一种高强度低流耗节能智能钻具
技术领域
本实用新型涉及一种钻具，具体涉及一种高强度低流耗节能智能钻具。
背景技术
随着近年来石油工业的发展，油、气钻井的开采条件日益苛刻，特别是对深井、超深井、海洋油气井的开发，对钻杆提出更高的连接、抗扭、密封、流耗等方面的要求。目前使用的 API普通标准型扣型抗扭性能较低、流耗较高，对于未来石油钻探来说，可能会出现11000 米埋深的超深井，现有的扣型强度难以支撑如此高埋深的超深井的钻探，且现有钻杆接头处最大外径远大于钻杆外径，钻井液输送无效能耗较高，进一步加大了钻探工作的难度。
同时，由于超深井的井下工况复杂，如果不能及时发现井下的异常情况进行调整，可能会出现机械设备的损毁等突发事故，这些事故处理起来会浪费大量的人力物力。
实用新型内容
为解决以上问题，本实用新型提供以下技术方案：
一种高强度低流耗节能智能钻具，包括钻杆、智能芯片、数据接收端、公接头和母接头；所述公接头设有外螺纹，所述母接头设有内螺纹；所述钻杆一端连接公接头，另一端连接母接头，所述高强度低流耗节能智能钻具通过公接头和母接头的紧固连接同类钻具以接长钻具，所述公接头和母接头之间通过外螺纹和内螺纹配合紧固；所述公接头沿外螺纹的一端设有一级外主光滑面、一级外副光滑面和一级外台阶面，沿外螺纹的另一端设有二级外主光滑面、二级外副光滑面和二级外台阶面，所述母接头沿内螺纹的一端设有一级内主光滑面、一级内副光滑面和一级内台阶面，沿内螺纹的另一端设有二级内主光滑面、二级内副光滑面和二级内台阶面；所述公接头和母接头配合紧固时，所述一级外主光滑面和二级内主光滑面、所述一级外副光滑面和二级内副光滑面、所述一级外台阶面和二级内台阶面、所述二级外主光滑面和一级内主光滑面、所述二级外副光滑面和一级内副光滑面、所述二级外台阶面和一级内台阶面之间对应形成硬面密封；所述内螺纹和外螺纹的锥度为1:16.5-20；所述智能芯片埋设在所述高强度低流耗节能智能钻具的一端，所述数据接收端设置在井上。
进一步地，所述智能芯片埋设在母接头上。
进一步地，所述智能芯片包括泥浆排量检测模块、钻杆扭矩检测模块、井径井斜监测模块、钻杆定向模块、钻杆压力监测模块、泥浆温度监测模块、泥浆反压监测模块、井下磁场监测模块。
进一步地，所述内螺纹和外螺纹均采用粗牙螺纹，螺纹牙顶高度为13/16-27/32倍牙高，内螺纹和外螺纹的螺距为2.5-3.2牙/in。
进一步地，所述一级外主光滑面和一级外副光滑面之间设置一级外应力释放圆弧，所述二级外主光滑面和二级外副光滑面之间设置二级外应力释放圆弧；所述一级内主光滑面和一级内副光滑面之间设置一级内应力释放圆弧，所述二级内主光滑面和二级内副光滑面之间设置二级内应力释放圆弧。
进一步地，所述外应力释放圆弧和内应力释放圆弧均为圆弧状，所述一级外应力释放圆弧、二级外应力释放圆弧、一级内应力释放圆弧和二级内应力释放圆弧均为圆弧状；所述公接头和母接头配合紧固时，所述一级外应力释放圆弧和二级内应力释放圆弧、所述二级外应力释放圆弧和一级内应力释放圆弧之间对应贴合。
本实用新型的有益效果为：通过所述公接头和母接头配合紧固时形成的内外对应配合的六处硬面密封，提高了扣型连接处的连接强度和密封效果，通过将扭矩载荷分散到各硬面密封处以及螺纹连接处，增强了扣型连接处的抗拉强度，由于螺纹的锥度较小，提高了扣型连接处的拉伸强度；通过降低螺纹牙顶高度采用粗牙螺纹，降低了扣型连接处的最大外径，在连接钻杆时，能够使扣型连接处的最大外径降低，降低流耗；通过设置应力释放圆弧，减小连接处应力对扣型自身的伤害，以及采用圆弧状应力释放圆弧，在修扣时，能够尽量少的修扣，减少浪费，提高扣型的使用寿命；通过智能芯片的模块对井下环境进行监测，同时对钻具的扭矩、压力等进行监测，通过井上的数据接收端接收数据，及时了解井下情况，避免事故发生。
所述高强度低流耗节能智能钻具材质为钢材，所述材质中硫、磷含量均低于0.0080％，五害元素含量均低于0.0100％，能够显著提高扣型的力学性能。
附图说明
图1为公接头的外形和剖面示意图；
图2为母接头的外形和剖面示意图；
图3为公接头和母接头的紧固配合图；
图4为公接头和母接头的剖面部分放大图；
图5为粗牙螺纹的尺寸标注图；
图6为智能芯片的工作原理图；
图7为高强度低流耗节能智能钻具的示意图。
图中：公接头-1、母接头-2、外螺纹-3、内螺纹-4、二级外主光滑面-5、二级内主光滑面 -6、二级外副光滑面-7、二级内副光滑面-8、二级外台阶面-9、二级内台阶面-10、一级外主光滑面-11、一级内主光滑面-12、一级外副光滑面-13、一级内副光滑面-14、一级外台阶面-15、一级内台阶面-16、一级外应力释放圆弧-17、一级内应力释放圆弧-18、二级外应力释放圆弧 -19、二级内应力释放圆弧-20、钻杆-21、数据接收端-22、智能芯片-30、泥浆排量检测模块 -301、钻杆扭矩检测模块-302、井径井斜监测模块-303、钻杆定向模块-304、钻杆压力监测模块-305、泥浆温度监测模块-306、泥浆反压监测模块-307、井下磁场监测模块-308。
具体实施方式
为使本实用新型实现的技术手段、特征与功效更易被理解，下面结合具体实施方式和本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例1
如图7所示，一种高强度低流耗节能智能钻具，包括公接头1、母接头2、钻杆21、智能芯片30，如图1和图2所示，所述公接头1设有外螺纹3，所述母接头2设有内螺纹4；所述外螺纹3和内螺纹4对应设置，所述公接头1和母接头2的一端用于焊接钻具，一端通过螺纹紧固连接，所述外螺纹3靠近公接头1所连钻具的一端为近端，远离公接头1所连钻具的一端为远端，所述内螺纹4靠近母接头2所连钻具的一端为近端，远离母接头2所连钻具的一端为远端，所述外螺纹3牙顶连线与公接头1中心线形成夹角，外螺纹3锥度为1:16.5，对应内螺纹4的锥度也为1:16.5；
如图6所示，所述高强度低流耗节能智能钻具还包括设置于井上的数据接收端22，所述智能芯片30埋设在母接头2上，智能芯片30包括的模块有：泥浆排量检测模块301、钻杆扭矩检测模块302、井径井斜监测模块303、钻杆定向模块304、钻杆压力监测模块305、泥浆温度监测模块306、泥浆反压监测模块307、井下磁场监测模块308，以上所述模块监测到的井下数据由智能芯片30发送给数据接收端22；
所述公接头1沿外螺纹3的远端向外依次设置一级外台阶面15、一级外副光滑面13、一级外应力释放圆弧17和一级外主光滑面11，所述一级外台阶面15为圆台面，其与公接头 1的中心线的夹角大于外螺纹3牙顶连线与公接头1中心线形成的夹角，所述一级外台阶面 15一端连接外螺纹3，一端连接一级外副光滑面13，所述一级外副光滑面13为圆柱面，所述一级外副光滑面13与公接头1共中心线，所述一级外主光滑面11垂直于公接头1的中心线设置，所述一级外主光滑面11和一级外副光滑面13之间为一级外应力释放圆弧17，所述一级外应力释放圆弧17剖面为圆弧状；
所述公接头1沿外螺纹3的近端向内依次设置二级外台阶面9、二级外副光滑面7、二级外应力释放圆弧19和二级外主光滑面5，所述二级外台阶面9为圆台面，其与公接头1的中心线的夹角大于外螺纹3牙顶连线与公接头1中心线形成的夹角，所述二级外台阶面9一端连接外螺纹3，一端连接二级外副光滑面7，所述二级外副光滑面7为圆柱面，所述二级外副光滑面7与公接头1共中心线，所述二级外主光滑面5垂直于公接头1的中心线设置，所述二级外主光滑面5和二级外副光滑面7之间为二级外应力释放圆弧19，所述二级外应力释放圆弧19剖面为圆弧状；
所述母接头2沿内螺纹4的远端向外依次设置一级内台阶面16、一级内副光滑面14、一级内应力释放圆弧18和一级内主光滑面12，所述一级内台阶面16为圆台面，其与母接头 2的中心线的夹角大于内螺纹4牙顶连线与母接头2中心线形成的夹角，所述一级内台阶面 16一端连接内螺纹4，一端连接一级内副光滑面14，所述一级内副光滑面14为圆柱面，所述一级内副光滑面14与母接头2共中心线，所述一级内主光滑面12垂直于母接头2的中心线设置，所述一级内主光滑面12和一级内副光滑面14之间为一级内应力释放圆弧18，所述一级内应力释放圆弧18剖面为圆弧状；
所述母接头2沿内螺纹4的近端向内依次设置二级内台阶面10、二级内副光滑面8、二级内应力释放圆弧20和二级内主光滑面6，所述二级内台阶面10为圆台面，其与母接头2的中心线的夹角大于内螺纹4牙顶连线与母接头2中心线形成的夹角，所述二级内台阶面10一端连接内螺纹4，一端连接二级内副光滑面8，所述二级内副光滑面8为圆柱面，所述二级内副光滑面8与母接头2共中心线，所述二级内主光滑面6垂直于母接头2的中心线设置，所述二级内主光滑面6和二级内副光滑面8之间为二级内应力释放圆弧20，所述二级内应力释放圆弧20剖面为圆弧状；
如图3、图4所示，所述公接头1和母接头2配合紧固时，所述一级外主光滑面11和二级内主光滑面6、所述一级外副光滑面13和二级内副光滑面8、所述一级外台阶面15和二级内台阶面10、所述二级外主光滑面5和一级内主光滑面12、所述二级外副光滑面7和一级内副光滑面14、所述二级外台阶面9和一级内台阶面16之间对应形成六处硬面密封；所述一级外应力释放圆弧17和二级内应力释放圆弧20之间、二级外应力释放圆弧19和一级内应力释放圆弧18之间贴合；
如图5所示，所述内螺纹4、外螺纹3均为粗牙螺纹，所述粗牙螺纹的相邻两螺纹牙的最低点与最高点的高度差为螺纹牙顶高度h，由于粗牙螺纹的牙顶被削平一部分，连接螺纹牙的边线形成交点，所述交点为螺纹牙的理论最高点，所述理论最高点与相邻螺纹牙的最低点之间的高度差为牙高H，所述h的高度为13/16H；相邻两螺纹牙的最低点之间的间距为螺距P，所述螺距P约为2.5牙/in；
所述二级内应力释放圆弧20和二级外应力释放圆弧19的剖面均设置为圆弧状，在扣型被使用一段时间后，扣型可能会出现内螺纹4和外螺纹3的螺纹磨损此时，需要对扣型进行修复，称为修扣；修扣时，需要将所有的螺纹以及台阶面等硬面重新向螺纹的近端移动，如果此时的应力释放圆弧为普通型的扣型中的槽状，需要将所有的螺纹以及台阶面等硬面向螺纹的近端移动并且需要将槽状的应力释放槽盖过，大大地浪费了扣型的材料，采用圆弧状的应力释放圆弧，只需要移动螺纹以及台阶面等硬面，而不需要考虑应力释放槽形成的槽口有没有没绕过，节省了材料，延长了扣型的使用寿命；
所述公接头1和母接头2紧固后，所述高强度低流耗节能智能钻具，其中一种规格的内径为56mm，连接处的最大外径为104.8mm，远低于普通型API扣型连接处的最大外径152mm，大大降低了流耗，使得钻井液的输送更加容易，连接处的最小外径为88.9mm，与钻杆的外径相当，适宜于摩擦焊将公接头1和母接头2与钻杆连接；
所述高强度低流耗节能智能钻具材质为钢材，所述材质中硫、磷含量均低于0.0080％，五害元素含量均低于0.0100％，将材质中的硫磷含量以及五害元素含量精确控制在所述范围内，扣型的抗拉强度和连接强度得到了进一步的提升，抗拉强度的数据如表1所示；
表1
实施例2
与实施例1相似，不同点在于；
外螺纹3锥度为1:20，对应内螺纹4的锥度也为1:20；
h的高度为27/32H；螺距P约为3.2牙/in；
高强度低流耗节能智能钻具的内径为62mm，外径以及连接处的最大外径均与实施例1 相当；
扣型的抗拉强度以及抗扭屈服强度与实施例1相当，相比较API标准接头抗扭强度提高率约为84.2％；
综上，本实用新型高强度低流耗节能智能钻具的通过所述公接头1和母接头2配合紧固时形成的内外对应配合的六处硬面密封，提高了扣型连接处的连接强度和密封效果，通过将扭矩载荷分散到各硬面密封处以及螺纹连接处，增强了扣型连接处的抗拉强度，由于螺纹的锥度较小，提高了扣型连接处的拉伸强度；通过降低螺纹牙顶高度采用粗牙螺纹，降低了扣型连接处的最大外径，在连接钻杆时，能够使扣型连接处的最大外径降低，降低流耗；通过设置应力释放圆弧，减小连接处应力对扣型自身的伤害，以及采用圆弧状应力释放圆弧，在修扣时，能够尽量少的修扣，减少浪费，提高扣型的使用寿命；对扣型的材质中硫磷以及五害元素含量进行限制，能够显著提高扣型的力学性能；
通过智能芯片的模块对井下环境进行监测，同时对钻具的扭矩、压力等进行监测，通过井上的数据接收端接收数据，及时了解井下情况，能够有效地避免事故发生。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作出的任何修改或者等同替换，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
