钻杆夹持系统的非咬合材料 【发明领域】
本发明涉及防止钻杆夹持组件(slip assembly)的部件产生冷作效应(cold working)的改进装置和方法，具体涉及将一种材料贴合在钻杆夹持部分(slip segment)或者卡盘(slip bowl)接触表面上，以防止钻杆夹持部分和卡盘之间冷作效应的装置和方法。
背景
在钻油井或者天然气井时，通常采用平台来支承圆形转动台，用马达等将转动能量加在该转动台上，使转动台沿环形方向转动。该转动台包括中央方钻杆衬套(central kelly bushing)，该衬套具有中心开口或者孔，钻杆或者钻杆组穿过该开孔。方杆衬套通常包括4个“销钉孔”，该销钉孔接收在转盘方瓦衬套(master bushing)上的销钉，该转盘方瓦衬套在与方钻杆衬套相互锁定时驱动该方钻杆。转动台、方钻杆、转盘方瓦衬套和方钻杆衬套是技术术语，这些术语表示钻机的不同部件，该钻机向钻杆组件施加必须的转动力，以进行钻探。在这种技术中众所周知这种钻井设备。
当从钻杆组上加上或者取下钻杆时，将普通称作钻杆夹持装置(slips)的楔形件插入到转动台的中心开口中，以啮合卡盘。该钻杆夹持装置楔固在该钻杆上，以防止钻杆掉入井中。通常用手工方法放置井口钻杆夹持装置，该钻杆夹持装置或者钻杆夹持组件(由许多链接在一起的许多钻杆夹持件构成)通常包括钻井工人手握的以便提升的把手，该把手通常称为“大脖子(roughnecks)”。通常钻机装有这种有手握的钻杆夹持件(hand slip)。在用大夹钳等从钻杆组上取下钻杆时，钻杆组的其余部分可以这样支承，使得可以从钻杆组上加上或者取下附加的钻杆部分。
更现代化的常用的井口钻杆夹持系统(slip system)称为“强力钻杆夹持系统(power slip)”，该系统包括许多钻杆夹持部分或者钻杆夹持组件，该组件卡在卡盘中，以便在卡盘随转动台绕钻杆转动时，防止钻杆夹持装置垂直运动。该钻杆夹持装置和卡盘作成为使得钻杆夹持部分的外表面以滑动摩擦方式接触卡盘地内表面。
通常由这些强力钻杆夹持系统产生的问题是，在钻杆夹持装置和卡盘之间的滑动摩擦力，在卡盘绕钻杆夹持件转动时，容易使这些部件粘住或者咬合。因为钻杆夹持装置和卡盘二者一般均用钢制造，所以在受到高接触压力和高滑动摩擦力同时作用时，这两个部件容易以所谓冷焊接的方式粘接在一起。两个部件的原子/或者元素结构越相似，这些部件的冷焊接的可能性越高。这种冷焊接可能是灾难性的，因为咬合的部件容易使钻杆随转动台一起转动，造成钻杆与钻杆组不可能脱开。
通常用来降低钻杆夹持件和卡盘之间冷作效应的一种方法是用润滑剂例如润滑油来润滑这些部件。然而这种方法需要不断进行润滑，或者通常每20-30转便需要加一次润滑油，这样做成本很高，而且对环境有害。
因此，需要一种花钱少的，对环境安全的方法来处理钻杆夹持部分或者卡盘的接触表面，以便降低钻杆夹持部件和卡盘之间的冷作效应。
发明概要
本发明旨在一种油井或者气井的钻杆夹持系统，该系统具有卡盘和钻杆夹持组件，前者具有相互作用的接触表面，后者具有啮合的相互作用接触表面，用于滑动啮合卡盘的相互作用接触表面，其中该卡盘和钻杆夹持组件分别由第一材料构成。第二材料固定在卡盘或者钻杆夹持组件的相互作用接触表面上。其中该第二材料在组成上不同于第一材料，以防止在卡盘和钻杆夹持组件之间的冷焊接；该第二材料基本上不或者完全不溶解在第一材料的原子结构中。
本发明另一实施例旨在一种降低油井和气井钻杆夹持系统的钻杆夹持组件和卡盘之间冷焊接的方法。该方法包括形成具有相互作用接触表面的卡盘和形成钻杆夹持组件，该组件具有啮合的相互作用接触表面，该表面与卡盘相互作用接触表面形成滑动啮合，其中卡盘和钻杆夹持组件分别由第一种材料形成，并将第二材料固定在卡盘或者钻杆夹持组件的相互作用接触表面上；该第二材料在成份上不同于第一材料，从而可以防止卡盘和钻杆夹持组件之间的冷焊接；该第二材料基本上不或者完全不溶解在第一材料的原子结构中。
附图的简要说明
下面参考附图进行详细说明，从这些说明中，可以更好理解本发明的这些和其它的特征与优点，这些附图是：
图1是示意图，示出本发明的装在转动台上的强力钻杆夹持系统；
图2是顶视图，示出图1所示强力钻杆夹持系统的卡盘；
图3是图2所示卡盘的沿图2的3-3线截取的横截面侧视图；
图4是顶视图，示出图1所示强力钻杆夹持系统的钻杆夹持组件，图中该组件位于“打开位置”；
图5是图4所示钻杆夹持组件沿图4所示的5-5线截取的横截面侧视图；
图6是图1所示强力钻杆夹持系统的钻杆夹持组件顶视图，图中该钻杆夹持组件位于“关闭”位置。
详细说明
图1示出用于悬挂钻杆或者钻杆组14的常规转动台12，该转动台绕井口的垂直轴线16转动。该转动台包括本发明的强力钻杆夹持系统10，该强力钻杆夹持系统最好是VarcoBJ的PS21/30强力钻杆夹持系统。该系统包括卡盘20和钻杆夹持组件22，前者装在转动台的中心开孔18中，而后者可转动地装在该卡盘中。在一个实施例中，该钻杆夹持组件22包括许多钻杆夹持部分，这些部分具有锥形外壁，这些壁适合于啮合卡盘的圆锥形内壁，从而可以制止钻杆夹持组件22在卡盘内侧向运动，但不阻止转动运动。各个钻杆夹持部分沿内表面有夹持钻杆组的嵌入件，以防止钻杆掉入井孔中。定中装置24配置在卡盘的顶部，以便定中钻杆组或者使该钻杆组与垂直轴线对准。在一个实施例中，材料51或者贴合在钻杆夹持部分的锥形外壁上，或者加在卡盘的锥形内壁上，以减小在钻井操作期间钻杆夹持组件和卡盘之间的冷作效应。
下面参考图2和图3，该卡盘20包括弧形的或者C形的部分30，这些部分形成半圆形的局部闭合的环形主体。该卡盘用合金钢或低合金钢例如CMS02级的150-135号钢铸成比较好，用CMS01级钢铸成更好，最好用CMS02级的135-125号钢铸成。该部分还包括环形外表面36和锥形朝上的内表面38。该部分对垂直轴线16是对称的，形成可以接收钻杆夹持组件22的中心孔35(图1)。
在外边，主体部分30的外表面36由圆筒形肩部分40和辅助的直径减小的外圆筒表面42形成，该圆筒肩部分从该部分的上部分向外伸出。如图1所示，该辅助外表面42装在该中心孔18内，并约束在该孔内，而该肩部分40装在中心孔18的凹槽17中，并与旋转台的肩部15对接，使得卡盘20被有效地支承在转动台12上。
下面再参考图3，在内部，卡盘部分的锥形内表面38是波纹状的，从而形成许多伸入中心孔35的沟槽44。该锥形内表面38和沟槽44一起形成卡盘20的用于接收和啮合钻杆夹持组件22外表面的锥形接触表面46。该沟槽44做成可以使钻杆夹持组件22凹入卡盘20，使得钻杆夹持组件22占据少量的中心孔35，从而在钻杆夹持组件位于如下所述的“打开”位置时，在钻杆夹持组件22中留下钻杆组14的较大游隙。
下面参考图2，局部封闭的环形主体部分30具有一对液压驱动器48，该驱动器装位于该主体的相对两侧，该驱动器可以在“打开”位置和“关闭”位置之间升高该钻杆夹持组件22。在打开位置时该钻杆夹持组件22升高，以便将钻杆组14装在中心孔35中。而在“关闭”位置时，该钻杆夹持组件22下降，从而将钻杆组14夹持在卡盘20的中心孔35中。弧形门50可移开地连接在卡盘20主体部分30的两个开口端之间。从而可以完全封闭该主体，并形成固定钻杆夹持组件22的封闭环形主体。
下面参考图4-6，在优选实施例中，钻杆夹持组件22包括大体由中央钻杆夹持部分60、左手钻杆夹持部分62和右手钻杆夹持部分64构成的大体环形主体。然而，虽然图中只示出3个钻杆夹持部分，但是该钻杆夹持组件22可以包括任何数目的钻杆夹持部分。该钻杆夹持部分对垂直轴线16对称配置(图5)，由此形成安装钻杆组的孔66(图6)。该钻杆夹持部分可用CMS02级的150-135号钢铸造，或者最好用CMS01级铸造，该左手和右手钻杆夹持部分62和64由一对铰接轴68铰接在中央钻杆夹持部分60的相对两端上。该左手和右手钻杆夹持部分62和64的自由端彼此受到偏压而分开，即利用铰接弹簧70使其偏向“打开”位置(图5)。该钻杆夹持组件22还包括把手72，该把手连接于中央钻杆夹持部分60。该把手72锁定左、右手钻杆夹持部分62和64，使其与驱动器48啮合(图2)，该把手迫使钻杆夹持部分反抗弹簧偏压力，移到“关闭”位置(如图6所示)，或者使左、右手钻杆夹持部分的自由端形成对接，以形成封闭的环形结构。
各个钻杆夹持部分具有弧形的主体形状，这种主体形状由径向内表面74和锥形朝下的内表面76形成。该钻杆夹持部分的内表面74适合于接收一组嵌入件78，该嵌入件基本上围绕开孔66的圆周伸出，以便夹持和支承钻杆组14。该嵌入件78最好具有外部齿，以便有效地夹持钻杆组14。
各个钻杆夹持部分的锥形朝下的外表面76是波纹形的，从而形成许多从各个钻杆夹持部分向外伸出的指形件80，这些指形件做成为可以啮合卡盘的凹槽44。该锥形向下的外表76和指形件80一起形成各个钻杆夹持部分的锥形接触表面82，其中各个钻杆夹持部分的锥形接触表面82适合于啮合卡盘20的内接触表面42。该指形件80啮合卡盘的凹槽44，从而可以用卡盘20制止各个钻杆夹持部分的侧向运动。在正常的钻井条件下，需要钻杆夹持组件22来支承约1吨到750吨的侧向负载。
因为用同样钢材铸造钻杆夹持部分和卡盘20将造成钻杆夹持组件22和卡盘20之间的冷焊接，所以希望采用不同类的钢材来铸造钻杆夹持部分或者卡盘20。这种材料应该基本上不或者完全不溶合到钢的原子结构中。然而用除钢以外的材料来铸造钻杆夹持部分或者卡盘，需要特别的硬件，而且制造成本很高。因此，克服钻杆夹持组件22和卡盘20之间冷焊接问题的另一种方法是，用钢材制造钻杆夹持部分和卡盘20，然后用材料51镀在或者电镀在钢作的卡盘20的接触表面46上(图3)，或者镀在或者电镀在钢作的钻杆夹持组件22的接触表面82上(图5)，该材料51不同于钢材，基本上不或者完全不溶在钢的原子结构中。虽然为了简明起见，下面的述说明了将材料51固定于钻杆夹持组件22的各个钻杆夹持部分的接触表面82上，但是该材料51可以采用任何下述的方法固定在卡盘20的接触表面46上。
该材料51包括任何非钢的金属材料，例如钢基材料。在一个实施例中，该材料51例如是一层青铜(NiAlCu)金属层，其组成为约13.5％的铝，约4.8％的镍，约1.0％的锰，约2.0％的铁，约78.7％的铜。在另一实施例中，该材料51可以包括碳化钨、钼或者任何其它的镍、铝或者青铜类金属。
材料51可以用适当方法贴合在或者组装在各个钻杆夹持部分的锥形接触表面82上。在优选的方法中，材料51用氩气屏蔽的金属惰性气体焊接法焊接到各个钻杆夹持部分上。可以采用脉冲焊接机，采用手工焊接，或者自动焊接，或者子弧焊接(sub-arc welding)法来完成这种焊接，并且可以利用额外的焊接保护装置例如排气系统来保护焊接工人，防止在焊接期间出现毒气的危害。另外，也可以采用另一种冷丝钨惰性气体焊接法(cold wire TIG(Tungsten Inert Gas)welding)，将材料51焊接在各个钻杆夹持部分的锥形接触表面82上。
在一个实施例中，在焊接材料51之前，将钻杆夹持部分预热到约250℃-400℃范围的温度，以防止在冷却期间材料51的破裂。例如，在一个实施例中，钻杆夹持部分可以预热到约250℃的温度，最好预热到约350℃的温度。材料51的厚度最好约1/8英寸，该材料用硬度为402(390-410HB)的金属丝焊接在钻杆夹持组件22接触表面82上，或者最好用硬度为302(300-320HB)的较软金属丝进行焊接，该金属丝加上约150A-350A的电流和约25V-30V的电压。
在另一实施例中，该材料51可以用电热雾化法、金属火焰雾化法或者类似的镀层方法镀上去。例如，可以用硬度为400HB的NiAlCu镀在钻杆夹持部分的表面82上，这样便可在涂层后得到约43HRC(洛氏硬度C标)的硬度。或者在可取的，表面82可镀以300HB硬度的NiAlCu，得到32HRC的硬度。在涂层后，可以在机床轴上切削该钻杆夹持部分，切削到约1/4-1/16英寸的厚度，最好切削到约0.08英寸(2mm)的厚度。在一个实施例中，切削该材料，直至该材料的硬度在约35-56RHC的范围内。
在切削操作期间，该钻杆夹持部分可以获得很光滑的最后加工表面，这种表面基本上不需要随后进行抛光。例如在一个实施例中，在完成最后切削以后，该钻杆夹持部分的接触表面达到几乎近似于镜面光洁度。即，近似于抛光钢面的光洁度，例如达到在约8-64之间的表面光洁度。在涂层作业期间，可以采用普通的制造工艺贴合材料51，因此，不仅可以将初始制造成本降到最低，而且还可用常规设备方便地修理该钻杆夹持装置。
在一个实施例中，材料51可以用机械方法固定在各个钻杆夹持部分的接触表面82上，例如用螺钉紧固件固定。
在上述任何一个实施例中，卡盘和钻杆夹持部分中的一个或者二者均可进行渗碳处理，以便分别使卡盘或者钻杆夹持部分的材料硬化。上述任何一个实施例还可以包括材料51的一个以上的层。
如上所述，虽然材料51已被说明为固定于各个钻杆夹持部分的接触表面82上，但是可以应用上述任何一种方法将材料51固定在卡盘20的接触表面46上。
按照本发明可以将钻杆夹持组件22和卡盘20之间的粘接性减小到最小。结果，降低了钻杆夹持部分和卡盘20之间的净摩擦力，从而在释放钻杆组14加在钻杆夹持组件22上的轴向负载之后，能使钻杆夹持组件22本身与卡盘20脱开。因此，将材料固定在钻杆夹持组件22上或者固定在卡盘20上可以降低固定的钻杆夹持组件22和转动的卡盘20之间的冷焊，该材料51由不同于钻杆夹持组件22和卡盘20材料的材料组成。
本发明还得到一种钻杆夹持系统不用润滑或者不加润滑油的优点。因此，采用本发明的相当廉价的装置可以取代花费相当大的装置，这种花费大的装置需要在杆夹持组件和卡盘之间加上大量润滑剂或者润滑油，以防止钻杆夹持装置在钻井期间粘接在卡盘上，这样做，对于环境也是一种保持。
应当明白，上述例示出的实施例仅仅是例示性的，对本发明的范围没有任何限制。可以按照本发明的精神和范围进行改变和改型。应当明白，本发明的范围同样包括不同于钢的其它材料。可以用本发明的方法来控制和修理大型机器表面的磨损部分和其它的类似磨损部件，因此本发明预定不由所述优选实施例的具体特征所限制，而只由以下权利要求书的范围确定。