一种钛合金钻杆的制作方法

1.本发明涉及油井管螺纹连接的石油钻杆接头技术领域，尤其涉及一种钛合金钻杆。


背景技术：

2.一根根的石油钻杆通过接头连接起来，形成长达数千米的钻柱。钻柱工作条件十分恶劣，受力情况非常复杂，接头是其中最为薄弱的环节。现有的钛合金钻杆是参照api 5dp和spec 7-2进行设计和交货.
3.常用钻杆接头如附图1所示，内螺纹7由外台肩面70和内螺纹部分71组成，外螺纹8由外台肩面80和外螺纹部分81组成。
4.常用钻杆接头螺纹如附图2所示，内螺纹部分71由螺纹导向面rs、承载面rl、牙顶rt、圆弧形牙底rr和牙型角ra组成，外螺纹部分81由螺纹导向面rs、承载面rl、牙顶rt、圆弧形牙底rr和牙型角ra组成。这种结构的钻杆接头，按照推荐上扣扭矩旋紧，主台肩面之间产生过盈，达到密封效果。螺纹啮合后，螺纹牙之间只有牙侧接触，齿顶与齿底间仍有环形空隙，在载作用下螺纹牙容易发生小位移。
5.与常规钢钻杆相比，钛合金钻杆柔性大、质量轻、耐疲劳、耐腐蚀，常应用于深井、超深井、高腐蚀、超短半径侧钻等狗腿度较大的特殊工艺油气井中。如狗腿度在45
°‑
55
°
/30米之间，标准钛合金钻杆接头在连续旋转五万次后，出现大批螺纹粘扣，螺纹抗粘扣性能差、修复率很高。另外，由于主台肩的存在，螺纹啮合后外螺纹连接断面产生预拉伸载荷，通常为材料屈服强度的60％，加之应力集中效应，公螺纹大端啮合的前三牙螺纹牙底局部应力甚至会超过材料屈服强度，导致危险截面交变平均应力水平较高，因此该钻杆接头的疲劳性能低。


技术实现要素：

6.本发明专利的目的在于提供一种钛合金钻杆连接方式，主要解决上述钻杆接头在承受较大复合载荷作用时，螺纹抗粘扣能力差、修复率高，接头疲劳性能低等技术问题。
7.为了实现上述目的，本发明专利所采用的技术方案是：一种钛合金钻杆，包括钻合金钻杆管体、钛合金钻杆管体两端的内螺纹接头和外螺纹接头，所述内螺纹接头由焊径区域、吊卡区域、大钳区域和内螺纹区域组成，其中内螺纹区域包括内螺纹外端面、带锥度的内螺纹段、内螺纹内端面；所述外螺纹接头由焊径区域、吊卡区域、大钳区域和外螺纹区域组成，其中外螺纹区域包括外螺纹外端面、带锥度的外螺纹段和外螺纹内端面组成；所述内螺纹区域加工有带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹，所述外螺纹区域加工有带锥度的粗牙楔形燕尾外螺纹。
8.进一步的，所述内螺纹接头的内螺纹区域的外端面为直角，内端面为负角，角度为5-10
°
，外螺纹接头的外螺纹区域的外端面为直角，内端面为负角，角度为5-10
°
，内端面与内端面为相互配合关系，相互匹配时，其负角相等。
9.进一步的，所述带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹包括内螺纹导向面、承载面、导向面牙侧角、承载面面牙侧角、齿顶、齿底、齿顶轮廓线、齿底轮廓线、导向面高度、承载面高度、导向面螺距、承载面螺距。
10.进一步的，所述带锥度的粗牙楔形燕尾外螺纹包括外包括外螺纹导向面、承载面、导向面牙侧角、承载面面牙侧角、齿顶、齿底、齿顶轮廓线、齿底轮廓线、导向面高度、承载面高度、导向面螺距、承载面螺距。
11.进一步的，所述带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹的锥度范围为1：8～1：36，带锥度的粗牙楔形燕尾外螺纹的锥度范围为1：8～1：36，带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹与带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹为相互连接的内外螺纹关系，相互匹配连接时其锥度一般相同。
12.进一步的，所述带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹导向面牙侧角的角度为-10
°
～5
°
，承载面牙侧角的角度为-3
°
～-10
°
；所述带锥度的粗牙楔形燕尾外螺纹的导向面牙侧角的角度为-10
°
～5
°
，承载面牙侧角的角度为-3
°
～-10
°
。
13.进一步的，所述带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹的齿顶与螺纹轴线的夹角为0～3.58
°
，齿底与螺纹轴线的夹角为0～3.58
°
，齿顶与齿底平行；齿顶轮廓线与螺纹轴线的夹角为0～3.58
°
，齿底轮廓线与螺纹轴线的夹角为0～3.58
°
，齿顶轮廓线与齿底轮廓线平行。
14.进一步的，所述带锥度的粗牙楔形燕尾外螺纹的齿顶与螺纹轴线的夹角为0～3.58
°
，齿底与螺纹轴线的夹角为0～3.58
°
，齿顶与齿底平行；齿顶轮廓线与螺纹轴线的夹角为0～3.58
°
，齿底轮廓线与螺纹轴线的夹角为0～3.58
°
，齿顶轮廓线与齿底轮廓线平行。
15.进一步的，所述带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹的导向面高度介于2.2mm～3.5mm，承载面高度介于2.2mm～3.5mm，导向面高度大于承载面高度(hl)。导向面螺距(ps)介于8.5～16mm，承载面螺距(pl)介于8.55～16.5mm，导向面螺距比承载面螺距小0.05～0.5mm。
16.进一步的，所述带锥度的粗牙楔形燕尾外螺纹的导向面高度介于2.2mm～3.5mm，承载面高度介于2.2mm～3.5mm，导向面高度大于承载面高度。导向面螺距介于8.5～16mm，承载面螺距介于8.55～16.5mm，导向面螺距(ps)比承载面螺距小0.05～0.5mm。
17.进一步的，所述内螺纹的长度比所述外螺纹的长度小0.12-1.2mm。
18.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
19.1、本发明钛合金钻杆，采用带锥的粗牙燕尾楔形螺纹连接，在上扣过程中，相互滑移接触路径小，能很快完成上扣过程，螺纹之间磨损小。该连接方式螺纹导向侧、承载侧、齿顶和齿底，至少有三个面相互接触，能够增大啮合后螺纹牙之间的接触面积，减小螺纹在承受载荷时的相对位移，增加螺纹的抗粘扣性能，减小螺纹修复率；内外燕尾型螺纹牙侧面为负角，齿与齿之间互为爪手，在承受拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷和复合载荷时，均无法使预紧力消失，具有良好的气密封性能，其连接安全性及密封性不受载荷影响。
20.2、本发明钛合金钻杆，上扣后，螺纹及内台肩啮合接触，产生微小过盈，能够代替原先主台肩面的密封作用。外台肩不接触，降低了公螺纹危险截面处的应力约496mpa(以钻杆接头材料屈服强度为827mpa为例)，降低了接头螺纹危险截面处的平均应力约496mpa，平均应力降低能大幅度提高接头螺纹的疲劳寿命，因此该连接方式具有高的疲劳性能。
21.3、本发明钛合金钻杆，适用于高压天然气井、深井、超深井、大位移水平井、大斜度井、超短半径侧钻等狗腿度较大的特殊油气井中。
22.4、本发明钛合金钻杆，根据材料几何尺寸和机械性能设计要求，可采用单阶或双
阶或多阶螺纹连接。
附图说明
23.图1是现有技术中常用钻杆连接方式剖面图。
24.图2是现有技术中常用钻杆接头螺纹旋合剖面图。
25.图3是现有技术中常用钻杆接头螺纹齿形剖面图。
26.说明：图1-图3中，1：钛合金钻杆管体，2：内螺纹接头，3：公螺纹接头，7：内螺纹，8：外螺纹，71：内螺纹外台肩，72：内螺纹螺纹段，81：外螺纹外台肩，82：外螺纹螺纹段。rs:螺纹导向面，rl:螺纹承载面，rr:圆弧形螺纹牙底，rt:螺纹牙顶，ra:螺纹牙形角。
27.图4是本发明实施例1中一种钛合金钻杆连接方式剖面图。
28.图5是本发明实施例1中一种钛合金钻杆接头螺纹旋合剖面图。
29.图6是本发明实施例1中一种钛合金钻杆接头螺纹齿形剖面图。
30.说明：图4-图6中：1：钛合金钻杆管体，2：内螺纹接头，3：公螺纹接头，21：内螺纹焊径区域母螺纹导向面，22：内螺纹吊卡区域，23：内螺纹大钳区域，24：内螺纹区域，31：外螺纹焊径区域母螺纹导向面，32：外螺纹吊卡区域，33：外螺纹大钳区域，34：外螺纹区域，241：内螺纹外端面，242：带锥度的内螺纹段，243：内螺纹内端面，341：外螺纹外端面，342：带锥度的外螺纹段，343：外螺纹内端面，b:带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹，p:带锥度的粗牙楔形燕尾外螺纹，a1：内螺纹内端面角度，b1：外螺纹内端面角度，fs:螺纹导向面，fl:螺纹承载面，t:螺纹牙顶，r:螺纹牙底，lc:螺纹轴线，lt:牙顶轮廓线，lr:牙底轮廓线，hs:导向面高度，hl:承载面高度，ps:导向面螺距，pl:承载面螺距，as:导向面牙侧角，al:承载面牙侧角，lb:内螺纹长度，lp:外螺纹长度。
具体实施方式
31.下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明专利。应理解，这些实施例仅用于说明本发明专利而不用于限制本发明专利的范围。此外应理解，在阅读了本发明专利讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明专利作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
32.实施例1
33.如图4-图6所示，一种钛合金钻杆，包括钻合金钻杆管体1、钛合金钻杆管体两端的内螺纹接头2和外螺纹接头3，所述内螺纹接头2由焊径区域21、吊卡区域22、大钳区域23和内螺纹区域24组成，其中内螺纹区域24包括内螺纹外端面241、带锥度的内螺纹段242、内螺纹内端面243；所述外螺纹接头3由焊径区域31、吊卡区域32、大钳区域33和外螺纹区域34组成，其中外螺纹区域34包括外螺纹外端面341、带锥度的外螺纹段342和外螺纹内端面343组成；所述内螺纹区域24加工有带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹b，所述外螺纹区域34加工有带锥度的粗牙楔形燕尾外螺纹p。
34.本发明中，内螺纹外端面241为直角，内螺纹内端面243为负角a1，该负角a1角度为5-10
°
；所述外螺纹外端面341，外螺纹内端面343为负角b1，该负角b1角度为5-10
°
；其中内螺纹内端面243与外螺纹内端面343为相互配合关系，其负角大小相等。
35.本发明中，带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹b依次包括内螺纹导向面fs、承载面fl、
导向面牙侧角as、承载面面牙侧角al、齿顶t、齿底r、齿顶轮廓线lt、齿底轮廓线lr、导向面高度hs、承载面高度hl、导向面螺距ps、承载面螺距pl。
36.本发明中，所述带锥度的粗牙楔形燕尾外螺纹p依次包括外包括外螺纹导向面fs、承载面fl、导向面牙侧角as、承载面面牙侧角al、齿顶t、齿底r、齿顶轮廓线lt、齿底轮廓线lr、导向面高度hs、承载面高度hl、导向面螺距ps、承载面螺距pl。
37.经过多次试验验证，内螺纹外端面241为直角，内螺纹内端面243角度为5
°
，外螺纹外端面341为直角，外螺纹内端面343角度为5
°
。
38.带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹b的锥度范围为1：12，带锥度的粗牙楔形燕尾外螺纹p的锥度范围为1：12。
39.带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹的导向面牙侧角as的角度为5
°
，承载面牙侧角al的角度为-10
°
。所述带锥度的粗牙楔形燕尾外螺纹的导向面牙侧角as的角度为5
°
，承载面牙侧角al的角度为10
°
。
40.带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹b齿顶t与螺纹轴线lc的夹角为0～3.58
°
，齿底r与螺纹轴线lc的夹角为0～3.58
°
，齿顶t与齿底r平行。齿顶轮廓线lt与螺纹轴线lc的夹角为0～3.58
°
，齿底轮廓线lr与螺纹轴线lc的夹角为0～3.58
°
，齿顶轮廓线lt与齿底轮廓线lr平行。
41.带锥度的粗牙楔形燕尾外螺纹p的齿顶t与螺纹轴线lc的夹角为0
°
，齿底r与螺纹轴线lc的夹角为0
°
，齿顶t与齿底r平行，齿顶轮廓线lt与螺纹轴线lc的夹角为2.48
°
，齿底轮廓线lr与螺纹轴线lc的夹角为2.48
°
，齿顶轮廓线lt与齿底轮廓线lr平行。
42.带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹的导向面高度hs为2.83mm，承载面高度hl为2.40mm。导向面螺距ps为10.5mm，承载面螺距pl为10.9mm。
43.带锥度的粗牙楔形燕尾外螺纹的导向面高度hs为2.83mm，承载面高度hl为2.40mm。导向面螺距ps为10.5，承载面螺距pl为10.9mm。
44.内螺纹长度lb比所述外螺纹lp长度小0.25mm。
45.本发明技术方案中，内螺纹接头与外螺纹接头结构采用双阶结构，有利于提高钻杆接头抵抗变形及抗粘扣性能。
46.采用双阶、带锥的粗牙燕尾楔形螺纹连接，减小螺纹在承受载荷时的相对位移，增加螺纹的抗粘扣性能，减小螺纹修复率；内外燕尾型螺纹牙侧面为负角，齿与齿之间互为爪手，在承受拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷和复合载荷时，具有良好的气密封性能，其连接安全性及密封性不受上述载荷影响；该连接结构降低了循环平均应力水平，大幅度提高接头螺纹的疲劳性能。该钛合金钻杆连接方式，适用于高压天然气井、深井、超深井、大位移水平井、大斜度井、超短半径侧钻等狗腿度较大的特殊油气井中。
47.以上所述仅为本发明专利的优选实施例，并非因此限制本发明专利的专利范围，凡是利用本发明专利说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明专利的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种钛合金钻杆，包括钻合金钻杆管体(1)、钛合金钻杆管体两端的内螺纹接头(2)和外螺纹接头(3)，所述内螺纹接头(2)由焊径区域(21)、吊卡区域(22)、大钳区域(23)和内螺纹区域(24)组成，其中内螺纹区域(24)包括内螺纹外端面(241)、带锥度的内螺纹段(242)、内螺纹内端面(243)；所述外螺纹接头(3)由焊径区域(31)、吊卡区域(32)、大钳区域(33)和外螺纹区域(34)组成，其中外螺纹区域(34)包括外螺纹外端面(341)、带锥度的外螺纹段(342)和外螺纹内端面(343)组成，其特征在于，所述内螺纹区域(24)加工有带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹(b)，所述外螺纹区域(34)加工有带锥度的粗牙楔形燕尾外螺纹(p)。2.如权利要求1所述的一种钛合金钻杆，其特征在于，所述内螺纹外端面(241)为直角，内螺纹内端面(243)为负角(a1)，该负角(a1)角度为5-10
°
；所述外螺纹外端面(341)，外螺纹内端面(343)为负角(b1)，该负角(b1)角度为5-10
°
；其中内螺纹内端面(243)与外螺纹内端面(343)为相互配合关系，其负角大小相等。3.如权利要求1所述的一种钛合金钻杆，其特征在于，所述带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹(b)依次包括内螺纹导向面(fs)、承载面(fl)、导向面牙侧角(as)、承载面面牙侧角(al)、齿顶(t)、齿底(r)、齿顶轮廓线(lt)、齿底轮廓线(lr)、导向面高度(hs)、承载面高度(hl)、导向面螺距(ps)、承载面螺距(pl)。4.如权利要求1所述的一种钛合金钻杆，其特征在于，所述带锥度的粗牙楔形燕尾外螺纹(p)依次包括外包括外螺纹导向面(fs)、承载面(fl)、导向面牙侧角(as)、承载面面牙侧角(al)、齿顶(t)、齿底(r)、齿顶轮廓线(lt)、齿底轮廓线(lr)、导向面高度(hs)、承载面高度(hl)、导向面螺距(ps)、承载面螺距(pl)。5.如权利要求3或4任一项所述的一种钛合金钻杆，其特征在于，所述带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹(b)的锥度范围为1：8～1：36；带锥度的粗牙楔形燕尾外螺纹(p)的锥度范围为1：8～1：36；带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹(b)与带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹(p)为相互连接的内外螺纹关系，相互匹配连接时其锥度相同。6.如权利要求3或4任一项所述的一种钛合金钻杆，其特征在于，所述带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹(b)的导向面牙侧角(as)的角度为-10
°
～5
°
，承载面牙侧角(al)的角度为-3
°
～-10
°
；所述带锥度的粗牙楔形燕尾外螺纹(p)的导向面牙侧角(as)的角度为-10
°
～5
°
，承载面牙侧角(al)的角度为-3
°
～-10
°
。7.如权利要求3或4任一项所述的一种钛合金钻杆，其特征在于，所述带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹(b)的齿顶(t)与螺纹轴线(lc)的夹角为0～3.58
°
，齿底(r)与螺纹轴线(lc)的夹角为0～3.58
°
，齿顶(t)与齿底(r)平行；齿顶轮廓线(lt)与螺纹轴线(lc)的夹角为0～3.58
°
，齿底轮廓线(lr)与螺纹轴线(lc)的夹角为0～3.58
°
，齿顶轮廓线(lt)与齿底轮廓线(lr)平行。8.如权利要求4所述所述的一种钛合金钻杆，其特征在于，所述带锥度的粗牙楔形燕尾外螺纹(p)的齿顶(t)与螺纹轴线(lc)的夹角为0～3.58
°
，齿底(r)与螺纹轴线(lc)的夹角为0～3.58
°
，齿顶(t)与齿底(r)平行。齿顶轮廓线(lt)与螺纹轴线(lc)的夹角为0～3.58
°
，齿底轮廓线(lr)与螺纹轴线(lc)的夹角为0～3.58
°
，齿顶轮廓线(lt)与齿底轮廓线(lr)平行。9.如权利要求7所述的一种钛合金钻杆，其特征在于，所述带锥度的粗牙楔形燕尾内螺纹(b)的导向面高度(hs)为2.2mm～3.5mm，承载面高度(hl)为2.2mm～3.5mm，导向面高度
(hs)大于承载面高度(hl)，导向面螺距(ps)为8.5～16mm，承载面螺距(pl)为8.55～16.5mm，导向面螺距(ps)比承载面螺距(pl)小0.05～0.5mm。10.如权利要求8所述的一种钛合金钻杆，其特征在于，所述带锥度的粗牙楔形燕尾外螺纹(p)的导向面高度(hs)为2.2mm～3.5mm，承载面高度(hl)为2.2mm～3.5mm，导向面高度(hs)大于承载面高度(hl)；导向面螺距(ps)为8.5～16mm，承载面螺距(pl)为8.55～16.5mm，导向面螺距(ps)比承载面螺距(pl)小0.05～0.5mm。11.如权利要求1所述的一种钛合金钻杆，其特征在于，所述内螺纹的长度(lb)比所述外螺纹的长度(lp)小0.12-1.2mm。

技术总结
本发明公开了一种钛合金钻杆，包括钛合金钻杆管体、钛合金钻杆管体两端的内螺纹接头和外螺纹接头。钛合金钻杆管体两端的内螺纹接头和外螺纹接头是特殊扣螺纹，该特殊扣内、外螺纹接头均为带锥度的粗牙楔形燕尾螺纹；本发明提供一种上扣操作简单、抗粘扣性能优秀、修复率低、连接安全性及密封性不受复合载荷影响的高抗疲劳寿命连接。解决现有钛合金钻杆连接螺纹抗拉、抗压及抗弯曲能力差，尤其在高狗腿度时易粘扣，修复率高、抗疲劳性能差等问题。抗疲劳性能差等问题。抗疲劳性能差等问题。


技术研发人员：鲁喜宁 谢孝文 欧阳志英 舒志强
受保护的技术使用者：上海海隆石油钻具有限公司
技术研发日：2021.12.22
技术公布日：2022/3/8