抗磨损钻杆工具接头和相应的钻杆的制作方法
抗磨损钻杆工具接头和相应的钻杆的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种钻杆工具接头和相应的钻杆，更具体地涉及这样的一种钻杆工具 接头和相应的钻杆，其中其具有针对重复组装/拆卸（make-up/break-out)操作的优化的 表面硬度，以便当针对石油、天然气、页岩气、地热等钻井中使用的钻杆旋拧到一起时无需 使用螺杆润滑脂（screwgrease)，由此是环境友好的并且提高工作效率。
【背景技术】
[0002] 针对石油、天然气等钻井中使用的钻杆通过工具接头连接。为了使得工具接头传 递在钻井过程中所需的高扭矩，工具接头的外径部分形成为大于杆体的外径，而工具接头 的内径部分形成为小于杆体的内径。为此目的，通常而言，在将工具接头的销（pin)和销套 (box)结合过程中的组装扭矩值需要几倍于针对在用于生产石油、天然气等的井中使用的 套管（casing)或管件（tubing)的组装转矩值。
[0003] 另一方面，对于针对在用于生产的井中使用的套管或管件的螺纹接头的销和销套 的组装/拆卸操作的次数而言，装拆次数（triping)不能太多。因此，对于耐磨损（耐磨 痕）评估试验而言，国际标准化组织标准ISO13679限定在对于在套管中的组装/拆卸操 作的2倍而言以及对于在管件中的组装/拆卸操作的9倍而言的性能评估中的接受/拒绝 判定。然而，钻杆需要根据每种类型的钻探条件（诸如地质地层、井的斜度、深度等）更换 钻头。此外，还没有对于钻杆的ISO标准限定，但抗磨损性预计将不少于25次装拆，以及更 优选不少于50次装拆。
[0004] 对于套管或管件而言，将润滑脂（或涂布液）施加到螺纹接头的销和销套上用于 抗磨损，并且还采用诸如镀层的表面处理（参见此后的专利文献1至7)。然而，由于工具 接头的清洁造成的散布，由于涂层造成的在井底上的过多润滑脂的沉积、在工作场所中的 钻机污染排放等会对环境产生不利影响。因此，出于环境的考虑，不使用现有的螺杆润滑脂 的替代性的表面涂层处理（所谓的"无油脂"或"无涂布液"，即，没有润滑脂（也没有涂布 液）施加到螺纹接头的销和销套上）最近已投入实际使用。
[0005] 已经确定下列文献涉及到所述技术领域：
[0006] 专利文献引用清单
[0007] 专利文献 1 :TO2003-060198
[0008] 专利文献 2 :w〇2〇〇5-〇983〇o
[0009] 专利文献3:W〇2〇〇7_〇2697〇
[0010] 专利文献 4 :W02008-108263
[0011] 专利文献 5 :JP-A-2003-074763
[0012] 专利文献6 :美国专利No. 4758025
[0013] 专利文献7 :美国专利No. 4468309
[0014] 专利文献1公开了一种管状构件，其中销和销套中的至少一个涂覆有铜和锡的合 金，所述合金含有重量百分比为20 %至80 %的铜。
[0015] 专利文献2公开了一种用于钢管的螺纹接头，其中销和销套中的至少一个在其表 面处设有包括粘结剂、铜粉末和润滑性粉末的固体润滑剂涂层，以及销和销套中的另一个 涂覆有锌或锌合金涂层。
[0016] 专利文献3公开了一种用于钢管的螺纹接头，其中在销和销套中的至少一个上形 成Sn-Bi合金镀层或Sn-Bi-Cu合金镀层。
[0017] 专利文献4公开了一种用于钢管的螺纹接头，其中销和销套中的至少一个覆盖有 Cu-Zn合金或Cu-Zn-Ml合金的第一镀层（Ml是选自于Sn，Bi和In中的至少一种）和Sn-M2 合金的第二镀层（M2是选自于Bi，In，Ni，Zn，Cu中的至少一种元素）。
[0018] 专利文献5公开了一种用于油井管的接头，其中包括第一至第n层的Cu-Sn合金 镀层的第一镀层形成在销套上。
[0019] 专利文献6公开了一种防止磨损的方法，所述方法包括在销和销套中的至少一个 上设置软金属涂层，诸如Cu或Zn的非电镀金属转化涂层，并在其上涂覆润滑剂。
[0020] 专利文献7公开了一种抗磨损的方法，所述方法包括在销和销套中的至少一个上 通过离子镀沉积具有低剪切应力值的材料薄膜，所述材料诸如金，银，铅，锡，铟，钯或铜。
[0021] 虽然专利文献1至7公开固体润滑剂的实例，但是还没有发现在不使用任何润滑 脂的情况下实现钻杆工具接头的不少于25次的重复组装/拆卸操作的技术。
【发明内容】
[0022] 技术问题
[0023] 然而，根据目前情况，对于钻杆工具接头而言不存在不使用螺杆润滑脂的替代性 表面涂层处理。
[0024] 此外对于提高抗磨损性以及实现钻杆工具接头的增加次数的重复组装/拆卸操 作存在持续需求。
[0025]因此，本发明的目的是提供一种钻杆工具接头和相应的钻杆，其在不使用为了避 免磨损的任何润滑脂的情况下可经受不少于25次的重复组装/拆卸操作，其是环境友好 的，并且其不使用润滑剂。
[0026] 解决问题的技术方案
[0027] 上述技术问题通过钻杆工具接头得以解决，所述钻杆工具接头包括：
[0028] 销，其包括在外表面处的阳螺纹部分；和
[0029] 销套，其包括在内表面处的阴螺纹部分，所述阴螺纹部分在由阳螺纹接触表面和 阴螺纹接触表面构成的接触区域内旋拧和紧固到阳螺纹部分，其中阳螺纹接触表面的至少 一部分或阴螺纹接触表面的一部分是由硬质金属构成的表面层，以及相应的阴螺纹接触表 面的至少一部分或阳螺纹接触表面的一部分是由软质材料构成的表面层，并且其中所述两 个表面部分在旋拧后是接触表面。
[0030] 本发明还涉及钻杆，所述钻杆包括：
[0031] 杆体；和
[0032] 销，其包括在外表面处的阳螺纹部分；和
[0033] 销套，其包括在内表面处的阴螺纹部分，所述阴螺纹部分在由阳螺纹接触表面和 阴螺纹接触表面构成的接触区域内旋拧和紧固到同一种类的另一钻杆的阳螺纹部分；
[0034] 其中阳螺纹接触表面的至少一部分或阴螺纹接触表面的一部分是由硬质金属构 成的表面层，以及相应的阴螺纹接触表面的至少一部分或阳螺纹接触表面的一部分是由软 质材料构成的表面层，并且其中所述两个表面部分在旋拧后是接触表面。
[0035] 多个所述钻杆在组装后将包括多个前述钻杆工具接头。
[0036] 因此，所述钻杆工具接头和钻杆涉及如此相关联以形成一个单一的总发明构思的 一组发明。
[0037] 根据本发明的钻杆工具接头或钻杆还可以包括可根据所有可能的实施例相结合 的以下特征：
[0038] -由相应硬质金属和软质材料构成的表面层占据至少90%的接触区域表面；
[0039] _阳螺纹接触表面或阴螺纹接触表面是由硬质金属构成的表面层，并且相应的阴 螺纹接触表面或阳螺纹接触表面是由软质材料构成的表面层；
[0040] -硬质金属的硬度等于或大于600HV，例如等于或大于800Hv;
[0041] _软质材料的硬度等于或大于350Hv，例如等于或大于150Hv;
[0042] _硬质金属与软质材料的硬度比等于或大于2. 8,例如等于或大于5 ;
[0043] -硬质金属基本上由在下述列表内选择的金属构成，所述列表由络（Cr)、镍（N i)、 或它们的混合物所构成；根据一个实施例，所述硬质金属层通过镀层工艺获得；根据一个 实施例，硬质金属层是由硬铬镀层形成；根据另一实施例，硬质金属层由非电镍镀层形成；
[0044] -硬质金属层的厚度包括在5至100ym之间，例如等于或大于10ym，例如等于或 小于50ym;
[0045] _软质材料由在下述列表内选择的金属构成，所述列表由铜（Cu)、锌（Zn)、或它们 的混合物所构成；根据一个实施例，所述软质材料层通过镀层工艺获得；根据一个实施例， 软质材料层由电解铜或电解锌制成；
[0046] -软质材料基本上包括磷酸盐层；
[0047] -软质材料层的厚度包括在5到100ym之间，例如等于或大于10ym，例如等于或 小于50ym;
[0048]-钻杆工具接头没有涂布液或润滑脂；
[0049]-包括阳螺纹部分的所述销和包括阴螺纹部分的销套当旋拧并紧固以便组装时没 有涂布液或润滑脂。
[0050] 根据本发明，层的硬度被确定为维氏硬度（Hv)。
[0051] 根据本发明，应当理解的是词语"硬质"和"软质"是相对的词语；因而包括软质材 料的表面层具有的硬度低于包括硬质材料的表面层。
[0052] 本发明还涉及用于组装前述钻杆的方法，其中包括阳螺纹部分的所述销和包括阴 螺纹部分的销套当旋拧并紧固以便组装时没有涂布液或润滑脂。
[0053] 本发明的有益效果
[0054] 根据本发明，可以提供钻杆工具接头和相应的钻杆，其在不使用为了防止磨损的 任何润滑脂的情况下可经受不少于25次的重复组装/拆卸操作，其是环境友好的，并且其 不使用润滑剂。
【附图说明】
[0055]图1是示出根据本发明实施例的钻杆工具接头和具有该钻杆工具接头的钻杆的 整体结构的图。
[0056] 图2是示出根据本发明实施例的钻杆的纵向截面视图。
[0057] 图3是曲线图，其示出根据本发明实施例的硬质金属相比于软质材料的硬度比与 钻杆工具接头的组装/拆卸操作次数之间的关系。
[0058]图4A是一张照片，其示出针对根据本发明实施例的钻杆工具接头的在组装/拆卸 测试之后的销的表面状态。
[0059]图4B是一张照片，其示出针对根据本发明实施例的钻杆工具接头的在组装/拆卸 测试之后的销套的表面状态。
[0060] 图5A是一张照片，其示出针对钻杆工具接头的在组装/拆卸测试之后的在其上发 生磨损的销的表面状态。
[0061] 图5B是一张照片，其示出针对钻杆工具接头的在组装/拆卸测试之后的在其上发 生磨损的销套的表面状态。
【具体实施方式】
[0062] 钻杆工具接头的结构
[0063]图1是示出根据本发明实施例的钻杆工具接头和具有该钻杆工具接头的钻杆的 整体结构的图。此外，图2是示出根据本发明实施例的钻杆的纵向截面视图。用于钻井的 钻杆工具接头由API(美国石油协会）标准限定，并且以具有不同细节的若干形状形成，诸 如如图1和图2中所示的形状。
[0064] 根据本发明实施例的钻杆工具接头1包括销2和销套3,所述销2包括在外表面21 处的阳螺纹部分23 ;所述销套3包括在内表面31处的阴螺纹部分33。所述阴螺纹部分33 在由阳螺纹接触表面和阴螺纹接触表面构成的接触区域内旋拧和紧固到阳螺纹部分23。阳 螺纹接触表面的至少一部分或阴螺纹接触表面的一部分是由硬质金属构成的表面层，以及 相应的阴螺纹接触表面的至少一部分或阳螺纹接触表面的一部分是由软质材料构成的表 面层，并且其中所述两个表面部分在旋拧后是接触表面。
[0065]S卩，阳螺纹部分23和阴螺纹部分33之一的旋拧表面（21或31)包括由硬质金属 构成的表面层，而阳螺纹部分23和阴螺纹部分33中的另一个的旋拧表面（31或21)包括 由软质材料构成的表面层，由软质材料构成的表面层在硬度上低于由硬质金属构成的表面 层。
[0066] 更具体地，阳螺纹部分23和阴螺纹部分33之一的旋拧表面（21或31)具有作为 完全围绕其旋拧表面的最外侧表面的一个层或结构，所述层或结构具有第一硬度，而阳螺 纹部分23和阴螺纹部分33中的另一个的旋拧表面（31或21)具有作为完全围绕其旋拧表 面的最外侧表面的一个层或结构，所述层或结构具有第二硬度，其中第二硬度在硬度上低 于所述第一硬度。
[0067] 在根据本发明另一个实施例中，钻杆4包括杆体50,包括在外表面21处的阳螺纹 部分23的销2,包括在内表面31处的阴螺纹部分33的销套3。所述阴螺纹部分在由阳螺 纹接触表面和阴螺纹接触表面构成的接触区域内旋拧和紧固到同一种类的另一钻杆的阳 螺纹部分。阳螺纹接触表面的至少一部分或阴螺纹接触表面的一部分是由硬质金属构成的 表面层，以及相应的阴螺纹接触表面的至少一部分或阳螺纹接触表面的一部分是由软质材 料构成的表面层，并且其中所述两个表面部分在旋拧后是接触表面。
[0068]钻杆4在钻井中通过将多个钻杆4与钻杆工具接头1紧固（称为"组装"）和连接 来使用。在此，钻杆工具接头1包括设置于钻杆4的销2的外表面21处的阳螺纹部分23 和设置于另一钻杆4的销套3的内表面31处的阴螺纹部分33。设置于钻杆4的销2的外 表面21处的阳螺纹部分23和设置于另一钻杆4的销套3的内表面31处的阴螺纹部分33 旋拧并紧固到一起。此外，钻杆4在必要时松开（称为"拆卸"）。因此，钻杆4在钻杆工具 接头1处经受重复的组装/拆卸操作。
[0069] 形成在销2的外表面21处的阳螺纹部分23包括由具有第一硬度的硬质金属（即 硬质表面处理的表面）构成的表面层，或包括由具有第二硬度的软质材料（即软质表面处 理的表面）构成的表面层，所述第二硬度由软质材料构成的表面层提供，其中第二硬度在 硬度上低于所述第一硬度。
[0070]作为硬质金属的实例，列出铬镀层，硬铬镀层，镍镀层，非电镍镀层等。
[0071]此外，作为由软质材料构成的表面层实例，所述表面层所处的硬度低于上述处理 的硬质金属表面，列出铜镀层，电解铜镀层，锌镀层，电解锌镀层等。此外，由软质材料构成 的表面层不限于镀层，而是也可以采用磷化，诸如锰磷化和锌磷化，即可以形成磷酸盐层。
[0072] 根据本发明的实施例，硬质金属的硬度等于或大于600Hv，例如等于或大于 800Hv〇
[0073]根据本发明的实施例，软质材料的硬度等于或大于350Hv，例如等于或大于 150Hv。
[0074] 根据本发明的实施例，硬质金属层的厚度包括在5至100ym之间，例如等于或大 于10ym，例如等于或小于50ym。
[0075] 根据本发明的实施例，软质材料层的厚度包括在5到100ym之间，例如等于或大 于10ym，例如等于或小于50ym。
[0076] 另一方面，形成在销套3的内表面31处的阴螺纹部分33具有进行表面处理的表 面，其以不同于阳螺纹部分23的进行表面处理的表面的方式进行表面处理。更具体地，阴 螺纹部分33具有一个层或结构（包括金属结构），所述层或结构具有在其最外表面处的第 二硬度。当阳螺纹部分23具有进行表面处理的具有第一硬度的表面时，所述阴螺纹部分33 具有进行表面处理的具有第二硬度的表面，所述第二硬度在硬度上低于所述第一硬度（即 进行软质表面处理的表面）。备选地，当阳螺纹部分23具有进行表面处理的具有第二硬度 的表面时，所述阴螺纹部 分33具有进行表面处理的具有第一硬度的表面。
[0077] 如上所述配置的具有阳螺纹部分23和阴螺纹部分33的钻杆4与钻杆工具接头1 紧固到一起。换言之，所述钻杆4通过将阳螺纹部分23旋拧到阴螺纹部分33而紧固到一 起。
[0078] 阳螺纹部分23具有如上所述的由软质材料构成的表面层或由硬质金属构成的表 面层，以及阴螺纹部分33具有如上所述的由硬质金属构成的表面层或由软质材料构成的 表面层。更具体地，当阳螺纹部分23具有由硬质金属构成的表面层时，阴螺纹部分33具有 由软质材料构成的表面层。备选地，当阳螺纹部分23具有由软质材料构成的表面层时，所 述阴螺纹部分33具有由硬质金属构成的表面层。
[0079] 在钻杆工具接头1中，阳螺纹接触表面或阴螺纹接触表面是由硬质金属构成的表 面层，以及相应的阴螺纹接触表面或阳螺纹接触面是由软质材料构成的表面层。
[0080] 在本发明范围内的其它实施例可具有接触区域表面，其具有仅部分地占据接触 区域表面的硬质金属和/或软质材料构成的表面层；根据一个实施例，表面层由占据至少 90 %的接触区域表面的相应硬质金属和软质材料构成。
[0081] 在如此配置的钻杆工具接头1中，即使在阴螺纹部分33和阳螺纹部分23之间重 复地进行组装/拆卸操作，也防止发生所谓的"磨损"。因此，可增加在发生磨损之前的组装 /拆卸操作次数。
[0082] 在此，"磨损"表示由金属之间的接触导致的损坏状态。而"由卡住（焊接）导致提 前磨损（advancetogallingfromseizure(welding))"是指下述状态，即接触表面被卡 住以及在最初卡住时不能运动，然后进一步旋转或运动就会使得卡住表面剥落和受损。该 磨损也有可能在下述情况下发生，即在该情况下接触表面压力是高的，或摩擦金属之间的 亲和性是高的。
[0083] 在本发明的实施例中，阳螺纹部分23和阴螺纹部分33分别具有在硬度上彼此不 同的由硬质金属构成的表面层和由软质材料构成的表面层，使得将与彼此接触的表面之间 的亲和性是低的。此外，优选将硬质金属相比于软质材料的硬度比设置成不小于2. 8,如后 面所述。根据一个实施例，硬质金属相比于软质材料的所述硬度比等于或大于5。根据该结 构，能够防止发生磨损，从而增加在发生磨损之前的组装/拆卸操作次数。应当指出的是， 钻杆工具接头1的组装/拆卸操作的次数相比于用于生产的井的套管和管件的常规螺纹工 具接头具有严格要求，从而组装/拆卸操作次数优选不低于25次，更优选不低于50次。
[0084] 实例
[0085] 组装/拆卸测试
[0086] 为了在钻杆工具接头1的组装/拆卸操作中进行抗磨损评估，通过使用具有 5-1/2H1尺寸的钻杆进行组装/拆卸测试。5-1/2H1的钻杆具有7英寸（177. 8毫米）的 外径和3. 75英寸（95. 25毫米）的内径。材料等级是TJ130(AISI修订4135,屈服强度 130-150ksi，拉伸强度最小140ksi)。表面处理区域是从外侧台肩的角部通过螺纹到达内侧 台肩或内侧斜面。在重复所述钻杆的组装/拆卸操作之后，评估在阳螺纹部分23或阴螺纹 部分33的表面处在发生磨损之前的组装/拆卸操作次数。评价结果优选不低于25次，更 优选不低于50次。
[0087] 表1示出组装/拆卸测试结果。在阳螺纹部分23和阴螺纹部分33的表面上提 供的表面处理的组合如下：销涂覆有铜镀层，铬镀层，或镍镀层，以及销套设有铜镀层，锌镀 层，锰磷化层，或没有表面处理（即没有任何表面处理的加工，这在"表面处理"项上被表示 为"无"）。针对这些样本的每一个评估在发生磨损之前的组装/拆卸操作次数。对于镀层 厚度而言，选择不小于10ym且小于30ym的范围，其适用于工业目的。
[0088]表1
[0089]
[0090] 从表1的结果可以发现，在销2和销套3设有彼此不同的由硬质金属构成的表面 层和由软质材料构成的表面层的情况下，在不发生任何磨损的情况下可进行不少于25次 的组装/拆卸操作，从而抗磨损性是良好的（在实例1-9中）。具体地，在铬镀层或镍镀层 施加到销2而铜镀层或锌镀层施加到销套3的情况下，在不发生任何磨损的情况下可进行 不少于50次的组装/拆卸操作组（在实例1-6中）。由硬质金属构成的表面层和由软质材 料构成的表面层的组合，更具体地，铬镀层或镍镀层和铜镀层或锌镀层的组合具有互换性， 以便它们可施加到销套3与销2的任一侧上。在表1中，"铬镀层"是硬Cr镀层，"镍镀层" 是非电镀Ni-P镀层，"铜镀层"是电解铜镀层，以及"锌镀层"是电解锌镀层。
[0091] 硬度测量
[0092] 从上述的组装/拆卸测试的结果可以发现，当销2和销套3设有在硬度上彼此不 同的硬质表面处理和软质表面处理时，抗磨损性是优良的。然后，将各个硬质表面处理和软 质表面处理的硬度作为参数进行研宄。
[0093] 表2示出针对销2和销套3中的每一个设置的表面处理的表面硬度的测定结果， 其中在根据表面处理类型的号1至6的每一个中的硬度由维氏硬度（Hv)示出。根据ISO 6507-1和ISO6507-4执行维氏硬度测试方法。测量进行多次，并且其平均值被示出为硬度 (平均Hv)。此外，在镀层的情况下，镀层材料本身的硬度可代替测量值用作各表面处理的 硬度。如上所述，表面处理的类型对应于在表1中的实例1-9和比较实例1-8中的表面处 理类型。
[0094]表 2
[0095]
[0096]
[0097] 现在论述硬质金属相比于软质材料的硬度比和组装/拆卸操作次数之间的关系。
[0098] 图3是曲线图，其示出从表1和表2的结果得出的硬质金属相比于软质材料的硬 度比和组装/拆卸操作次数之间的关系。根据图3,当硬质金属相比于软质材料的硬度比不 小于2. 8时，在不发生任何磨损的情况下组装/拆卸操作的次数增加到不少于25次。当硬 质金属相比于软质材料的硬度比等于或大于5、作为一个实例等于或大于6时，结果进一步 增加。
[0099]图4A是一张照片，其示出针对根据本发明实施例的钻杆工具接头的在组装/拆卸 测试之后的销的表面状态，以及图4B是一张照片，其示出针对根据本发明实施例的钻杆工 具接头的在组装/拆卸测试之后的销套的表面状态。图5A是一张照片，其示出针对钻杆工 具接头的在组装/拆卸测试之后的在其上发生磨损的销的表面状态，以及图5B是一张照 片，其示出针对钻杆工具接头的在组装/拆卸测试之后的在其上发生磨损的销套的表面状 〇
[0100] 在如表1所示的组装/拆卸测试中，甚至在重复不少于50次的组装/拆卸操作之 后在销2的镀铬表面处和销套3的镀铜表面处都没有发生磨损，如图4A和图4B中所示。
[0101] 与此相反，在如表1中所示的组装/拆卸测试中，在重复约10次的组装/拆卸操 作之后在销2的通常使用的镀铜表面（镀层厚度为10-20ym)处和销套3的更厚的镀铜表 面（镀层厚度为20-30ym)处发生磨损，如图5A和图5B中所示。
[0102] 进一步说明本发明实施例的优点。
[0103] 根据本发明实施例中的钻杆工具接头和相应的钻杆，可以实现以下的优点。
[0104] (1)在本发明的实施例中，阳螺纹部分23和阴螺纹部分33分别具有在硬度上彼此 不同的由硬质金属构成的表面层和由软质材料构成的表面层。由于阳螺纹部分23和阴螺 纹 部分33分别具有进行表面处理的具有不同硬度的表面，例如，铬镀层和铜镀层的组合， 与彼此接触的旋拧表面之间的亲合性是低的。因此，即使在阳螺纹部分23和阴螺纹部分33 之间重复进行组装/拆卸操作，也可防止发生所谓的"磨损"。因此，在发生磨损之前的组装 /拆卸操作次数可增加。
[0105] (2)从如图3中所示的硬质金属相比于软质材料的硬度比和组装/拆卸操作次数 之间的关系可以证实，当硬质金属相比于软质材料的硬度比不小于2. 8时，在不发生任何 磨损的情况下组装/拆卸操作的次数增加，具体地，作为用于钻杆工具接头可行范围的不 少于25次组装/拆卸操作是可能的。在铬镀层或镍镀层施加到销2而铜镀层施加到销套 3的情况下，可以实现在不发生磨损之前的不少于50次的组装/拆卸操作。
[0106] (3)通过将具有不同硬度的表面处理的组合，诸如铬镀层和铜镀层的组合施加到 销2和销套3,不再需要将通常使用的润滑脂（或涂布液）施加到销2和销套3。因此，可 以获得环境友好的钻杆工具接头和具有所述接头的钻杆。
[0107] (4)通过将具有硬质金属相比于软质材料的硬度比不小于2. 8的进行表面处理的 表面的组合施加到销2和销套3的经受重复组装/拆卸操作的旋拧表面，可以实现在不发 生任何磨损之前组装/拆卸操作次数增加的显著优势。从图3的曲线图应当理解的是，硬 质金属相比于软质材料的硬度比2. 8具有关键性，因为在硬质金属相比于软质材料的硬度 比2. 8之前和之后在不发生任何磨损之前的组装/拆卸操作次数显著变化。如由图3所示， 当硬质金属相比于软质材料的硬度比等于或大于5、作为一个实例等于或大于6时，结果进 一步增加。
[0108] 虽然已经关于具体实施例对本发明进行了描述，但是这些实施例仅仅是实例，而 并不限制根据权利要求所限定的本发明。这些新颖性的实施例和变型可以其它各种方式执 行，并且在不超出本发明要旨的情况下可进行各种省略、替换、变更等。在实施例中所述特 征的所有组合对于解决本发明问题的手段而言并不一定是至关重要的。此外，这些实施例 和变型都包括在本发明的范围和要旨以及在权利要求书及其等同物中所述的本发明的范 围内。
[0109] 工业实用性
[0110] 当执行不少于25次的钻杆组装/拆卸操作时，可在不使用螺杆润滑脂的情况下使 用根据本发明的钻杆工具接头和相应的钻杆，从而是环境友好的，并且提高操作效率。
[0111] 附图标记清单
[0112] 1钻杆工具接头
[0113] 2 销
[0114] 3 销套
[0115] 4 钻杆
[0116] 21销的外表面
[0117] 23阳螺纹部分
[0118] 31销套的内表面
[0119] 33阴螺纹部分
[0120] 50 杆体
【主权项】
1. 一种钻杆工具接头（I)，所述钻杆工具接头（1)包括： 销（2)，其包括在外表面（21)处的阳螺纹部分（23);和 销套（3)，其包括在内表面（31)处的阴螺纹部分（33)，所述阴螺纹部分在由阳螺纹接 触表面和阴螺纹接触表面构成的接触区域内旋拧和紧固到阳螺纹部分； 其中阳螺纹接触表面的至少一部分或阴螺纹接触表面的一部分是由硬质金属构成的 表面层，以及相应的阴螺纹接触表面的至少一部分或阳螺纹接触表面的一部分是由软质材 料构成的表面层，并且其中所述两个表面部分在旋拧后是接触表面。2. -种钻杆（4)，所述钻杆（4)包括： 杆体（50);和 销（2)，其包括在外表面（21)处的阳螺纹部分（23);和 销套（3)，其包括在内表面（31)处的阴螺纹部分（33)，所述阴螺纹部分在由阳螺纹接 触表面和阴螺纹接触表面构成的接触区域内旋拧和紧固到同一种类的另一钻杆的阳螺纹 部分； 其中阳螺纹接触表面的至少一部分或阴螺纹接触表面的一部分是由硬质金属构成的 表面层，以及相应的阴螺纹接触表面的至少一部分或阳螺纹接触表面的一部分是由软质材 料构成的表面层，并且其中所述两个表面部分在旋拧后是接触表面。3. 根据相应的权利要求1和2所述的钻杆工具接头或钻杆，其特征在于由相应硬质金 属和软质材料构成的表面层占据至少90%的接触区域表面。4. 根据相应的权利要求1和2所述的钻杆工具接头或钻杆，其特征在于阳螺纹接触表 面或阴螺纹接触表面是由硬质金属构成的表面层，并且相应的阴螺纹接触表面或阳螺纹接 触表面是由软质材料构成的表面层。5. 根据相应的权利要求1和2或权利要求3至4任一项所述的钻杆工具接头或钻杆， 其特征在于硬质金属的硬度等于或大于600Hv，例如等于或大于800Hv。6. 根据相应的权利要求1和2或权利要求3至5任一项所述的钻杆工具接头或钻杆， 其特征在于软质材料的硬度等于或低于350Hv，例如等于或大于150Hv。7. 根据相应的权利要求1和2或权利要求3至6任一项所述的钻杆工具接头或钻杆， 其特征在于硬质金属与软质材料的硬度比等于或大于2. 8,例如等于或大于5。8. 根据相应的权利要求1和2或权利要求3至7任一项所述的钻杆工具接头或钻杆， 其特征在于硬质金属基本上由选自于由铬（Cr)、镍（Ni)、或它们的混合物所构成的列表内 的金属构成。9. 根据任一前述权利要求所述的钻杆工具接头或钻杆，其特征在于硬质金属层通过镀 层工艺获得。10. 根据相应的权利要求1和2或权利要求3至9任一项所述的钻杆工具接头或钻杆， 其特征在于硬质金属层的厚度包括在5至100ym之间，例如等于或大于10ym，例如等于或 小于50ym〇11. 根据相应的权利要求1和2或权利要求3至10任一项所述的钻杆工具接头或钻杆， 其特征在于软质材料由选自于由铜（Cu)、锌（Zn)、或它们的混合物所构成的列表内的金属 构成。12. 根据任一前述权利要求所述的钻杆工具接头或钻杆，其特征在于软质金属层通过 镀层工艺获得。13. 根据相应的权利要求1和2或权利要求3至9任一项所述的钻杆工具接头或钻杆， 其特征在于软质材料基本上由磷酸盐层构成。14. 根据相应的权利要求1和2或权利要求3至13任一项所述的钻杆工具接头或钻 杆，其特征在于软质材料层的厚度包括在5到100ym之间，例如等于或大于10ym，例如等 于或小于50ym〇15. 用于组装根据任一前述权利要求所述的钻杆的方法，其特征在于包括阳螺纹部分 的销和包括阴螺纹部分的销套当旋拧并紧固以便组装时没有涂布液或润滑性润滑脂。
【专利摘要】钻杆工具接头包括：销，其包括在外表面处的阳螺纹部分；和销套，其包括在内表面处的阴螺纹部分，所述阴螺纹部分在由阳螺纹接触表面和阴螺纹接触表面构成的接触区域内旋拧和紧固到阳螺纹部分，其中阳螺纹接触表面的至少一部分或阴螺纹接触表面的一部分是由硬质金属构成的表面层，以及相应的阴螺纹接触表面的至少一部分或阳螺纹接触表面的一部分是由软质材料构成的表面层，并且其中所述两个表面部分在旋拧后是接角虫表面。
【IPC分类】E21B17/042, C25D7/04, F16L15/00
【公开号】CN104903538
【申请号】CN201380070026
【发明人】成川知之, 小野达雄, 佐仓弘持, 福井俊彦, 吉田基久, 桑野岳, 小林信男, 佐藤信秀
【申请人】特纳瑞斯连接有限责任公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年1月11日
【公告号】CA2897451A1, WO2014108756A1
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种钻杆工具接头和相应的钻杆，更具体地涉及这样的一种钻杆工具 接头和相应的钻杆，其中其具有针对重复组装/拆卸（make-up/break-out)操作的优化的 表面硬度，以便当针对石油、天然气、页岩气、地热等钻井中使用的钻杆旋拧到一起时无需 使用螺杆润滑脂（screwgrease)，由此是环境友好的并且提高工作效率。
【背景技术】
[0002] 针对石油、天然气等钻井中使用的钻杆通过工具接头连接。为了使得工具接头传 递在钻井过程中所需的高扭矩，工具接头的外径部分形成为大于杆体的外径，而工具接头 的内径部分形成为小于杆体的内径。为此目的，通常而言，在将工具接头的销（pin)和销套 (box)结合过程中的组装扭矩值需要几倍于针对在用于生产石油、天然气等的井中使用的 套管（casing)或管件（tubing)的组装转矩值。
[0003] 另一方面，对于针对在用于生产的井中使用的套管或管件的螺纹接头的销和销套 的组装/拆卸操作的次数而言，装拆次数（triping)不能太多。因此，对于耐磨损（耐磨 痕）评估试验而言，国际标准化组织标准ISO13679限定在对于在套管中的组装/拆卸操 作的2倍而言以及对于在管件中的组装/拆卸操作的9倍而言的性能评估中的接受/拒绝 判定。然而，钻杆需要根据每种类型的钻探条件（诸如地质地层、井的斜度、深度等）更换 钻头。此外，还没有对于钻杆的ISO标准限定，但抗磨损性预计将不少于25次装拆，以及更 优选不少于50次装拆。
[0004] 对于套管或管件而言，将润滑脂（或涂布液）施加到螺纹接头的销和销套上用于 抗磨损，并且还采用诸如镀层的表面处理（参见此后的专利文献1至7)。然而，由于工具 接头的清洁造成的散布，由于涂层造成的在井底上的过多润滑脂的沉积、在工作场所中的 钻机污染排放等会对环境产生不利影响。因此，出于环境的考虑，不使用现有的螺杆润滑脂 的替代性的表面涂层处理（所谓的"无油脂"或"无涂布液"，即，没有润滑脂（也没有涂布 液）施加到螺纹接头的销和销套上）最近已投入实际使用。
[0005] 已经确定下列文献涉及到所述技术领域：
[0006] 专利文献引用清单
[0007] 专利文献 1 :TO2003-060198
[0008] 专利文献 2 :w〇2〇〇5-〇983〇o
[0009] 专利文献3:W〇2〇〇7_〇2697〇
[0010] 专利文献 4 :W02008-108263
[0011] 专利文献 5 :JP-A-2003-074763
[0012] 专利文献6 :美国专利No. 4758025
[0013] 专利文献7 :美国专利No. 4468309
[0014] 专利文献1公开了一种管状构件，其中销和销套中的至少一个涂覆有铜和锡的合 金，所述合金含有重量百分比为20 %至80 %的铜。
[0015] 专利文献2公开了一种用于钢管的螺纹接头，其中销和销套中的至少一个在其表 面处设有包括粘结剂、铜粉末和润滑性粉末的固体润滑剂涂层，以及销和销套中的另一个 涂覆有锌或锌合金涂层。
[0016] 专利文献3公开了一种用于钢管的螺纹接头，其中在销和销套中的至少一个上形 成Sn-Bi合金镀层或Sn-Bi-Cu合金镀层。
[0017] 专利文献4公开了一种用于钢管的螺纹接头，其中销和销套中的至少一个覆盖有 Cu-Zn合金或Cu-Zn-Ml合金的第一镀层（Ml是选自于Sn，Bi和In中的至少一种）和Sn-M2 合金的第二镀层（M2是选自于Bi，In，Ni，Zn，Cu中的至少一种元素）。
[0018] 专利文献5公开了一种用于油井管的接头，其中包括第一至第n层的Cu-Sn合金 镀层的第一镀层形成在销套上。
[0019] 专利文献6公开了一种防止磨损的方法，所述方法包括在销和销套中的至少一个 上设置软金属涂层，诸如Cu或Zn的非电镀金属转化涂层，并在其上涂覆润滑剂。
[0020] 专利文献7公开了一种抗磨损的方法，所述方法包括在销和销套中的至少一个上 通过离子镀沉积具有低剪切应力值的材料薄膜，所述材料诸如金，银，铅，锡，铟，钯或铜。
[0021] 虽然专利文献1至7公开固体润滑剂的实例，但是还没有发现在不使用任何润滑 脂的情况下实现钻杆工具接头的不少于25次的重复组装/拆卸操作的技术。
【发明内容】
[0022] 技术问题
[0023] 然而，根据目前情况，对于钻杆工具接头而言不存在不使用螺杆润滑脂的替代性 表面涂层处理。
[0024] 此外对于提高抗磨损性以及实现钻杆工具接头的增加次数的重复组装/拆卸操 作存在持续需求。
[0025]因此，本发明的目的是提供一种钻杆工具接头和相应的钻杆，其在不使用为了避 免磨损的任何润滑脂的情况下可经受不少于25次的重复组装/拆卸操作，其是环境友好 的，并且其不使用润滑剂。
[0026] 解决问题的技术方案
[0027] 上述技术问题通过钻杆工具接头得以解决，所述钻杆工具接头包括：
[0028] 销，其包括在外表面处的阳螺纹部分；和
[0029] 销套，其包括在内表面处的阴螺纹部分，所述阴螺纹部分在由阳螺纹接触表面和 阴螺纹接触表面构成的接触区域内旋拧和紧固到阳螺纹部分，其中阳螺纹接触表面的至少 一部分或阴螺纹接触表面的一部分是由硬质金属构成的表面层，以及相应的阴螺纹接触表 面的至少一部分或阳螺纹接触表面的一部分是由软质材料构成的表面层，并且其中所述两 个表面部分在旋拧后是接触表面。
[0030] 本发明还涉及钻杆，所述钻杆包括：
[0031] 杆体；和
[0032] 销，其包括在外表面处的阳螺纹部分；和
[0033] 销套，其包括在内表面处的阴螺纹部分，所述阴螺纹部分在由阳螺纹接触表面和 阴螺纹接触表面构成的接触区域内旋拧和紧固到同一种类的另一钻杆的阳螺纹部分；
[0034] 其中阳螺纹接触表面的至少一部分或阴螺纹接触表面的一部分是由硬质金属构 成的表面层，以及相应的阴螺纹接触表面的至少一部分或阳螺纹接触表面的一部分是由软 质材料构成的表面层，并且其中所述两个表面部分在旋拧后是接触表面。
[0035] 多个所述钻杆在组装后将包括多个前述钻杆工具接头。
[0036] 因此，所述钻杆工具接头和钻杆涉及如此相关联以形成一个单一的总发明构思的 一组发明。
[0037] 根据本发明的钻杆工具接头或钻杆还可以包括可根据所有可能的实施例相结合 的以下特征：
[0038] -由相应硬质金属和软质材料构成的表面层占据至少90%的接触区域表面；
[0039] _阳螺纹接触表面或阴螺纹接触表面是由硬质金属构成的表面层，并且相应的阴 螺纹接触表面或阳螺纹接触表面是由软质材料构成的表面层；
[0040] -硬质金属的硬度等于或大于600HV，例如等于或大于800Hv;
[0041] _软质材料的硬度等于或大于350Hv，例如等于或大于150Hv;
[0042] _硬质金属与软质材料的硬度比等于或大于2. 8,例如等于或大于5 ;
[0043] -硬质金属基本上由在下述列表内选择的金属构成，所述列表由络（Cr)、镍（N i)、 或它们的混合物所构成；根据一个实施例，所述硬质金属层通过镀层工艺获得；根据一个 实施例，硬质金属层是由硬铬镀层形成；根据另一实施例，硬质金属层由非电镍镀层形成；
[0044] -硬质金属层的厚度包括在5至100ym之间，例如等于或大于10ym，例如等于或 小于50ym;
[0045] _软质材料由在下述列表内选择的金属构成，所述列表由铜（Cu)、锌（Zn)、或它们 的混合物所构成；根据一个实施例，所述软质材料层通过镀层工艺获得；根据一个实施例， 软质材料层由电解铜或电解锌制成；
[0046] -软质材料基本上包括磷酸盐层；
[0047] -软质材料层的厚度包括在5到100ym之间，例如等于或大于10ym，例如等于或 小于50ym;
[0048]-钻杆工具接头没有涂布液或润滑脂；
[0049]-包括阳螺纹部分的所述销和包括阴螺纹部分的销套当旋拧并紧固以便组装时没 有涂布液或润滑脂。
[0050] 根据本发明，层的硬度被确定为维氏硬度（Hv)。
[0051] 根据本发明，应当理解的是词语"硬质"和"软质"是相对的词语；因而包括软质材 料的表面层具有的硬度低于包括硬质材料的表面层。
[0052] 本发明还涉及用于组装前述钻杆的方法，其中包括阳螺纹部分的所述销和包括阴 螺纹部分的销套当旋拧并紧固以便组装时没有涂布液或润滑脂。
[0053] 本发明的有益效果
[0054] 根据本发明，可以提供钻杆工具接头和相应的钻杆，其在不使用为了防止磨损的 任何润滑脂的情况下可经受不少于25次的重复组装/拆卸操作，其是环境友好的，并且其 不使用润滑剂。
【附图说明】
[0055]图1是示出根据本发明实施例的钻杆工具接头和具有该钻杆工具接头的钻杆的 整体结构的图。
[0056] 图2是示出根据本发明实施例的钻杆的纵向截面视图。
[0057] 图3是曲线图，其示出根据本发明实施例的硬质金属相比于软质材料的硬度比与 钻杆工具接头的组装/拆卸操作次数之间的关系。
[0058]图4A是一张照片，其示出针对根据本发明实施例的钻杆工具接头的在组装/拆卸 测试之后的销的表面状态。
[0059]图4B是一张照片，其示出针对根据本发明实施例的钻杆工具接头的在组装/拆卸 测试之后的销套的表面状态。
[0060] 图5A是一张照片，其示出针对钻杆工具接头的在组装/拆卸测试之后的在其上发 生磨损的销的表面状态。
[0061] 图5B是一张照片，其示出针对钻杆工具接头的在组装/拆卸测试之后的在其上发 生磨损的销套的表面状态。
【具体实施方式】
[0062] 钻杆工具接头的结构
[0063]图1是示出根据本发明实施例的钻杆工具接头和具有该钻杆工具接头的钻杆的 整体结构的图。此外，图2是示出根据本发明实施例的钻杆的纵向截面视图。用于钻井的 钻杆工具接头由API(美国石油协会）标准限定，并且以具有不同细节的若干形状形成，诸 如如图1和图2中所示的形状。
[0064] 根据本发明实施例的钻杆工具接头1包括销2和销套3,所述销2包括在外表面21 处的阳螺纹部分23 ;所述销套3包括在内表面31处的阴螺纹部分33。所述阴螺纹部分33 在由阳螺纹接触表面和阴螺纹接触表面构成的接触区域内旋拧和紧固到阳螺纹部分23。阳 螺纹接触表面的至少一部分或阴螺纹接触表面的一部分是由硬质金属构成的表面层，以及 相应的阴螺纹接触表面的至少一部分或阳螺纹接触表面的一部分是由软质材料构成的表 面层，并且其中所述两个表面部分在旋拧后是接触表面。
[0065]S卩，阳螺纹部分23和阴螺纹部分33之一的旋拧表面（21或31)包括由硬质金属 构成的表面层，而阳螺纹部分23和阴螺纹部分33中的另一个的旋拧表面（31或21)包括 由软质材料构成的表面层，由软质材料构成的表面层在硬度上低于由硬质金属构成的表面 层。
[0066] 更具体地，阳螺纹部分23和阴螺纹部分33之一的旋拧表面（21或31)具有作为 完全围绕其旋拧表面的最外侧表面的一个层或结构，所述层或结构具有第一硬度，而阳螺 纹部分23和阴螺纹部分33中的另一个的旋拧表面（31或21)具有作为完全围绕其旋拧表 面的最外侧表面的一个层或结构，所述层或结构具有第二硬度，其中第二硬度在硬度上低 于所述第一硬度。
[0067] 在根据本发明另一个实施例中，钻杆4包括杆体50,包括在外表面21处的阳螺纹 部分23的销2,包括在内表面31处的阴螺纹部分33的销套3。所述阴螺纹部分在由阳螺 纹接触表面和阴螺纹接触表面构成的接触区域内旋拧和紧固到同一种类的另一钻杆的阳 螺纹部分。阳螺纹接触表面的至少一部分或阴螺纹接触表面的一部分是由硬质金属构成的 表面层，以及相应的阴螺纹接触表面的至少一部分或阳螺纹接触表面的一部分是由软质材 料构成的表面层，并且其中所述两个表面部分在旋拧后是接触表面。
[0068]钻杆4在钻井中通过将多个钻杆4与钻杆工具接头1紧固（称为"组装"）和连接 来使用。在此，钻杆工具接头1包括设置于钻杆4的销2的外表面21处的阳螺纹部分23 和设置于另一钻杆4的销套3的内表面31处的阴螺纹部分33。设置于钻杆4的销2的外 表面21处的阳螺纹部分23和设置于另一钻杆4的销套3的内表面31处的阴螺纹部分33 旋拧并紧固到一起。此外，钻杆4在必要时松开（称为"拆卸"）。因此，钻杆4在钻杆工具 接头1处经受重复的组装/拆卸操作。
[0069] 形成在销2的外表面21处的阳螺纹部分23包括由具有第一硬度的硬质金属（即 硬质表面处理的表面）构成的表面层，或包括由具有第二硬度的软质材料（即软质表面处 理的表面）构成的表面层，所述第二硬度由软质材料构成的表面层提供，其中第二硬度在 硬度上低于所述第一硬度。
[0070]作为硬质金属的实例，列出铬镀层，硬铬镀层，镍镀层，非电镍镀层等。
[0071]此外，作为由软质材料构成的表面层实例，所述表面层所处的硬度低于上述处理 的硬质金属表面，列出铜镀层，电解铜镀层，锌镀层，电解锌镀层等。此外，由软质材料构成 的表面层不限于镀层，而是也可以采用磷化，诸如锰磷化和锌磷化，即可以形成磷酸盐层。
[0072] 根据本发明的实施例，硬质金属的硬度等于或大于600Hv，例如等于或大于 800Hv〇
[0073]根据本发明的实施例，软质材料的硬度等于或大于350Hv，例如等于或大于 150Hv。
[0074] 根据本发明的实施例，硬质金属层的厚度包括在5至100ym之间，例如等于或大 于10ym，例如等于或小于50ym。
[0075] 根据本发明的实施例，软质材料层的厚度包括在5到100ym之间，例如等于或大 于10ym，例如等于或小于50ym。
[0076] 另一方面，形成在销套3的内表面31处的阴螺纹部分33具有进行表面处理的表 面，其以不同于阳螺纹部分23的进行表面处理的表面的方式进行表面处理。更具体地，阴 螺纹部分33具有一个层或结构（包括金属结构），所述层或结构具有在其最外表面处的第 二硬度。当阳螺纹部分23具有进行表面处理的具有第一硬度的表面时，所述阴螺纹部分33 具有进行表面处理的具有第二硬度的表面，所述第二硬度在硬度上低于所述第一硬度（即 进行软质表面处理的表面）。备选地，当阳螺纹部分23具有进行表面处理的具有第二硬度 的表面时，所述阴螺纹部 分33具有进行表面处理的具有第一硬度的表面。
[0077] 如上所述配置的具有阳螺纹部分23和阴螺纹部分33的钻杆4与钻杆工具接头1 紧固到一起。换言之，所述钻杆4通过将阳螺纹部分23旋拧到阴螺纹部分33而紧固到一 起。
[0078] 阳螺纹部分23具有如上所述的由软质材料构成的表面层或由硬质金属构成的表 面层，以及阴螺纹部分33具有如上所述的由硬质金属构成的表面层或由软质材料构成的 表面层。更具体地，当阳螺纹部分23具有由硬质金属构成的表面层时，阴螺纹部分33具有 由软质材料构成的表面层。备选地，当阳螺纹部分23具有由软质材料构成的表面层时，所 述阴螺纹部分33具有由硬质金属构成的表面层。
[0079] 在钻杆工具接头1中，阳螺纹接触表面或阴螺纹接触表面是由硬质金属构成的表 面层，以及相应的阴螺纹接触表面或阳螺纹接触面是由软质材料构成的表面层。
[0080] 在本发明范围内的其它实施例可具有接触区域表面，其具有仅部分地占据接触 区域表面的硬质金属和/或软质材料构成的表面层；根据一个实施例，表面层由占据至少 90 %的接触区域表面的相应硬质金属和软质材料构成。
[0081] 在如此配置的钻杆工具接头1中，即使在阴螺纹部分33和阳螺纹部分23之间重 复地进行组装/拆卸操作，也防止发生所谓的"磨损"。因此，可增加在发生磨损之前的组装 /拆卸操作次数。
[0082] 在此，"磨损"表示由金属之间的接触导致的损坏状态。而"由卡住（焊接）导致提 前磨损（advancetogallingfromseizure(welding))"是指下述状态，即接触表面被卡 住以及在最初卡住时不能运动，然后进一步旋转或运动就会使得卡住表面剥落和受损。该 磨损也有可能在下述情况下发生，即在该情况下接触表面压力是高的，或摩擦金属之间的 亲和性是高的。
[0083] 在本发明的实施例中，阳螺纹部分23和阴螺纹部分33分别具有在硬度上彼此不 同的由硬质金属构成的表面层和由软质材料构成的表面层，使得将与彼此接触的表面之间 的亲和性是低的。此外，优选将硬质金属相比于软质材料的硬度比设置成不小于2. 8,如后 面所述。根据一个实施例，硬质金属相比于软质材料的所述硬度比等于或大于5。根据该结 构，能够防止发生磨损，从而增加在发生磨损之前的组装/拆卸操作次数。应当指出的是， 钻杆工具接头1的组装/拆卸操作的次数相比于用于生产的井的套管和管件的常规螺纹工 具接头具有严格要求，从而组装/拆卸操作次数优选不低于25次，更优选不低于50次。
[0084] 实例
[0085] 组装/拆卸测试
[0086] 为了在钻杆工具接头1的组装/拆卸操作中进行抗磨损评估，通过使用具有 5-1/2H1尺寸的钻杆进行组装/拆卸测试。5-1/2H1的钻杆具有7英寸（177. 8毫米）的 外径和3. 75英寸（95. 25毫米）的内径。材料等级是TJ130(AISI修订4135,屈服强度 130-150ksi，拉伸强度最小140ksi)。表面处理区域是从外侧台肩的角部通过螺纹到达内侧 台肩或内侧斜面。在重复所述钻杆的组装/拆卸操作之后，评估在阳螺纹部分23或阴螺纹 部分33的表面处在发生磨损之前的组装/拆卸操作次数。评价结果优选不低于25次，更 优选不低于50次。
[0087] 表1示出组装/拆卸测试结果。在阳螺纹部分23和阴螺纹部分33的表面上提 供的表面处理的组合如下：销涂覆有铜镀层，铬镀层，或镍镀层，以及销套设有铜镀层，锌镀 层，锰磷化层，或没有表面处理（即没有任何表面处理的加工，这在"表面处理"项上被表示 为"无"）。针对这些样本的每一个评估在发生磨损之前的组装/拆卸操作次数。对于镀层 厚度而言，选择不小于10ym且小于30ym的范围，其适用于工业目的。
[0088]表1
[0089]
[0090] 从表1的结果可以发现，在销2和销套3设有彼此不同的由硬质金属构成的表面 层和由软质材料构成的表面层的情况下，在不发生任何磨损的情况下可进行不少于25次 的组装/拆卸操作，从而抗磨损性是良好的（在实例1-9中）。具体地，在铬镀层或镍镀层 施加到销2而铜镀层或锌镀层施加到销套3的情况下，在不发生任何磨损的情况下可进行 不少于50次的组装/拆卸操作组（在实例1-6中）。由硬质金属构成的表面层和由软质材 料构成的表面层的组合，更具体地，铬镀层或镍镀层和铜镀层或锌镀层的组合具有互换性， 以便它们可施加到销套3与销2的任一侧上。在表1中，"铬镀层"是硬Cr镀层，"镍镀层" 是非电镀Ni-P镀层，"铜镀层"是电解铜镀层，以及"锌镀层"是电解锌镀层。
[0091] 硬度测量
[0092] 从上述的组装/拆卸测试的结果可以发现，当销2和销套3设有在硬度上彼此不 同的硬质表面处理和软质表面处理时，抗磨损性是优良的。然后，将各个硬质表面处理和软 质表面处理的硬度作为参数进行研宄。
[0093] 表2示出针对销2和销套3中的每一个设置的表面处理的表面硬度的测定结果， 其中在根据表面处理类型的号1至6的每一个中的硬度由维氏硬度（Hv)示出。根据ISO 6507-1和ISO6507-4执行维氏硬度测试方法。测量进行多次，并且其平均值被示出为硬度 (平均Hv)。此外，在镀层的情况下，镀层材料本身的硬度可代替测量值用作各表面处理的 硬度。如上所述，表面处理的类型对应于在表1中的实例1-9和比较实例1-8中的表面处 理类型。
[0094]表 2
[0095]
[0096]
[0097] 现在论述硬质金属相比于软质材料的硬度比和组装/拆卸操作次数之间的关系。
[0098] 图3是曲线图，其示出从表1和表2的结果得出的硬质金属相比于软质材料的硬 度比和组装/拆卸操作次数之间的关系。根据图3,当硬质金属相比于软质材料的硬度比不 小于2. 8时，在不发生任何磨损的情况下组装/拆卸操作的次数增加到不少于25次。当硬 质金属相比于软质材料的硬度比等于或大于5、作为一个实例等于或大于6时，结果进一步 增加。
[0099]图4A是一张照片，其示出针对根据本发明实施例的钻杆工具接头的在组装/拆卸 测试之后的销的表面状态，以及图4B是一张照片，其示出针对根据本发明实施例的钻杆工 具接头的在组装/拆卸测试之后的销套的表面状态。图5A是一张照片，其示出针对钻杆工 具接头的在组装/拆卸测试之后的在其上发生磨损的销的表面状态，以及图5B是一张照 片，其示出针对钻杆工具接头的在组装/拆卸测试之后的在其上发生磨损的销套的表面状 〇
[0100] 在如表1所示的组装/拆卸测试中，甚至在重复不少于50次的组装/拆卸操作之 后在销2的镀铬表面处和销套3的镀铜表面处都没有发生磨损，如图4A和图4B中所示。
[0101] 与此相反，在如表1中所示的组装/拆卸测试中，在重复约10次的组装/拆卸操 作之后在销2的通常使用的镀铜表面（镀层厚度为10-20ym)处和销套3的更厚的镀铜表 面（镀层厚度为20-30ym)处发生磨损，如图5A和图5B中所示。
[0102] 进一步说明本发明实施例的优点。
[0103] 根据本发明实施例中的钻杆工具接头和相应的钻杆，可以实现以下的优点。
[0104] (1)在本发明的实施例中，阳螺纹部分23和阴螺纹部分33分别具有在硬度上彼此 不同的由硬质金属构成的表面层和由软质材料构成的表面层。由于阳螺纹部分23和阴螺 纹 部分33分别具有进行表面处理的具有不同硬度的表面，例如，铬镀层和铜镀层的组合， 与彼此接触的旋拧表面之间的亲合性是低的。因此，即使在阳螺纹部分23和阴螺纹部分33 之间重复进行组装/拆卸操作，也可防止发生所谓的"磨损"。因此，在发生磨损之前的组装 /拆卸操作次数可增加。
[0105] (2)从如图3中所示的硬质金属相比于软质材料的硬度比和组装/拆卸操作次数 之间的关系可以证实，当硬质金属相比于软质材料的硬度比不小于2. 8时，在不发生任何 磨损的情况下组装/拆卸操作的次数增加，具体地，作为用于钻杆工具接头可行范围的不 少于25次组装/拆卸操作是可能的。在铬镀层或镍镀层施加到销2而铜镀层施加到销套 3的情况下，可以实现在不发生磨损之前的不少于50次的组装/拆卸操作。
[0106] (3)通过将具有不同硬度的表面处理的组合，诸如铬镀层和铜镀层的组合施加到 销2和销套3,不再需要将通常使用的润滑脂（或涂布液）施加到销2和销套3。因此，可 以获得环境友好的钻杆工具接头和具有所述接头的钻杆。
[0107] (4)通过将具有硬质金属相比于软质材料的硬度比不小于2. 8的进行表面处理的 表面的组合施加到销2和销套3的经受重复组装/拆卸操作的旋拧表面，可以实现在不发 生任何磨损之前组装/拆卸操作次数增加的显著优势。从图3的曲线图应当理解的是，硬 质金属相比于软质材料的硬度比2. 8具有关键性，因为在硬质金属相比于软质材料的硬度 比2. 8之前和之后在不发生任何磨损之前的组装/拆卸操作次数显著变化。如由图3所示， 当硬质金属相比于软质材料的硬度比等于或大于5、作为一个实例等于或大于6时，结果进 一步增加。
[0108] 虽然已经关于具体实施例对本发明进行了描述，但是这些实施例仅仅是实例，而 并不限制根据权利要求所限定的本发明。这些新颖性的实施例和变型可以其它各种方式执 行，并且在不超出本发明要旨的情况下可进行各种省略、替换、变更等。在实施例中所述特 征的所有组合对于解决本发明问题的手段而言并不一定是至关重要的。此外，这些实施例 和变型都包括在本发明的范围和要旨以及在权利要求书及其等同物中所述的本发明的范 围内。
[0109] 工业实用性
[0110] 当执行不少于25次的钻杆组装/拆卸操作时，可在不使用螺杆润滑脂的情况下使 用根据本发明的钻杆工具接头和相应的钻杆，从而是环境友好的，并且提高操作效率。
[0111] 附图标记清单
[0112] 1钻杆工具接头
[0113] 2 销
[0114] 3 销套
[0115] 4 钻杆
[0116] 21销的外表面
[0117] 23阳螺纹部分
[0118] 31销套的内表面
[0119] 33阴螺纹部分
[0120] 50 杆体
【主权项】
1. 一种钻杆工具接头（I)，所述钻杆工具接头（1)包括： 销（2)，其包括在外表面（21)处的阳螺纹部分（23);和 销套（3)，其包括在内表面（31)处的阴螺纹部分（33)，所述阴螺纹部分在由阳螺纹接 触表面和阴螺纹接触表面构成的接触区域内旋拧和紧固到阳螺纹部分； 其中阳螺纹接触表面的至少一部分或阴螺纹接触表面的一部分是由硬质金属构成的 表面层，以及相应的阴螺纹接触表面的至少一部分或阳螺纹接触表面的一部分是由软质材 料构成的表面层，并且其中所述两个表面部分在旋拧后是接触表面。2. -种钻杆（4)，所述钻杆（4)包括： 杆体（50);和 销（2)，其包括在外表面（21)处的阳螺纹部分（23);和 销套（3)，其包括在内表面（31)处的阴螺纹部分（33)，所述阴螺纹部分在由阳螺纹接 触表面和阴螺纹接触表面构成的接触区域内旋拧和紧固到同一种类的另一钻杆的阳螺纹 部分； 其中阳螺纹接触表面的至少一部分或阴螺纹接触表面的一部分是由硬质金属构成的 表面层，以及相应的阴螺纹接触表面的至少一部分或阳螺纹接触表面的一部分是由软质材 料构成的表面层，并且其中所述两个表面部分在旋拧后是接触表面。3. 根据相应的权利要求1和2所述的钻杆工具接头或钻杆，其特征在于由相应硬质金 属和软质材料构成的表面层占据至少90%的接触区域表面。4. 根据相应的权利要求1和2所述的钻杆工具接头或钻杆，其特征在于阳螺纹接触表 面或阴螺纹接触表面是由硬质金属构成的表面层，并且相应的阴螺纹接触表面或阳螺纹接 触表面是由软质材料构成的表面层。5. 根据相应的权利要求1和2或权利要求3至4任一项所述的钻杆工具接头或钻杆， 其特征在于硬质金属的硬度等于或大于600Hv，例如等于或大于800Hv。6. 根据相应的权利要求1和2或权利要求3至5任一项所述的钻杆工具接头或钻杆， 其特征在于软质材料的硬度等于或低于350Hv，例如等于或大于150Hv。7. 根据相应的权利要求1和2或权利要求3至6任一项所述的钻杆工具接头或钻杆， 其特征在于硬质金属与软质材料的硬度比等于或大于2. 8,例如等于或大于5。8. 根据相应的权利要求1和2或权利要求3至7任一项所述的钻杆工具接头或钻杆， 其特征在于硬质金属基本上由选自于由铬（Cr)、镍（Ni)、或它们的混合物所构成的列表内 的金属构成。9. 根据任一前述权利要求所述的钻杆工具接头或钻杆，其特征在于硬质金属层通过镀 层工艺获得。10. 根据相应的权利要求1和2或权利要求3至9任一项所述的钻杆工具接头或钻杆， 其特征在于硬质金属层的厚度包括在5至100ym之间，例如等于或大于10ym，例如等于或 小于50ym〇11. 根据相应的权利要求1和2或权利要求3至10任一项所述的钻杆工具接头或钻杆， 其特征在于软质材料由选自于由铜（Cu)、锌（Zn)、或它们的混合物所构成的列表内的金属 构成。12. 根据任一前述权利要求所述的钻杆工具接头或钻杆，其特征在于软质金属层通过 镀层工艺获得。13. 根据相应的权利要求1和2或权利要求3至9任一项所述的钻杆工具接头或钻杆， 其特征在于软质材料基本上由磷酸盐层构成。14. 根据相应的权利要求1和2或权利要求3至13任一项所述的钻杆工具接头或钻 杆，其特征在于软质材料层的厚度包括在5到100ym之间，例如等于或大于10ym，例如等 于或小于50ym〇15. 用于组装根据任一前述权利要求所述的钻杆的方法，其特征在于包括阳螺纹部分 的销和包括阴螺纹部分的销套当旋拧并紧固以便组装时没有涂布液或润滑性润滑脂。
【专利摘要】钻杆工具接头包括：销，其包括在外表面处的阳螺纹部分；和销套，其包括在内表面处的阴螺纹部分，所述阴螺纹部分在由阳螺纹接触表面和阴螺纹接触表面构成的接触区域内旋拧和紧固到阳螺纹部分，其中阳螺纹接触表面的至少一部分或阴螺纹接触表面的一部分是由硬质金属构成的表面层，以及相应的阴螺纹接触表面的至少一部分或阳螺纹接触表面的一部分是由软质材料构成的表面层，并且其中所述两个表面部分在旋拧后是接角虫表面。
【IPC分类】E21B17/042, C25D7/04, F16L15/00
【公开号】CN104903538
【申请号】CN201380070026
【发明人】成川知之, 小野达雄, 佐仓弘持, 福井俊彦, 吉田基久, 桑野岳, 小林信男, 佐藤信秀
【申请人】特纳瑞斯连接有限责任公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年1月11日
【公告号】CA2897451A1, WO2014108756A1
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