获得双台肩钻具接头的越来越好的作业特征。这些元件具有阴端镗孔部、阳端基部、阳端鼻部和螺纹的相对长度；阴端镗孔部和阳端鼻部的相对截面厚度；钻具接头内外直径的相对尺寸。

US4,558,431专利中也公开了一种双台肩连接件。阴端具有位于其螺纹下部的内台肩。阳端具有位于其鼻部端部的面，该面与阴端内的内台肩配合。挑选阳端和阴端的尺寸，以便在手工拧紧时，阴端的面接触阳端的外台肩。在阳端鼻部面与阴端的内台肩之间存在间隙。当所述钻具接头被完全装配到其正常的装配扭矩时，阴端的面以正常的接触压力结合外装配台肩。选择手工拧紧间隙，以便在正常装配扭矩下，阳端的面向内台肩施加较小的压力或不施加压力。

上述US4,548,431专利规定了阳端基部和阴端镗孔部的长度至少为结合螺纹长度的三分之一，并且阳端鼻部的长度至少为结合螺纹长度的六分之一。对于US4,548,431专利中描述的5″外径和2-11/16″内径的双台肩钻具接头来说，与同样外径和内径的API钻具接头具有18,100英尺磅的扭矩相比，双台肩接头的阳端基部和阴端镗孔部屈服的扭矩为25,583英尺磅。长的镗孔部降低了抗弯曲的能力，从而允许合理的用于手工拧紧间隙的生产公差。

所述工业中的其它方面选择手工拧紧间隙，以便内台肩基本以设计的地面装配扭矩进行加载。以这种方式进行的设计，内台肩允许较大的地面装配扭矩，因而能够被安全地用在需要较大钻井扭矩的井中。当所述钻具接头在超出初始手工拧紧条件而被拧紧时，阴端镗孔部和阳端的基部弯曲。这一弯曲使得阳端的面关闭手工拧紧间隙并靠在内台肩上从而形成结合。阳端的面与内台肩的加载出现在阴端镗孔部和阳端的基部内出现任何永久变形之前。

扩展具有加载地面装配扭矩的内台肩的概念，US6,513,804公开了另外一种双台肩钻具接头设计，在该设计中，由于从阳端外台肩到阳端鼻部的长度大于从阴端的面到阴端内台肩的长度，因此需要首先装配所述内台肩。所述阳端鼻部的长度是阴端镗孔部的两倍。在外台肩产生外台肩不能充分加载以致影响密封件的风险之前使内台肩接触。通过降低鼻部抗弯性能来试图使特别长的阳端的鼻部克服这一风险。