一种钻杆及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及一种超大吨位钻杆及其制造方法。背景技术 用于石油钻探与水平定向穿越的钻杆是按照 API 标准生产制造的。 根据 API SPEC 5DP 标准， 拉伸载荷最大的钻杆是 Φ168.28×9.19mm S-135 钻杆， 其拉伸载荷为 436 吨。
随着石油工业与水平定向穿越行业的发展， 钻杆的服役条件日趋恶劣， API 标准钻 杆已难以满足日益苛刻的钻井与水平定向穿越作业要求。 随着钻井深度的加深以及水平定 向穿越长度的加长， 对钻杆的拉伸载荷提出了极高的要求。
为了满足这些要求， 通常的做法是提高产品的钢级， 即将 API 标准中的最高钢级 S-135 进一步提高至 150 钢级甚至 165 钢级。对于 Φ168.28×9.19mm 钻杆， 150 钢级将拉 伸载荷提高到 484 吨， 165 钢级更提高到 533 吨。
但是对于万米特深钻井及 5000 米特长水平定向穿越这些极端的工况来说， 500 吨 级钻杆仍难以满足要求。业界希望提供一种具有 600 吨以上甚至超过 1000 吨拉伸载荷的 超大吨位钻杆来满足万米特深钻井及 5000 米特长水平定向穿越的作业要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超大吨位钻杆及其制造方法， 应用本发明可以生产出 600 吨以上甚至超过 1000 吨拉伸载荷的超大吨位钻杆， 从而满足万米特深钻井及 5000 米特 长水平定向穿越的工况要求。
为实现上述目的， 本发明的钻杆包括管体、 外螺纹接头和内螺纹接头， 所述管体的 一端通过焊接与外螺纹接头连接， 另一端通过焊接与内螺纹接头连接， 所述管体的外径为 POD， 内径为 PID， 所述内螺纹接头和外螺纹接头的外径均为 TJOD， 内径均为 TJID， 其中， 常数 R 满足 ：
优选地， 所述管体的最小屈服强度为 931MPa ～ 1138MPa， 所述内螺纹接头和外螺 纹接头的最小屈服强度为 827MPa ～ 1034MPa。
优选地， 所述管体的一端通过摩擦焊接与外螺纹接头连接， 另一端通过摩擦焊接 与内螺纹接头连接。
优选地， 所述管体的外径 POD 为 168.28mm， 所述管体的壁厚为 14 ～ 20mm， 更优选为 16mm。所述内螺纹接头和外螺纹接头的外径 TJOD 为 215.9mm， 所述内螺纹接头和外螺纹接 头的内径 TJID 为 108mm。
本发明还提供上述钻杆的制造方法， 包括 ：
a. 钻杆的管体两端进行加厚处理 ；
b. 管体进行全长调质处理 ；
c. 管体两端的加厚端与经过调质处理的内螺纹接头和外螺纹接头通过摩擦焊接 连为一体 ；
d. 焊缝进行调质热处理。
优选地， 所述管体两端的加厚处理包括 3 次加热、 3 次加厚 ； 每次加厚均为在管体 内外同时加厚。
优选地， 第一次加热的加热长度至少为 550mm。
优选地， 所述钻杆管体的热处理方法为水淬热处理， 所述的内外螺纹接头的热处 理方法为油淬调质处理。
优选地， 所述水淬热处理包括通过控制管体与加厚端不同的喷水量， 使不同壁厚 的管体与加厚端具有相同的冷却速度， 以得到相同的性能。
优选地， 所述焊缝的调质热处理的淬火方法为外表喷淬火液和内表喷空气。
本发明的有益效果在于 ：
与现有技术相比， 采用本发明可以生产出 600 吨以上甚至超过 1000 吨拉伸载荷的 超大吨位钻杆， 从而满足了万米特深钻井及 5000 米特长水平定向穿越的工况要求。 附图说明
图 1 示出了本发明的钻杆的一个优选实施方式的横截面剖视图。具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的优选实施方式。
图 1 为超大吨位钻杆的结构示意图， 1 为钻杆管体， 2 为钻杆内螺纹接头， 4 为钻杆 外螺纹接头。钻杆管体 1 与内螺纹接头 2 通过摩擦焊接连为一体形成焊缝 3。同时， 钻杆管 体 1 与外螺纹接头 4 也通过摩擦焊接连为一体形成焊缝 5。最终， 钻杆管体 1 与内螺纹接头 2、 外螺纹接头 4 共同组成一根成品钻杆。
钻杆管体 1 的外径为 POD， 内径为 PID。内螺纹接头 2 与外螺纹接头 4 的内外径均相 同， 内外螺纹接头外径为 TJOD， 内径为 TJID。钻杆存在一个常数 R， 满足公式 ：
根据本发明的钻杆的制造方法为 ： 管体两端经过加厚处理， 加厚后管体进行全长 调质处理， 调质后管体两端加厚端与也经过调质处理的内外螺纹接头通过摩擦焊接连为一 体， 焊后进行焊缝热处理。
其中， 钻杆管体的加厚步骤为 3 次加热、 3 次加厚。每次加厚均为内外加厚。加厚 工序的第一次加热， 其加热长度至少为 550mm。钻杆管端内外加厚的制造方法见 2008 年 3 月 5 日公告授权的 CN 200510027402.1， 在此通过引用将其全部内容结合到本发明中。
钻杆管体的热处理方法为水淬热处理， 内外螺纹接头的热处理方法为油淬调质处 理。 本领域的一般技术人员可以根据钢管以及内外螺纹接头的具体材料确定实际的具体工 艺条件， 例如加热温度、 加热时间等。 此外， 通过控制管体与加厚端不同的喷水量， 使不同壁 厚的管体与加厚端具有相同的冷却速度， 最终得到相同的性能。钻杆的焊缝调质热处理的 淬火方法为外表喷淬火液和内表喷空气。
由于钻杆管体与内外螺纹接头通过摩擦焊接连为一体， 因此管体与内外螺纹接头 可以通过采用不同的材质、 不同的热处理来得到不同的性能。
下面以 Φ168.28×16mm 钻杆为例描述本发明的具体实施方式， 钻杆管体外径 POD 为 168.28mm， 壁厚为 16mm， 内径 PID 为 136.28mm ； 钻杆内外螺纹接头外径 TJOD 为 215.9mm， 内径 TJID 为 108mm。从上述实施例可以看出， 钻杆管体的壁厚仅为 16mm， 而内外螺纹接头的 壁厚为 53.95mm， 即使考虑螺纹的影响， 壁厚也超过 25mm。因此， 在承受拉伸载荷的条件下， 钻杆管体的承载能力将远小于内外螺纹接头的承载能力。基于上述原因， 内外螺纹接头的 强度可略小于钻杆管体的强度。因此， 为达到 600 吨以上甚至超过 1000 吨拉伸载荷的承载 能力， 钻杆管体的最小屈服强度为 931MPa ～ 1138MPa， 钻杆内螺纹接头和外螺纹接头的最 小屈服强度为 827MPa ～ 1034MPa。
实施例 1
Φ168.28×16mm 钻杆
该钻杆管体外径 POD 为 168.28mm， 壁厚为 16mm， 内径 PID 为 136.28mm ； 钻杆内外螺 纹接头外径 TJOD 为 215.9mm， 内径 TJID 为 108mm。钻杆的 R 值为
满足 5.22 ≥ 5.13 ≥ 4.95 的要求。
钻杆管体两端经过加厚处理， 加厚后管体进行全长调质处理， 调质后管体两端加 厚端与也经过调质处理的内外螺纹接头通过摩擦焊接连为一体， 焊后进行焊缝热处理。
其中， 钻杆管体的加厚步骤为 3 次加热、 3 次加厚。每次加厚均为内外加厚。加厚 工序的第一次加热， 其加热长度至少为 550mm。钻杆管体的热处理方法为水淬热处理， 内外 螺纹接头的热处理方法为油淬调质处理。通过控制管体与加厚端不同的喷水量， 使不同壁 厚的管体与加厚端具有相同的冷却速度， 最终得到相同的性能。钻杆的焊缝调质热处理的 淬火方法为外表喷淬火液和内表喷空气。
当管体的最小屈服强度为 931MPa 时， 接头的最小屈服强度为 827MPa 时， 钻杆的拉 伸载荷为 726 吨。
当管体的最小屈服强度为 1034MPa 时， 接头的最小屈服强度为 827MPa 时， 钻杆的 拉伸载荷为 807 吨。
当管体的最小屈服强度为 1138MPa 时， 接头的最小屈服强度为 827MPa 时， 钻杆的 拉伸载荷为 888 吨。
实施例 2
Φ168.28×14mm 钻杆
该钻杆管体外径 POD 为 168.28mm， 壁厚为 14mm， 内径 PID 为 140.28mm ； 钻杆内外螺 纹接头外径 TJOD 为 215.9mm， 内径 TJID 为 108mm。钻杆的 R 值为
满足 5.22 ≥ 5.21 ≥ 4.95 的要求。
钻杆管体两端经过加厚处理， 加厚后管体进行全长调质处理， 调质后管体两端加 厚端与也经过调质处理的内外螺纹接头通过摩擦焊接连为一体， 焊后进行焊缝热处理。
其中， 钻杆管体的加厚步骤为 3 次加热、 3 次加厚。每次加厚均为内外加厚。加厚 工序的第一次加热， 其加热长度至少为 550mm。钻杆管体的热处理方法为水淬热处理， 内外 螺纹接头的热处理方法为油淬调质处理。通过控制管体与加厚端不同的喷水量， 使不同壁 厚的管体与加厚端具有相同的冷却速度， 最终得到相同的性能。钻杆的焊缝调质热处理的 淬火方法为外表喷淬火液和内表喷空气。
当管体的最小屈服强度为 931MPa 时， 接头的最小屈服强度为 827MPa 时， 钻杆的拉 伸载荷为 644 吨。
当管体的最小屈服强度为 1034MPa 时， 接头的最小屈服强度为 827MPa 时， 钻杆的 拉伸载荷为 715 吨。
当管体的最小屈服强度为 1138MPa 时， 接头的最小屈服强度为 827MPa 时， 钻杆的 拉伸载荷为 787 吨。
实施例 3
Φ168.28×20mm 钻杆
该钻杆管体外径 POD 为 168.28mm， 壁厚为 20mm， 内径 PID 为 128.28mm ； 钻杆内外螺 纹接头外径 TJOD 为 215.9mm， 内径 TJID 为 108mm。钻杆的 R 值为
满足 5.22 ≥ 4.96 ≥ 4.95 的要求。
钻杆管体两端经过加厚处理， 加厚后管体进行全长调质处理， 调质后管体两端加 厚端与也经过调质处理的内外螺纹接头通过摩擦焊接连为一体， 焊后进行焊缝热处理。
其中， 钻杆管体的加厚步骤为 3 次加热、 3 次加厚。每次加厚均为内外加厚。加厚 工序的第一次加热， 其加热长度至少为 550mm。钻杆管体的热处理方法为水淬热处理， 内外 螺纹接头的热处理方法为油淬调质处理。通过控制管体与加厚端不同的喷水量， 使不同壁 厚的管体与加厚端具有相同的冷却速度， 最终得到相同的性能。钻杆的焊缝调质热处理的 淬火方法为外表喷淬火液和内表喷空气。
当管体的最小屈服强度为 931MPa 时， 接头的最小屈服强度为 1034MPa 时， 钻杆的 拉伸载荷为 884 吨。
当管体的最小屈服强度为 1034MPa 时， 接头的最小屈服强度为 1034MPa 时， 钻杆的 拉伸载荷为 982 吨。
当管体的最小屈服强度为 1138MPa 时， 接头的最小屈服强度为 1034MPa 时， 钻杆的 拉伸载荷为 1080 吨。
应用本发明可以生产出 600 吨以上甚至超过 1000 吨拉伸载荷的超大吨位钻杆， 从 而满足了万米特深钻井及 5000 米特长水平定向穿越的工况要求。因此， 采用本发明专利 生产的钻杆特别适用于万米特深井及 5000 米特长水平定向穿越等世界最高难度工程的施 工。