钻具构件、 钻杆和相应的钻杆列组 技术领域 本发明属于油藏或气藏的勘探和开采领域， 其中根据钻井需要使用旋转的钻具， 所述旋转的钻具由钻杆构成并且可能地由端对端地相组装在一起的其它管状部件构成。
本发明尤其涉及旋转钻探设备用的成型元件， 例如布置在旋转钻杆列组内的钻 杆， 或者重型钻杆或钻铤 (masse-tige)， 或者钻探稳定器或具有不同螺纹型式的或不同直 径的连接件 ( 过渡接头 )。
背景技术
这些与钻具的其它部件 ( 钻铤、 稳定器等 ) 相关联的钻杆列组 (trainsde tiges) 尤其可实施斜向钻探， 即在钻井时可相对于垂直方向或水平方向改变钻探斜度。 现在， 斜向 钻探可达约 2 至 8 千米的深度和约 2 至 15 千米的水平距离。
在具有一些几乎水平部分的斜向钻探的情况下， 在钻井过程中， 钻杆列组在井内 的旋转引起的摩擦力矩可达非常大的数值。 摩擦力矩可能意味着需要重新审视使所用的设 备或钻井目的。 此外， 鉴于在钻探井眼内、 特别是在钻探井眼的相对于垂直方向非常倾斜的 部分内产生的岩屑发生沉积， 因此往往极难以提升钻探所产生的岩屑。 这样， 井眼的清理不 正常， 井眼内钻杆列组的钻杆以及钻杆和井眼壁之间接触面的摩擦系数同时增大。
文献 FR 2 760 783 提出用于钻杆的型件， 其带有套筒， 所述密封套与井眼壁接触 且可相对于井壁保持不转动， 并带有可促使钻探流体循流的开槽部分。
近来， 文献 FR 2 824 104 涉及旋转钻具用的成型元件， 其具有一个在用于支承在 井眼壁上的支承区域、 一个促使钻探流体在井眼内围绕钻具循流的紊流区域、 以及一个折 流区域， 所述折流区域邻近所述支承区域和所述紊流区域， 沿所述成型元件的轴向方向延 伸， 且具有至少一个相对于钻探轴线倾斜的表面， 其在轴向平面中的经线在所述成型元件 在井眼内的工作位置， 沿着自下而上的方向离开所述成型元件的轴线。
这种装置直至最近都令人满意。 但是， 存在对特别坚固耐用的、 多功能的和设计用 于进行深度钻探与大倾斜度钻探的钻具的需要。 发明内容 本发明就是改善这种情况。
对于利用钻探流体围绕钻具构件沿着从井眼底部向地面的方向循流的钻探来说， 所述钻具构件具有 ： 至少一个在钻探时支承在井壁上的支承区域， 所述支承区域在其外表 面上配有至少一个支承段部， 所述支承段部的外径大于所述构件的其它部分的直径 ； 和两 个作用区域， 所述作用区域相邻于所述支承区域， 且布置在所述支承区域的上游和下游， 所 述作用区域具有多个凹槽， 它们具有围绕所述构件的轴线的总体螺旋形形状。所述作用区 域连接于所述支承区域。所述支承区域具有两个凸圆拱形的回转形式的导向段部， 其布置 在支承段部的上游和下游， 且相邻于所述支承段部。所述导向段部相切于所述支承段部和 所述作用区域。
对于钻探流体围绕所述构件且沿着从钻探井眼底部向地面的方向循流的井眼钻 探来说， 钻具构件在钻杆列组或重型钻杆列组与井底组件之间形成联接。 所述构件包括 ： 第 一端部， 所述第一端部包括一外表面和一阴螺纹， 所述外表面具有第一直径 ； 第二端部， 其 包括一外表面和一阳螺纹， 所述外表面具有第二直径， 所述第一直径小于或等于所述第二 直径 ； 至少一个支承区域， 所述支承区域在钻探时支承在井壁上， 所述支承区域配有至少一 个支承段部， 所述支承段部具有圆柱形外表面， 且其外径大于所述构件的其它部分的直径 ； 和两个作用区域， 所述两个作用区域基本上相邻于所述支承区域， 且布置在所述支承区域 的上游和下游。所述作用区域具有多个凹槽， 所述凹槽具有围绕所述构件的轴线的总体螺 旋形形状。 所述支承区域具有两个导向段部， 所述导向段部呈凸圆拱环形， 按位于所述支承 段部的上游和下游、 且相邻于所述支承段部的方式布置。所述导向段部相切于所述支承段 部且相切于所述作用区域。
所谓钻具构件， 不仅是指所述钻具的组成件 ( 钻杆等等 )， 而且是指这些组成件的 构成零件， 例如螺纹连接器 ( 工具联接件 )， 其可通过任意方法例如焊接而嵌装在钻杆的端 部， 使所述钻杆相互旋拧地进行连接。
用语上游和下游这里涉及钻探流体在围绕所述构件的环形空间循流的方向。
在没有相反指示的情况下， “钻杆列组” 是指同时包括标准钻杆和重型钻杆的钻具部分。 本申请人注意到 ： 转动时静负荷和动负荷减小， 钻具升降时轴向载荷减小， 工具上 的重量传递能力增大， 具有较好的钻屑去除能力， 发生过牵引力和过扭力时具有较高的安 全系数， 受压弯曲的临界状态减少， 抗交变弯曲疲劳的强度增大， 钻具的磨损和磨蚀减小， 除屑操作时岩屑处理能力较好， 可降低封堵的危险， 螺纹联接件的机械完整性保持良好， 液 力压力损失降低， 泥浆和岩屑围绕钻杆的排出较好， 钻井内壁的磨蚀磨损减小， 由差动压力 引起的粘住危险减小， 当泥浆的静水压力大于钻探时物料例如岩石中的压力时， 尤其如此， 在除屑操作时， 钻杆列组被卡住的危险性大为减少， 和井壁的表面状态得到改善。
钻杆可具有至少一个上述的构件和一个在所述构件的没有螺纹的一端部上端对 端地相焊接的管子。所述管子在所述构件上的焊接可进行摩擦焊接。所述构件可从一个直 径大的短工件加工而成， 而所述管子可具有较小的直径， 从而极大地减少要加工金属的质 量和加工废料的数量。所述短工件可具有约 0.3 米至 1 米的长度。
优选地， 所述钻杆列组具有大比例的上述钻杆， 例如至少 80％， 甚至 95％以上。由 上述钻杆组成的钻杆列组具有上面提到的作用。所述钻杆列组可具有至少两个相邻的钻 杆。
对于利用钻探流体围绕所述构件且沿着从井眼底部向地面的方向循流的井眼钻 探来说， 钻具稳定器可具有至少一个在钻探时支承在井壁上的支承区域和两个作用区域， 所述支承区域配有至少一个支承段部， 其外径大于所述稳定器的其它部分的直径， 所述两 个作用区域基本上相邻于所述支承区域， 且布置在所述支承区域的上游和下游， 所述作用 区域围绕所述稳定器的轴线具有多个呈一般螺旋形的凹槽。 所述作用区域连接于所述支承 区域。所述支承区域具有至少两个凸圆拱形的导向段部， 其布置在所述支承段部的上游和 下游， 且相邻于所述支承段部。所述导向段部相切于所述支承段部和所述作用区域。围绕 所述稳定器的轴线的、 呈总体螺旋形的循流凹槽， 布置在所述支承区域的外表面上。
附图说明 通过阅读对根据附图所示的几个非限制性实施方式的详细说明， 本发明将得到更 好的理解， 附图如下 ：
图 1 是钻杆 ( 钻具的组成件 ) 的主面视图， 所述钻杆在其两个端部的每个端部具 有一螺纹连接件 ；
图 2 是图 1 所示的钻杆的轴向剖面图 ；
图 3 是沿图 1 中 3-3 线的剖面图 ；
图 4 是沿图 1 中 4-4 线的剖面图 ；
图 5 是沿图 1 中 5-5 线的剖面图 ；
图 6 是沿图 1 中 6-6 线的剖面图 ；
图 7 是图 1 中细部的局部图 ；
图 8 是图 1 中细部的局部图 ；
图 9 是两个钻杆的装配端部上的两个构件的局部主面视图 ；
图 10 是两个钻杆的装配端部上的两个构件的局部主面视图 ；
图 11 是具有四个支承段部的钻铤的主面视图 ； 图 12 是具有四个支承段部的重型钻杆的主面视图 ； 图 13 是具有支承段部的钻探稳定器的主面视图 ； 图 14 是往往称为 “过渡接头” 的连接件的主面视图 ； 以及 图 15 示出装配好的图 7 和 8 所示的钻杆。具体实施方式
如图 1 至 12 所示， 成型钻杆 1 具有关于轴线 2 的总体回转形状， 当钻杆列组的所 述成型钻杆 1 在由布置在钻具端部的工具例如钻头钻出的井眼内处于工作位置时， 所述轴 线 2 基本上构成钻探轴线。所述轴线 2 是所述钻杆列组的旋转轴线。所述成型钻杆 1 呈管 形， 一个基本上呈回转圆柱形的导管 3 布置在所述成型钻杆 1 的中央部分。
所述钻具的组成件 ( 尤其是如图 1 至 12 所示的钻杆列组的钻杆 ) 被制成管形， 彼 此端对端地相连， 以便其中央导管 3 处于其彼此的延长线上， 构成钻探流体自上而下、 如图 2 中箭头 4 所示从实施钻探的地面直至所述钻具工作的井眼底部循流的连续的中央空间。 然后， 钻探流体或泥浆在限定在井眼壁和所述钻杆列组的外表面之间的环形空间内上升， 参见箭头 5。 钻具可具有钻杆、 重型钻杆、 钻铤、 稳定器或者联接件。 所述钻杆用螺栓端对端 地相连， 装配成一钻杆列组， 其构成所述钻具的长度很大、 甚至主要的一部分。
钻探流体在其在所述钻杆外部上升的过程中， 从所述钻具穿过的地质结构层向实 施钻井的地面带走岩屑。 所述钻杆列组设计成便于钻探流体在钻杆和井壁之间的环形空间 上行循流。 力求有效地带走钻屑， 且对所述井眼壁和所述钻杆列组的支承面清扫， 以便钻杆 列组在井眼内的给进。
钻杆的特征、 更一般地钻具组成件的特征有助于 ： 无论是在严格意义上的掘进过 程中还是在井底与地面之间的操作过程中， 一般的钻井作业在质量、 性能和安全方面的基 础特性。 碳氢化合物的勘探变化需要在越来越极端的地质条件下进行越来越复杂的路径测井。目前， 碳氢化合物的深度勘探通常大于 4 千米， 相对于固定设备的水平距离勘探可超过 十来千米。
本申请人已意识到钻具组成件和钻出的井眼的壁之间接触点的机械特性和液压 特性是很重要的。实际上， 钻具转动和平移地在井壁上摩擦。摩擦使钻具组成件产生缓慢 但是显著的磨损， 使井壁较快地磨损， 从而增大井眼的直径， 增加岩屑量， 大长度井眼的岩 屑量很大。此外， 应该避免岩屑在井眼和钻具之间结块阻塞。
本申请人提出一种通用的新式型件， 其可极大地减小从井底向地面和从地面向井 底的轴向摩擦系数、 和转动摩擦系数， 同时可在钻井期间动态清理整个井眼， 消除在钻杆列 组操作上升过程中可能产生的岩屑聚积。 所述型件可大大减小钻具尤其是钻杆列组的磨蚀 磨损， 且减小钻井眼的壁的磨蚀磨损。所述型件也可避免旋拧联接件的最大应力区域之间 的接触。所述型件可延长设备的使用寿命， 在钻探和操作过程中在使用期中保持其机械强 度。
所述成型钻杆 1 可用具有高机械强度的钢制成， 按原初整体结构的形式制成， 或 者按继后焊接在一起的多个段部方式获得。 特别地， 所述成型钻杆 1 可具有 ： 两个较短的成 型的端段部 6 和 7， 其形成称为 “钻具接头” 的连接钻杆的连接器 ； 以及一个管形的中央段部 8， 其长度可超过十米， 所述端段部 6 和 7 与中央段部 8 焊接在一起。所述中央段部 8 的外 径可小于所述端段部的外径。所述长的中央段部 8 与所述短的端段部 6、 7 分开制造， 可大 大减少废料量， 尤其是加工屑。这样， 材料利用效率大为提高。所述中央段部 8 可呈管形， 其具有基本上不变的孔径和基本上不变的外径 ( 所述钻杆的标称直径 )， 可选地， 朝向所述 端段部 6 和 7 的端部留有厚度余量， 以方便焊接于所述端段部 6 和 7。
一般来说， 在下文中， 从所述段部 6 的自由端至所述段部 7 的自由端地给出下述说 明。所述段部 6( 阴式连接件 ) 具有一个其环形外表面呈圆柱状的阴式连接段部 9， 所述阴 式连接段部 9 具有一孔腔， 所述孔腔配有阴螺纹 9a， 用于连接于另一钻杆 1 的阳螺纹。例 如， 根据 API7 技术规格， 或者根据本申请人的专利之一例如 US 7 210 710、 US 6 513 840 之一， 所述阴螺纹 9a 可呈截锥形。所述连接段部 9 构成所述端段部 6 和所述钻杆 1 的自由 端。
然后， 所述端段部 6 在外表面上具有一作用区域 10， 该作用区域的剖面图在图 3 上 给出。所述作用区域 10 的外表面相切于所述连接段部 9 的圆柱形外表面， 同时可以相对于 所述连接段部 9 的外径具有一个非常轻度的环形凹腔， 然后， 具有越来越大的外径。所述作 用区域 10 具有多个呈螺旋状形成的凹槽 11， 其具有有利于泥浆沿所述钻杆列组的旋转方 向上升的总体形状 ( 包括斜度 )， 该旋转方向在图 1 和 3 至 6 上由箭头 91 示出。所述凹槽 11 从所述连接段部 9 的圆柱形外表面， 轴向延伸至所述作用区域 10 的端部附近。 所述凹槽 11 的螺旋相对于轴线 2 的倾斜角可为 7 度至 45 度之间。
所述凹槽 11 的底部具有 ： 一个部分 11a， 其直径相对于所述连接段部 9 逐渐减小 ； 一个环形底部 11b， 其长度小 ； 以及一个倾斜部分 11c， 其在相对于所述连接段部 9 一侧， 直 至相接于所述作用区域 10 的外径。所述作用区域 10 的外表面的环形凹腔基本上位于所述 凹槽 11 的所述倾斜部分 11a 处。如图 3 所示， 所述凹槽 11 具有不对称的勺状型面， 在一侧 相对于所述作用区域 10 的圆柱形外表面呈钝角， 而在相对一侧呈锐角。所述锐角可沿所述 钻杆列组的旋转方向 ( 箭头 91) 布置在所述凹槽的后侧或出口侧。这里， 应当指出， 钻杆列组被驱动始终沿相同方向旋转， 以避免螺纹联接件旋松开。布置在所述凹槽的前侧或进口 侧的钝角设计成便于流体细流进入所述凹槽 11 内。所述凹槽 11 借由其不对称的型面而确 保排屑作用。
特别是， 所述作用区域 10 可配有凹槽 11， 其数量为七至十个之间， 例如九个。 所述 部分 11a 的轴向长度可为 10 毫米至 70 毫米之间， 优选地为 35 毫米至 45 毫米之间， 例如等 于 39 毫米。所述中央部分 11b 的轴向长度可为 5 毫米至 40 毫米之间， 优选地为 10 毫米至 15 毫米之间， 例如等于 11 毫米。所述第一部分 11a 相对于所述轴线的角度 α1 可为 10°至 30°之间， 优选地为 15°至 25°之间， 例如等于 20°。所述部分 11c 的角度 β1 可为 30° 至 60°之间， 优选地为 40°至 50°之间， 例如等于 45°。所述各部分之间的连接倒圆可为 3 毫米至 10 毫米之间的半径。所述凹槽 11 的深度可为 5 毫米至 20 毫米之间， 优选地为 10 毫米至 15 毫米之间。所述凹槽 11 的下游边缘的与 γ1 互补的锐角可为 50°至 80°之间， 优选地为 60°至 70°之间， 例如等于 65°。所述作用部分 10 的外部上的两个凹槽 11 之 间的距离 d1 可为 20 毫米至 40 毫米之间， 例如为 25 毫米至 30 毫米之间。所述作用区域 10 确保钻井 ( 钻杆列组旋转下行 ) 时泥浆和岩屑的循流作用以及钻杆列组上升时对井壁的刮 擦。 然后， 所述钻杆 1 在其外表面上、 远离开所述连接部分 9 地具有一支承区域 12。 所 述支承区域 12 具有一导向段部 13、 一中央支承段部 14 和一导向段部 15。沿着钻井泥浆在 所述钻杆 1 的外流动的方向 5， 所述导向段部 13 位于下游， 而所述导向段部 15 位于上游。 所述支承区域 12 的轴向长度可约为 50 毫米至 110 毫米之间， 优选地约为 70 毫米至 80 毫 米之间。所述中央支承段部 14 呈回转圆柱形， 其外径大于所述钻杆 1 的其它部分的外径。
所述导向段部 13 和 15 呈回转圆形外形， 例如呈环形、 尖拱形或椭圆形。所述导向 段部 13 和 15 外切于所述中央支承段部 14。所述导向段部 13 外切于所述作用区域 10 的外 表面。所述导向段部 15 外切于下面将予以说明的所述作用区域 16。所述支承段部 14 的 长度可约为所述支承区域 12 的长度的一半。所述导向段部 13 和 15 每个的长度可约为所 述支承区域 12 的长度的四分之一。所述导向段部 13 和 15 在呈环形的情况下， 其曲率半径 约为 50 毫米至 100 毫米之间， 优选地为 70 毫米至 80 毫米之间。所述支承区域 12， 特别是 所述支承段部 14， 可用比所述钻杆 1 的其余部分更硬的材料制成覆层或铺面的形式。所述 硬质的材料可包括碳化钨或碳化铬。所述硬质材料的厚度可为 1 毫米至 10 毫米之间， 例如 为 2 毫米至 4 毫米之间。所述硬质材料呈一硬覆层的形式， 该覆层可通过热焊接或热喷射 操作 ( 例如使用火焰或等离子体 ) 提供。所述支承区域 12 设置用于在钻探的井眼的壁上 承受旋转的轴向摩擦。 所述支承区域 12， 特别是所述导向段部的型面， 可使流体产生流体轴 承的作用。
所述作用区域 16 沿钻井泥浆在所述钻杆 1 外部的流动方向布置在所述支承区域 12 的上游， 作用区域 16 的外径一般沿箭头 5 所示的钻井泥浆的流动方向越来越大。外形 例如可呈凸卵形。所述作用区域 16 在一侧相切地连接于所述支承区域 12 的所述导向段部 15， 并可在其连接于另一钻杆 1( 升降机锥体 ) 之前， 在另一侧连接于所述钻杆 1 的垂直支 承锥面。所述作用区域 16 具有多个凹槽 17， 这些凹槽的总体形状类似于所述凹槽 11 的总 体形状， 但具有不同的尺寸。所述凹槽 17 的数量可为四至八个之间， 例如为六个。所述作 用区域 16 确保在钻探 ( 钻杆列组下行 ) 时将泥浆和岩屑铲动， 使得泥浆循流。为了增大泥
浆在所述上游作用区域 16 和下游作用区域 10 之间的轴向速度， 由此增大泥浆的循流作用， 位于所述凹槽 17 下游的所述凹槽 11 的螺旋相对轴线的斜度可小于所述凹槽 17 的斜度。
一个凹槽 17 具有一个靠近所述导向段部 15 的下游部分 17a、 一个具有圆柱形底 部的中央部分 17b、 以及一个其直径沿箭头 5 的方向逐渐减小的上游部分 17c。所述下游部 分 17a 可相对于所述轴线 2 具有角度 β2， 角度 β2 为 30°至 60°之间， 优选地为 40°至 50°之间， 例如等于 45°。所述上游部分 17c 可相对于所述轴线 2 具有角度 α2， 角度 α2 为 10°至 30°之间， 优选地为 15°至 25°之间， 例如等于 20°。所述中央部分 17b 的轴向 长度可为 20 毫米至 60 毫米之间， 优选地为 30 毫米至 40 毫米之间， 例如等于 36 毫米。所 述上游部分 17c 的轴向长度可为 10 毫米至 50 毫米之间， 优选地为 20 毫米至 30 毫米之间， 例如等于 24 毫米。所述中央部分 17b 的直径可小于所述作用区域 10 的凹槽 11 的中央部 分 11b 的直径。所述凹槽 17 的深度可大于所述凹槽 11 的深度， 优选地大于两倍以上。所 述凹槽 17 的深度可为 20 至 30 毫米之间， 优选地为 25 至 28 毫米之间。优选地， 所述凹槽 的圆柱形底部 17b 和所述孔径 3 之间的材料厚度大于将在后面予以说明的所述连接区域 18 的材料厚度。例如， 凹槽底部的直径可大于或等于所述连接区域 18 的外径。
图 4 上以剖面图示出的所述凹槽 17 沿钻杆列组的旋转方向的上游边缘相对于所 述作用区域 16 的回转外表面成钝角， 在下游一侧成一锐角， 该锐角与 γ2 互补， 例如为 50° 至 80°之间， 优选地为 60°至 70°之间， 例如等于 65°。两个凹槽 17 之间的距离 d2 可为 10 毫米至 50 毫米之间， 优选地为 20 毫米至 40 毫米之间， 例如在所述距离最小的区域等于 30 毫米。
在所述作用区域 16 之外， 所述端段部 6 可具有 ： 一锥形升降区域 92( 用于在一钻 杆连接于另一钻杆之前该钻杆由井架升降机升起和保持时支承所述钻杆 )， 其相切于所述 作用区域 16 的外表面 ； 然后， 是具有圆柱形外表面的一连接区域 18， 直至其焊接于所述中 央段部 8 的端部。
所述上游端段部 7( 阳式连接件 ) 具有与所述端段部 6 的形状极通常地呈对称的 形状。所述端段部 7 在其外表面上、 沿箭头 4 的方向具有 ： 一个连接区域 19 ； 一个配有凹槽 21 的作用区域 20 ； 一个支承区域 22， 其具有一下游导向段部 23、 一个中央支承段部 24 和一 个上游导向段部 25 ； 一个配有凹槽 27 的作用区域 26 ； 和一个阳式连接区域 28。
确切地说， 所述连接区域 19 具有回转圆柱形外形， 其在一侧焊接固定于所述中央 段部 8， 且在相对一侧相切于所述作用区域 20。所述作用区域 20 配有凹槽 21， 凹槽 21 的数 量为四至八个之间， 例如等于六个。所述凹槽 21 可具有图 5 以剖面图所示的几何特征， 这 些几何特征接近于所述凹槽 17 的几何特征， 但深度略微小一些。所述作用区域 20 确保钻 井 ( 钻杆列组下行 ) 时泥浆和岩屑的循流作用以及钻杆列组上升时对井眼的刮擦。
以轴向剖面来看， 参见图 2 和 8， 所述凹槽 21 具有两个主要部分， 替代所述凹槽 11 和 17 有三个主要部分。所述凹槽 21 具有一下游部分 21a， 其位于所述连接区域 19 的外表 面的延伸部分中， 以便在所述凹槽 21 的部分 21a 处保持钻杆壁厚， 该壁厚至少等于所述连 接区域 19 的壁厚。换句话说， 在所述下游区域 21a， 所述凹槽 21 的底部基本上是平面。除 了所述下游部分 21a 之外， 所述凹槽 21 还具有一倾斜的上游部分 21b， 用于连接所述作用区 域 20 的外径。所述上游部分 21b 相对于所述轴线 2 可具有倾斜角 β3， 其为 30°至 60°之 间， 优选地为 40°至 50°之间， 例如等于 45°。所述作用区域 20 的外表面在所述连接区域 19 和所述支承区域 22 之间具有一般的隆起形状， 例如尖拱形。所述下游部分 21a 的轴 向长度可为 50 毫米至 100 毫米之间， 优选地为 60 毫米至 80 毫米之间， 更优选地小于所述 导向段部的平均半径。所述凹槽 21 之间的距离 d3 可等于所述距离 d2。
所述支承区域 22 可具有与所述支承区域 12 相似的几何、 物理和 / 或化学特征。 所 述下游导向段部 23 相切于所述作用区域 20 的外表面和所述支承段部 22 的外表面。所述 上游导向段部 25 相切于所述作用区域 26 的外表面和所述支承段部 22 的外表面。
所述作用区域 26 具有多个凹槽 27， 例如， 其数量为五至十个之间， 例如七个。 所述 作用区域 26 的外表面具有一个沿箭头 5 的方向直径越来越大的部分， 然后是一个直径逐渐 减小的部分 -- 该部分连接于所述连接段部 28 的外径。所述凹槽 27 的底部具有一个沿箭 头 5 的方向直径越来越大的下游部分 27a， 一个具有圆柱形底部的中央部分 27b， 以及一个 沿箭头 5 的方向直径逐渐减小的上游部分 27c。所述下游部分 27a 可相对于所述轴线 2 具 有角度 β4， 其为 30°至 60°之间， 优选地为 40°至 50°之间， 例如等于 45°。所述上游 部分 27c 可相对于所述轴线 2 具有角度 α4， 其为 10°至 30°之间， 优选地为 15°至 25° 之间， 例如等于 20°。所述中央部分 27b 的直径可介于所述凹槽 11 的中央部分 11b 的直径 和所述凹槽 17 的中央部分 17b 的直径之间。所述中央部分 27b 的轴向长度可为 10 毫米至 50 毫米之间， 优选地为 20 毫米至 30 毫米之间。所述上游部分 27c 的轴向长度可为 20 毫米 至 80 毫米之间， 优选地为 40 毫米至 60 毫米之间， 例如等于 53 毫米。所述作用区域 26 确 保钻井 ( 钻杆列组下行 ) 时刮铲泥浆和岩屑并使其再循流。为了增大泥浆在所述上游作用 区域 26 和下游作用区域 20 之间的轴向速度， 由此增大岩屑的上升排出， 位于所述凹槽 27 下游的所述凹槽 21 的螺旋相对所述轴线的斜度可小于所述凹槽 27 的斜度。
以横剖面图所示， 参见图 6， 所述凹槽 27 沿钻杆列组的旋转方向的上游边缘相对 于所述作用区域 26 的外圆周成钝角， 而在下游边缘一侧成一锐角， 该锐角与 γ4 互补， 例 如， 相对于所述外圆周来说， 角度为 50°至 80°之间， 优选地为 60°至 70°之间， 例如等于 65°。所述凹槽 27 的深度可为 15 毫米至 30 毫米之间， 优选地为 20 毫米至 25 毫米之间。 所述凹槽之间的距离 d4 可为 10 毫米至 40 毫米之间， 优选地为 20 毫米至 35 毫米之间， 例 如等于 25 毫米。
位于所述作用区域 26 上游的所述连接区域 28 具有回转圆柱形外形。所述连接区 域 28 也具有阳螺纹 28a， 其设置用于同相应的阴螺纹配合。
在所示的实施方式中， 所述成型元件 1 具有两个彼此隔开的支承区域 12 和 22， 每 个支承区域由两个作用区域 10 和 16、 相应地 20 和 26 围绕。根据所述成型元件 1 的长度， 所述支承区域 12 和 22 之间的距离可较大， 例如约为 5 至 15 米之间。有利地， 按分开的段 部 6、 7 和 8 的方式制造所述成型钻杆 1。所述中央段部 8 呈一回转件的形式， 该回转件的最 大直径显然小于所述端段部 6 和 7( 工具联接件 ) 的最大直径， 所述中央段部 8 可用一管形 坯件制成， 所述管形坯件的外径比所述端段部 6 和 7 的外径小， 例如净小约 15％至 30％之 间。这样， 相对于用一整体坯件制造一钻杆 1 来说， 加工材料量大为减少。在所述作用区域 的凹槽加工之前或之后， 以及在所述支承区域 12 和 22 的硬质加强部分形成之前或之后， 所 述段部 6、 7 和 8 例如通过摩擦焊接方法焊接在一起。
钻具可由一些钻杆 1 组成， 钻杆上附加或不附加其它构件， 例如联接件、 或重型钻 杆、 钻铤或稳定器。特别有利地， 钻具尤其是钻杆列组用大比例的钻杆 1 组成， 从而确保极好的钻井特性， 尤其是给进线速度、 小驱动力矩和钻探井眼的低磨蚀。实际上， 所述作用区 域 10、 16、 20 和 26 引起位于所述钻杆 1 外部的钻井泥浆和岩屑进行具有刮铲作用的运动， 在钻屑趋向于在钻出井眼中沉积的基本上呈水平的斜井的情况下， 则尤其如此。所述作用 区域鉴于其螺旋形斜度和钻具的旋转方向， 确保铲除这些沉积物和趋向于使这些沉积物沿 箭头 5 的方向上升。一般来说， 所述支承区域 12、 22 用其硬度大于所述钻杆 1 的其余部分 的硬度的材料， 实施在径向厚度上， 使得所述支承段部的外径减去所述径向厚度的两倍大 于所述构件的螺纹部分的外径。
至少一个导向段部可呈环面形， 优选地， 其平均半径大于 20 毫米， 优选地大于 60 毫米， 以便形成一流体轴承。
至少一个作用区域可具有朝所述支承区域增大的外径。
至少一个导向段部可具有穹隆形或椭圆形形状。
所述支承段部的长度可为 20 毫米至 50 毫米之间， 优选地为 30 毫米至 40 毫米之 间。
所述支承区域的长度可为 50 毫米至 100 毫米之间， 优选地为 70 毫米至 80 毫米之 间， 更优选地小于所述导向段部的平均半径。
图 15 示出两个钻杆 1 由其螺纹部分 9a 和 28a 进行组装。所述钻杆之一的所述支 承区域 12 和所述作用区域 10、 16 相对地靠近另一钻杆的所述支承区域 22 和所述作用区域 20 和 26( 距离约小于 0.50 米 )。鉴于泥浆和岩屑在所述钻杆列组外部的循流方向 5， 所述 泥浆和岩屑首先遇到所述作用区域 16， 然后遇到所述支承区域 12， 然后遇到所述作用区域 10， 然后在数十厘米处遇到所述作用区域 26， 然后遇到所述支承区域 22， 最后遇到所述作 用区域 20。
由于这些区域的靠近性， 可能有利的是， 寻求增大泥浆和岩屑沿这些不同区域的 轴向速度。为此， 可选择所述凹槽的倾斜角， 例如， 该角度从最上游的凹槽 17 至最下游的凹 槽 21 单一地减小。换言之， 所述凹槽 21 的倾斜角可选择成小于所述凹槽 27 的倾斜角， 所 述凹槽 27 的倾斜角可选择成小于所述凹槽 11 的倾斜角， 所述凹槽 11 的倾斜角可选择成小 于所述凹槽 17 的倾斜角。
一个钻杆 41 可具有一个端段部 7( 阳式工具连接件 )， 其在一下游支承区域 22 的 下游具有一作用区域 20， 在一上游支承区域 42 的上游具有一作用区域 26， 且在所述下游支 承区域和上游支承区域之间具有一作用区域 46， 参见图 10。所述钻杆 41 使泥浆具有加大 的活化作用， 使之在井壁上进行极佳的滑移运动。
一钻杆 31 可具有一个段部 6( 阴式工具连接件 )， 其在一上游支承区域 12 的上游 具有一作用区域 16， 且在一下游支承区域 32 和所述上游支承区域 12 之间具有一作用区域 11， 见图 9。所述部分 31 具有两个支承区域和两个作用区域。
在图 11 所示的实施方式中， 所述成型元件 1 是一钻铤 (masse-tige)。 所述成型元 件 1 具有四个支承区域 12、 22、 52 和 62， 每个支承区域被作用区域 10 和 16、 20 和 26、 50 和 56、 60 和 66 围绕。
在图 12 所示的实施方式中， 所述成型元件 1 是一重型钻杆。所述成型元件 1 具有 四个支承区域 12、 22、 52 和 62， 每个支承区域被作用区域 10 和 16、 20 和 26、 50 和 56、 60 和 66 围绕。在图 13 所示的实施方式中， 配置一稳定器 70， 例如， 其布置在一钻杆列组下端的 下面。所述稳定器 70 在一端具有阳螺纹， 在另一个端部具有阴螺纹。
所述稳定器 70 在其外表面上具有一支承区域 12， 所述支承区域 12 具有下游支承 段部 14 和上游支承段部 74 两个支承段部， 在所述支承区域 12 的下游和上游相应地具有两 个作用区域 10 和 16。所述支承区域 12 具有两个导向段部 13、 15， 所述两个导向段部 13、 15 相应地在所述作用区域 10 和所述下游支承段部 14 之间以及在所述作用区域 16 和所述 上游支承段部 74 之间， 。所述支承区域 12 在所述下游支承段部 14 和所述上游支承段部 74 之间具有一连接段部 73。所述连接段部的外径可小于所述支承段部 14 和 74 的外径。所述 作用区域 10 的外径可不同于所述作用区域 16 的外径。
所述稳定器 70 在所述阳螺纹和所述支承区域 12 之间具有一第一管形部分， 且在 所述阴螺纹和所述支承区域 12 之间具有一第二管形部分。每个管形部分的外径小于所述 支承区域 12 的最大直径， 优选地， 小于所述支承区域 12 的最大直径的 65％。 所述第一管形 部分的外径大于或等于所述第二管形部分的外径。所述第一管形部分的长度可为 254 毫米 至 1219 毫米之间。
所述呈总体螺旋形的凹槽 71 可至少布置在所述支承区域 12， 按在所述凹槽 71 之 间构成稳定器的叶片 75 的方式布置。所述凹槽 71 至少从所述下游支承段部 14 延伸至所 述上游支承段部 74。所述凹槽 71 的数量可为两个至六个， 例如为三个。所述凹槽 71 相对 于所述轴线 2 具有 15°至 35°之间的倾斜角。所述倾斜角可介于所述作用区域 10 的凹槽 11 的倾斜角和所述作用区域 16 的凹槽 17 的倾斜角之间。所述凹槽 71 可从所述作用区域 10 延伸至所述作用区域 16。所述凹槽 71 可在其端部通到凹槽 11 和 17 的至少一部分， 例 如六个中的三个。所述凹槽 71 确保钻探泥浆的循流作用， 所述稳定器的外径可以接近井眼 的直径， 至少某些叶片 75 支靠在井眼的内表面上。
在图 14 所示的实施方式中， 一连接件或 “过渡接头” 80 没有凹槽 71。所述连接件 80 可具有 ： 一个与图 10 所示的支承区域类似的支承区域 41 ； 在一端具有的阳螺纹 ； 在另一 端具有的阴螺纹 ； 在所述阳螺纹和所述支承区域 41 之间具有的一个第一管形部分 ； 和在所 述阴螺纹和所述支承区域 41 之间具有一个第二管形部分。每个管形部分的外径小于所述 支承区域 12 的最大直径， 所述支承区域 12 的最大直径可远小于钻探井眼的直径。所述第 一和第二管状部分的惯性可接近相邻组成件的端部的惯性。这样， 如果相邻于所述第一部 分的所述组成件是一钻铤， 则所述第一部分的惯性可接近于所述钻铤的惯性。如果相邻于 所述第二部分的所述组成件是一重型钻杆， 则所述第二部分的惯性可接近所述重型钻杆的 惯性。
每个稳定器 70 或连接件 80 可用作在一个井底组件和一个可在其下端装有重型钻 杆的钻杆列组之间的联接件。在一实施方式中， 一个稳定器 70 或连接件 80 布置在成为所 述钻杆列组的组成部分的一个重型钻杆 ( 或者如不配置重型钻杆则为一个标准钻杆 ) 和一 个钻铤或另一个成为所述井底组件的组成部分的部件之间。特别是， 所述钻铤的上管形部 分的外径可不同于所述稳定器 70 或所述连接件 80 的第一管形部分的外径。所述重型钻杆 的下管形部分的外径可不同于所述稳定器 70 或所述连接件 80 的第二管形部分的外径。应 当指出， 所述稳定器通常布置在所述井底组件中 ( 例如朝下端和上端 )。一个稳定器 70 或 一个连接件 80 配置在所述钻杆列组和所述井底组件之间， 在进行钻具上升的所谓 “回钻”时， 提供特殊的优越性。在标准配置中 ( 在所述井底组件和所述钻杆列组之间无 70、 80 类 型的组成件 )， 实际上， 在钻具处于回钻 (backreaming) 上升状态时， 趋于在所述井底组件 的上面形成岩屑或 “泥沙” 积聚。发明人注意到， 特别有益于排出岩屑的作用是在所述井底 组件和所述钻杆列组之间至少布置一个组成件 70、 80。此外， 一个连接件 80 可在所述井底 组件的一个钻铤的大惯性和一个重型钻杆的或一个标准钻杆的较小的惯性之间实施过渡。
一般来说， 所述凹槽 11、 17、 21、 27 可具有一个部分， 该部分具有沿着相交于所述 轴线的一个平面倾斜的底部， 靠近相邻支承区域， 该平面相对于所述轴线的倾斜度为 30° 至 60°之间， 优选地为 40°至 50°之间。
至少一部分凹槽 11、 17、 21、 27 可具有一中央部分， 其底部沿着一个基本上与所述 轴线平行的平面延伸。
一个钻杆可在一个第一支承区域上游的一个作用区域和一个第二支承区域下游 的一个作用区域之间具有一个基本上呈管形的部分。
位于所述第二支承区域上游的所述作用区域的凹槽可具有一个倾斜部分， 其远离 相邻的支承区域， 其底部沿着与所述轴线相交的平面倾斜。该平面相对于所述轴线的倾斜 度可为 10°至 30°之间， 优选地为 15°至 25°之间。 位于所述第二支承区域上游的所述作用区域的凹槽可具有 ： 一个与所述支承区域 相远离的部分， 其底部沿着与所述轴线相交的平面倾斜， 其长度为 20 毫米至 80 毫米之间， 优选地为 40 至 60 毫米之间 ； 和一个中央部分， 其底部沿着基本上与所述轴线平行的平面延 伸， 其长度为 10 毫米至 50 毫米之间， 优选地为 20 毫米至 30 毫米之间。
位于所述第二支承区域下游的所述作用区域的凹槽可具有一个其底部沿着基本 上与所述轴线平行的平面延伸的部分， 其长度为 50 毫米至 120 毫米之间， 优选地为 70 毫米 至 80 毫米之间。
位于所述第二支承区域下游的所述作用区域的凹槽可具有一个部分， 该部分的底 部沿着基本上与所述轴线平行的且相切于基本上呈管形表面的外表面的平面延伸。
位于所述第一支承区域上游的所述作用区域的凹槽可具有一个部分， 其底部沿着 与所述轴线相交的平面倾斜， 远离相邻的支承区域。相对于所述轴线的倾斜度可为 10°至 30°之间， 优选地为 15°至 25°之间。
位于所述第一支承区域上游的所述作用区域的凹槽可具有 ： 一个部分， 其底部沿 着与所述轴线相交的平面倾斜， 远离相邻的支承区域， 其长度为 10 毫米至 60 毫米之间， 优 选地为 20 毫米至 30 毫米之间 ； 和一个基本上呈轴向的中央部分， 其长度为 10 毫米至 80 毫 米之间， 优选地为 30 毫米至 40 毫米之间。
位于所述第一支承区域下游的所述作用区域的凹槽可具有一个部分， 其底部沿 着与所述轴线相交的平面倾斜， 该部分远离相邻的支承区域， 相对于所述轴线的倾斜度为 10°至 30°之间， 优选地为 15°至 25°之间。
位于所述第一支承区域下游的所述作用区域的凹槽可具有 ： 一个部分， 其底部沿 着与所述轴线相交的平面倾斜， 远离相邻的支承区域， 其长度为 10 毫米至 70 毫米之间， 优 选地为 35 毫米至 45 毫米之间 ； 和一个基本上呈轴向的中央部分， 其长度为 5 毫米至 40 毫 米之间， 优选地为 10 毫米至 15 毫米之间。
一个作用区域的一个凹槽的深度与凹槽数量的乘积可为 80 毫米至 200 毫米之间，
优选地为 100 毫米至 160 毫米之间。
所述作用区域的凹槽按所述作用区域的外表面的方式可在一个边缘上成锐角， 且 在按沿着圆周方向且相对于所述作用区域的外圆周而言的相对的边缘上成钝角。 所述锐角 的数值可为 60°至 70°之间。
一个作用区域的两个凹槽之间的距离可为 10 毫米至 50 毫米之间， 优选地为 20 毫 米至 35 毫米之间。
一个作用区域的一个凹槽的深度可为 10 毫米至 40 毫米之间， 优选地为 11 毫米至 28 毫米之间。
所述凹槽呈总体螺旋形， 相对于所述轴线的角度从一个支承区域的上游至下游逐 渐减小。
一个上述段部可在其端部之一配有一个螺纹联接件， 而在另一端不配有螺纹。因 此， 一个钻杆可具有至少一个这种段部 ( 其例如由一个工具连接件构成 ) 和一个管子， 所述 管子的一个端面焊接在所述段部的没有螺纹的端部上 ( 所谓的对焊 )。所述钻杆可具有两 个段部， 其由一管子连接， 所述管子由其端面焊接在每个段部的没有螺纹的端部处。 一个钻 杆列组可至少具有 80％的本发明的钻杆， 甚至 100％的本发明的钻杆。
布置一钻杆元件， 可大大改善钻井性能， 尤其是使给进速度提高约 10％至 30％之 间， 减小摩擦力矩约 10％至 60％之间， 减小轴向摩擦约 10％至 50％之间， 延长钻杆列组的 使用寿命约 10％至 30％之间， 增加钻井眼全长约 1 千米至 2 千米之间。