具有外螺纹的套管及其制造方法与流程

1.示例性实施例涉及石油和天然气工业中的钻井操作。更具体地，示例性实施例涉及用于钻井操作的套管(casing)及其制造方法。


背景技术：

2.套管柱(casing string)是被构造成适合特定井筒的具有组装长度的钢管。将管段连接并下放到井筒中，然后用水泥固定就位。管接头通常大约40英尺(12米)长，在每一端上具有阳螺纹，并且与被称为联接件的短长度的双阴螺纹管连接。长套管柱在柱的上部可能需要更高强度的材料以承受柱载荷。柱的下部可以与具有较大壁厚的套管组装以承受很可能在深处出现的极端压力。
3.使用套管以保护或隔离邻近井筒的地层。在井中使用套管的一些常见原因包括：保护淡水含水层(表层套管)；为安装井口设备(包括防喷器(bop))提供强度；提供压力完整性以使得井口设备(包括bop)可以被封闭；密封漏失或破裂的地层(钻井液漏失到其中)；密封低强度地层以使得可以安全地穿透较高强度(以及通常较高压力)地层；密封高压区以使得可以用较低的钻井液密度钻探较低压地层；密封诸如有流动盐的棘手的地层；以及符合监管要求(通常与上文列出的因素之一有关)。
4.图1示出了两种类型的底部钻具组件(bha)。第一种类型的bha 100适用于直孔或竖向孔，第二种类型的bha 120适用于定向孔或水平孔。第一种类型的bha 100中的钻柱的下部包括(在竖向井中从下到上)钻头102、钻头接头104、泥浆马达106、稳定器(未示出)、钻铤(drill collars)108、重型钻杆110、震击装置(“震击器”)和用于各种螺纹形式的跨接件(crossover)。钻柱的上部可以包括例如连续油管112、止回阀组件114和压力断开器116。第二种类型的bha 120除了关于bha 100描述的那些元件之外，还可以包括定向工具122、在非磁性钻铤中的随钻测量(mwd)或随钻测井(lwd)工具124、以及可调节弯曲壳体126。底部钻具组件100、120为钻头提供力以破碎岩石(钻压)，在恶劣的机械环境中留存，并且为钻井者提供井的方向控制。通常，该组件包括泥浆马达、定向钻井和测量设备、随钻测量工具、随钻测井工具和其它专用装置。


技术实现要素：

5.一个示例性实施例是用于钻井操作的套管。所述套管包括主体部，所述主体部具有长度、第一端和第二端、外径、内径以及与所述外径和所述内径共同的中心轴线。所述套管还具有形成在所述主体部的外径上的外螺纹，其中所述外螺纹开始于距所述第一端第一预定距离处，并结束于距所述第二端第二预定距离处。所述外螺纹包括形成在所述主体部的外径上的螺旋槽(spiral groove)或螺旋螺纹(helical thread)。所述外螺纹以约1度至45度的角度形成。所述外螺纹从所述套管突出约0.25至2.0英寸。所述套管包括至少部分地包封所述外螺纹的涂层，其中所述涂层包括选自由多晶金刚石颗粒、类金刚石碳(dlc)、碳化钨、氮化硼、碳化硅、氮化硅及其组合组成的组中的至少一种材料。
6.所述涂层通过物理气相沉积、化学气相沉积、等离子体喷涂、原子层沉积或其组合来沉积。所述涂层还包括纳米颗粒，所述纳米颗粒包括碳化钨或金刚石。所述外螺纹形成在所述套管所附接的底部钻具组件的钻头后面至少200英尺处。所述套管适于在直孔或定向孔中操作。所述套管是液压成形的、喷涂金属的或碳纤维增强的。所述外螺纹可以是右旋的或左旋的，并且可以包括一个或多个起始部。
7.另一示例性实施例是一种形成用于钻井操作的套管的方法。所述方法包括提供主体部，所述主体部具有长度、第一端和第二端、外径、内径以及与所述外径和所述内径共同的中心轴线。所述方法还包括在所述主体部的外径上形成外螺纹，其中所述外螺纹开始于距所述第一端第一预定距离处，并结束于距所述第二端第二预定距离处。所述外螺纹包括形成在所述主体部的外径上的螺旋槽或螺旋螺纹。所述方法还可以包括提供至少部分地包封所述外螺纹的涂层，其中所述涂层包括选自由多晶金刚石颗粒、类金刚石碳(dlc)、碳化钨、氮化硼、碳化硅、氮化硅及其组合组成的组中的至少一种材料。所述涂层通过物理气相沉积、化学气相沉积、等离子体喷涂、原子层沉积或其组合来沉积。所述涂层还包括纳米颗粒，所述纳米颗粒包括碳化钨或金刚石。
附图说明
8.当参考以下对实施例的描述和附图的考虑时，将进一步理解本公开的实施例的前述方面、特征和优点。在描述附图中所示的本公开的实施例时，为了清楚起见，将使用特定术语。然而，本公开并不旨在限于所使用的特定术语，而是应当理解，每个特定术语包括以类似方式操作以实现类似目的等同物。
9.为了说明的简单和清楚，附图示出了一般的构造方式，并且可以省略公知的特征和技术的描述和细节，以避免不必要地模糊对所描述的实施例的讨论。另外，附图中的元件不一定按比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸相对于其他元件可以被放大，以帮助提高对各种实施例的理解。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。
10.图1示出了根据在先技术教导的底部钻具组合的两种构造。
11.图2a至图2c示出了根据本公开的一个或多个示例性实施例的钻井用套管的示意图。
12.图3示出了根据本公开的一个或多个示例性实施例的用于制造钻井用套管的示例性方法。
具体实施方式
13.现在将在下文中参照示出了实施例的附图更全面地描述本公开的方法和系统。本公开的方法和系统可以是许多不同的形式，并且不应被解释为限于本文阐述的所示实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开透彻和完整，并且将其范围完全传达给本领域技术人员。相同的数字始终表示相同的元件。
14.现在转到附图，图2a至图2c示出了根据本公开的一个或多个示例实施例的钻井操作用套管200的示意图。如图2a所示，套管200可以是图1所示的底部钻具组件110或120的一部分。在一个示例性实施例中，套管200可以安装在套管所附接的底部钻具组件110、120的钻头202后面至少200英尺处。套管200可适于在直孔或定向孔中操作。
15.图2b示出了根据本公开的一个实施例的套管200的特写视图。套管200包括具有长度206、第一端208和第二端210的主体部204。图2c示出了套管200的一部分的进一步的特写视图。如该图所示，套管200包括外径d2、内径d3以及外径和内径共同的中心轴线210。套管200还具有形成在主体部204的外径d2上的外螺纹220。如图2b所示，外螺纹220开始于距第一端208第一预定距离处，并结束于距第二端210第二预定距离处。
16.在一个示例性实施例中，外螺纹220包括形成在主体部204的外径d2上的螺旋槽或螺旋螺纹。在一个示例性实施例中，外螺纹220以约1度至45度的角度形成。在一个示例性实施例中，外螺纹220从套管的外径d2突出约0.25至2.0英寸。
17.在一个示例性实施例中，外螺纹220形成在套管所附接的底部钻具组件的钻头202后面至少200英尺处。然而，在一些情况下，钻头202与套管200之间的距离可大于或小于200英尺，这取决于底部钻具组件的设计。如本领域技术人员可以理解的，套管200适于在直孔或定向孔中操作。在一个示例性实施例中，套管200可以是液压成形的、喷涂金属的或碳纤维增强的。
18.液压成形是一种将诸如铝、黄铜、低合金钢和不锈钢的韧性金属成形为轻质、结构刚性且坚固的工件的有成本效益的方式。通过液压成形可以形成复杂的形状，以便产生更坚固、更轻和更具刚性的一体结构。液压成形是一种专门类型的模具成形，其使用高压液压流体将室温工作材料压入模具中。为了使铝液压成形，将铝的中空管放置在具有期望结果的形状的阴模内。然后，高压液压泵以非常高的压力将流体注入到铝管内，这使得铝管膨胀直到铝管与模具匹配。然后从模具中取出液压成形的铝。液压成形允许形成具有凹部的复杂形状，这对于标准的固体模压是困难的或不可能的。液压成形件通常可以以比传统冲压件或冲压焊接件更高的刚度重量比和更低的单位成本来制造。几乎所有能够冷成形的金属均可以液压成形，包括铝、黄铜、碳和不锈钢、铜和高强度合金。
19.在一个实施例中，套管200可由碳纤维增强复合材料形成。该复合材料是一种非常坚固和轻质的含有碳纤维的纤维增强塑料。粘合聚合物通常是热固性树脂，诸如环氧树脂，但是有时使用其它热固性或热塑性聚合物，诸如聚酯、乙烯基酯或尼龙。除了碳纤维之外，复合材料可以包含芳族聚酰胺(例如，kevlar、twaron)、超高分子量聚乙烯(uhmwpe)、铝或玻璃纤维。最终复合产品的性质也会受到引入到粘合基质(树脂)中的添加剂类型的影响。最常见的添加剂是二氧化硅，但也可以使用其它添加剂，诸如橡胶和碳纳米管。该材料也被称为石墨增强聚合物或石墨纤维增强聚合物(gfrp较不常见，因为它与玻璃(纤维)增强聚合物不调和)。
20.在一个示例性实施例中，套管200可以包括包封外螺纹220的涂层。该涂层可以包括选自由多晶金刚石颗粒、碳化钨、氮化硼、碳化硅、氮化硅及其组合组成的组中的至少一种材料。在一些实施例中，外螺纹220可以是右旋的或左旋的，并且可以包括一个或多个起始部。
21.图3示出了根据本公开的一个或多个示例性实施例的用于制造钻井操作用套管200的示例性方法300。该方法包括提供具有主体部204的套管200，该主体部具有长度206、第一端208和第二端210。该套管还包括外径、内径以及外径和内径共同的中心轴线。方法300包括在主体部204的外径上形成外螺纹220，其中外螺纹220开始于距第一端208第一预定距离处，并且结束于距第二端210第二预定距离处。外螺纹220包括形成在主体部204的外
径上的螺旋槽或螺旋螺纹，外螺纹220可以是右旋的或左旋的，并且可以包括一个或多个起始部。
22.方法300还可以包括提供至少部分地包封外螺纹220的涂层304。涂层304包括选自由多晶金刚石颗粒、碳化钨、氮化硼、碳化硅、氮化硅及其组合组成的组中的至少一种材料。在该示例性实施例中，涂层304通过物理气相沉积、化学气相沉积、等离子体喷涂、原子层沉积或其组合来沉积。在一个示例性实施例中，涂层304还可以包括纳米颗粒，该纳米颗粒包括碳化钨或金刚石。碳化钨是一种致密的、金属样物质，带有淡蓝色色调的浅灰色，在2,600℃(4,700
°
f)下分解而不是熔化。碳化钨是通过在氢气存在下在1,400℃
‑
1,600℃(2,550
°
f
‑
2,900
°
f)加热钨粉和炭黑而制备的。如本领域技术人员可理解的，涂层304可部分地或完全地包封外螺纹220。
23.有时(尤其是在单晶生长环境中)被称为物理气相输运(pvt)的物理气相沉积(pvd)描述了多种可用于制备薄膜和涂层的真空沉积方法。pvd的特征在于其中材料从凝聚相变成气相然后再回到薄膜凝聚相的过程。最常见的pvd工艺是溅射和蒸发。
24.化学气相沉积(cvd)是一种用于生产高质量、高性能的固体材料的真空沉积方法。在典型的cvd中，晶片(基底)暴露于一种或多种挥发性前体，该挥发性前体在基底表面上反应和/或分解以产生期望的沉积物。通常，还产生挥发性副产物，这些挥发性副产物通过使气体流过反应室而被除去。
25.微制造工艺广泛地使用cvd来沉积各种形式的材料，所述形式包括：单晶、多晶、非晶和外延。这些材料包括：硅(二氧化物、碳化物、氮化物、氧氮化物)、碳(纤维、纳米纤维、纳米管、金刚石和石墨烯)、碳氟化合物、细丝、钨、氮化钛和各种高k电介质。
26.在等离子喷涂工艺中，将待沉积的材料(原料)引入从等离子炬中发出的等离子射流中，待沉积的材料通常为粉末，有时为液体、悬浮液或线材。在射流中(其中温度在10,000k的数量级)，材料被熔化并被推向基底。在基底处，熔融液滴变平，快速固化并形成沉积物。通常，沉积物作为涂层保持粘附到基底上，也可通过除去基底产生独立的部件。存在大量影响颗粒与等离子体射流及基底的相互作用并因此影响沉积性质的技术参数。这些参数包括原料类型、等离子气体成分和流速、能量输入、炬偏移距离、基底冷却等。
27.原子层沉积(ald)是基于气相化学工艺的顺序使用的薄膜沉积技术；它是化学气相沉积的一个子类。大多数ald反应使用两种被称为前体(也称为“反应物”)的化学品。这些前体以顺序的、自限制的方式一次一种地与材料的表面反应。通过反复暴露于单独的前体，缓慢沉积薄膜。ald是半导体器件制造中的关键工艺，并且是可用于合成纳米材料的装置组的一部分。
28.包括发明内容、附图简要说明和具体实施方式的说明书以及所附权利要求涉及本公开的特定特征(包括过程或方法步骤)。本领域技术人员应理解，本公开包括说明书中描述的特定特征的所有可能的组合和使用。本领域技术人员应理解，本公开不限于说明书中给出的实施例的描述或不受其限制。
29.本领域技术人员还应理解，用于描述特定实施例的术语不限制本公开的范围或广度。在解释说明书和所附权利要求时，所有术语应当以与每个术语的上下文一致的最宽的可能方式来解释。除非另有定义，否则说明书和所附权利要求书中使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。
30.除非上下文另有明确指示，否则如在说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数引用。动词“包括”及其同源形式应当被解释为以非排他的方式指代元件、部件或步骤。所引用的元件、部件或步骤可以与未明确引用的其它元件、部件或步骤一起存在、使用或组合。
31.除非另外具体说明或者在所使用的上下文内以其他方式理解，否则诸如“能够”、“可”、“可能”或“可以”等条件语言一般旨在传达某些实现可包括而其他实现不包括某些特征、元件和/或操作。因此，这样的条件语言一般不旨在暗示一个或多个实现以任何方式需要这些特征、元件和/或操作，或者不旨在暗示一个或多个实现必须包括用于在有或没有用户输入或提示的情况下决定这些特征、元件和/或操作是否被包括在任何特定实现中或者是否要在任何特定实现中执行的逻辑。
32.因此，本文所述的装置和方法非常适于实现所述目的并获得所提及的结果和优点以及其中固有的其它结果和优点。虽然为了公开的目的已经给出了装置和方法的示例性实施例，但是在用于实现期望结果的过程的细节中存在许多改变。这些和其它类似的修改对于本领域技术人员来说是明显的，并且旨在被包括在本文所公开的装置和方法的精神以及所附权利要求的范围内。