本发明涉及改进的螺纹衬垫，用于在从地层开采石油或天然气的钻杆柱 中连接钻杆的相邻部分，并涉及生产这种螺纹衬垫的改进方法。

为了防止螺纹擦伤，并提供石油和天然气开采中所用的钻杆的连接和使 用方面的连接安全性，钻杆的螺纹通常涂覆有一层合适的螺纹化合物。这些 化合物通常含有细分金属粉末，诸如锌和铅，有时还含有其它的成分，诸如 活性硫。经验表明，这些化合物的质量可能会因时间、或者因在使用中所遇 到的极端条件的影响而降低，导致丧失其防擦伤特性。而且，这些化合物中 有许多现在被列为有害物质，因为它们的金属颗粒含量较高。

为了解决这些问题，授予Baryshnikov等人的意大利专利980421描述了 一种用来代替传统螺纹化合物的螺纹衬垫。所揭示的这种具体的螺纹衬垫由 一种锥形部分构成，该锥形部分在其开口的较大端具有一凸缘。在锥形部分 壁的内、外表面上形成有相配合的螺旋形槽，因而整个锥形壁的横截面呈波 纹状。设置成垂直于锥形部分的轴线的凸缘，其厚度约为锥形壁厚度的8到16 倍。利用这种结构，衬垫的锥形部分可容纳于相邻钻杆部分的相配合的槽之 间，而凸缘将填塞相邻钻杆部分的凸肩之间所形成的环形空间。

意大利专利980421的螺纹衬垫描述为由铜/铍合金制成。该合金在与钢 和其它金属相配合时具有独特的特性组合，包括耐磨和耐擦。因此，声称该 装置能完全代替传统的螺纹化合物，从而解决与这些化合物相关的环境和性 能问题。

然而，意大利专利980421看来仅仅是一种概念上的揭示，而没有披露制 造方法。而且，壁厚的描述也不清楚。

用于钻杆柱的其它装置，诸如钻铤、钻头套管、定心器、震动套环、定 向钻具和“接头”(将钻头附连于钻杆柱的连接器)，目前都是由铜/铍合金 制成的。这些装置通常是通过机加工来制造，即通过切割、钻孔或类似操作 去除工件的一部分。因此，意大利专利980421的螺纹衬垫可能也可通过机加 工来制造。但是，机加工本身较为昂贵，尤其是在用诸如铜/铍合金之类的昂 贵材料制造复杂零件时。而且，很难通过机加工操作来制造具有非常薄的壁 部分的零件。

因此，需要一种新的方法来制造意大利专利980421所示类型的螺纹衬垫， 它可以避免或至少减少形成基本零件结构的机加工工序。另外，还需要开发 壁部分比该专利所考虑的更薄和更厚的螺纹衬垫。

                      发明概要

按照本发明，提供了一种制造意大利专利980421所示类型的螺纹衬垫的 新工艺。在该工艺中，使一金属条或金属片在第一成形工序中机械变形而产 生一预成形坯，该预成形坯具有所需螺纹衬垫产品的大体形状，该螺纹衬垫 产品包括一薄壁锥形部分和一成一体的凸缘。然后，在第二成形工序中，再 次将该预成形坯机械变形而给预成形坯的薄壁锥形部分提供螺旋形槽和一波 纹状的横截面形状，从而产生所需的螺纹衬垫产品。

在这两个成形工序中，成形是通过机械变形实现的，而没有机加工。因 此，可以非常方便和便宜地形成所需的螺纹衬垫产品，因而其成本使它的应 用在经济上可行。而且，采用该方法，可以制造出壁厚比过去可能的壁厚小 得多的螺纹衬垫产品。由于大大减少了所使用的昂贵铍/铜合金的量，因而这 进一步有利于降低制造成本。

因此，本发明的一个实施例提供了一种制造在连接相邻钻杆部分中所使 用的薄壁螺纹衬垫的新工艺，该衬垫具有一中空的锥形部分和一成一体的衬 垫凸缘，该中空锥形部分的壁厚约为0.5毫米或更小，该衬垫凸缘的厚度约 为锥形部分壁厚的5到40倍，该衬垫锥形部分形成相配合的螺纹，用于与相 邻的钻杆部分的螺纹相配合，其中，该工艺包括在第一工序中使一金属条机 械变形而形成一预成形坯，该预成形坯形成一预成形坯锥形部分和一成一体 的预成形坯凸缘，然后将该衬垫锥形部分进一步机械变形而在其内表面和外 表面上提供螺纹，从而形成所需的螺纹衬垫产品。

在另一实施例中，本发明还提供了一种在连接相邻钻杆部分中所使用的 改进的薄壁螺纹衬垫，该相邻钻杆部分具有带螺纹的插入端和带螺纹的包容 端，本发明的衬垫由一铜/铍合金形成，并具有由一锥形壁形成的一中空锥形 部分，该锥形壁具有一内表面和一外表面，锥形壁的厚度约为0.5毫米或更 小，该中空锥形部分形成一较小的开口端和与该较小开口端相对的一较大的 开口端，该衬垫在其较大端还形成一与衬垫锥形壁成一体的凸缘，该凸缘的 厚度约为锥形壁厚度的5到40倍，衬垫锥形部分的内表面和外表面各形成相 配合的螺旋形槽而使衬垫锥形壁的横截面呈波纹状，因而该衬垫锥形壁可通 过使相邻钻杆部分的螺纹相配合而容纳于其间。

                    附图简述

参阅附图可以更容易地理解本发明，附图中：

图1是意大利专利980421的螺纹衬垫的剖视示意图，它插设于一钻杆柱 中的两个相邻钻杆部分的螺纹之间；

图2是在图1的圆圈A内的一部分螺纹衬垫的放大剖视图；

图3是与图2类似的视图，示出了意大利专利980421的螺纹衬垫的另一 实施例；

图4是本发明螺纹衬垫的剖视示意图；

图5是在图4的圆圈B内的一部分螺纹衬垫的放大剖视图；

图6是表示本发明的制造图4螺纹衬垫的工艺的剖视示意图；

图7、8和9是与图1到5类似的剖视图，示出了本发明的另一实施例。

                     详细描述

图1示出了意大利专利980421的螺纹衬垫20，它表示为插设于一钻杆柱 的两个相邻的钻杆部分22和24的螺纹之间。钻杆部分22具有一插入部分或 “销”部分26，该插入部分形成一锥形表面28，该锥形表面进而形成有一螺 纹/螺旋形槽30。同样，钻杆部分24具有一包容部分或“盒”部分36，该包 容部分中形成有用来与钻杆部分22的螺纹/螺旋形槽30相配合的螺纹/螺旋 形槽32。钻杆部分22形成一凸肩38，该凸肩适于面对并与钻杆部分24的凸 肩40相配合。

如图1所示，意大利专利980421的螺纹衬垫插设于钻杆部分22和24之 间。螺纹衬垫20包括一容纳于钻杆部分22和24的相配合的螺纹/螺旋形槽30 和32之间的截头锥形部分42以及一容纳于钻杆部分的凸肩38和40之间的 凸缘44。

为了使螺纹衬垫20的截头锥形部分42能容纳于钻杆部分22和24的相 配合的螺纹/螺旋形槽30和32之间，形成截头锥形部分42的壁的横截面实 际上呈波纹状。这在图2和3中示出，它们是该意大利专利的两幅附图的复 制件，是图1的圆圈A内的一部分截头锥形部分42的详细视图。图2和3中 示出了具有不同壁厚的两个不同的实施例。

意大利专利980421在截头锥形部分42的壁厚方面没有作清楚说明，只 是有一些暗示表示该厚度可能约为1到2毫米。外径为6到8英寸的通常的 钻杆的槽深约为3到5毫米。这里，基本上复制该意大利专利附图的图2和3 示出，壁厚L和Q约为槽深R的1/3到2/3。这也就意味着壁厚L和Q的范围 约为1到3毫米。

按照本发明，意大利专利980421所示类型的一种新的螺纹衬垫通过一种 新的工艺来制造，在该工艺中，将一金属条机械变形而形成一预成形坯，然 后将该预成形坯进一步机械变形而使其具有合适的槽。

图4和5中示出了用这种工艺生产的新型薄壁螺纹衬垫，它总的由标号50 表示。它由一中空的、截头锥形的部分52构成，该部分由锥形壁54形成， 该锥形壁形成一内表面56和一外表面58。在锥形部分52的一侧形成一较小 的开口端60，而在锥形部分52的另一侧形成一较大的开口端62。在锥形部 分52的较大端与锥形壁54一体地形成有凸缘64，该凸缘设置在一个垂直于 锥形部分52的轴线66的平面内。

如图5所示，锥形壁54的内表面56和外表面58分别形成相配合的槽68 和70，用于接纳待连接的相邻钻杆部分的相配合的螺纹。与意大利专利980421 的情况一样，锥形壁54形成槽68和70的部分的壁厚足够薄，因而该锥形壁 的横截面实际呈波纹形，如图4和5中所示。但是，在本发明的螺纹衬垫中， 锥形壁54的厚度要薄得多，通常约为0.5毫米或更小，较佳的是约为0.4毫 米或更小，更佳的是约为0.3毫米或更小。这样，在本发明的螺纹衬垫中， 锥形壁54形成槽68和70的部分的厚度与槽68和70的深度(表示为图5中 的距离D)相比通常约为20％或更低，较佳的是约为10％或更低，甚至是5 ％或更低。

本发明的螺纹衬垫的凸缘64可以是任何厚度，只要在相邻的钻杆部分与 本发明的螺纹衬垫一起连接时，能基本上完全填满它们的凸肩之间所形成的 环形空间即可。参见图1。这取决于许多因素，包括钻杆的凸肩设计、锥形壁 54相对于轴线66的角度以及锥形壁54的厚度。通常，凸缘64约为锥形壁54 的壁厚的5到40倍，较佳的是15到30倍，更佳的是20到25倍。

在图4和5所示的具体实施例中，锥形壁54的壁厚约为0.012英寸(约 0.3毫米)，这约为槽68和70的深度的9％。类似地，图示具体实施例中的 凸缘64约为0.30英寸(约7.2毫米)厚，或约为锥形壁54的壁厚的25倍。

本发明的螺纹衬垫的锥形部分的壁较薄，以避免在钻杆螺纹中形成致损 的应力程度。这意味着锥形部分的厚度应仅足以在钻杆被连接并用于开采石 油或天然气过程中维持物理上的完整性。某些特定的合金具有一组独特的特 性，包括高导电性、高强度、耐腐蚀性、可成形性、低滑动摩擦系数以及在 与钢或其它铁质或非铁质金属相配合时的耐磨损和耐擦伤性。由于这些合金 不仅可在较长的使用寿命下提供所需的润滑和防擦伤效果，而且也相对较容 易通过机械变形或机电变形来形成薄片形状，而无需机加工，因此，它们是 制造本发明的螺纹衬垫的理想候选材料。

此类合金的实例是铜/铍合金，它含有至少约0.1重量％到10重量％或 更高的铍，较佳的是约0.75到5重量％的铍，更佳的是约1.25到3重量％ 的铍。最为优选的铜/铍合金含有约2到2.5重量百分比的铍。此类合金可含 有基本上不会改变它们的基本特性的其它成分，其实例是Ni、Co、Zr、Ti、Hf、 Sn、Pb、Ag、Mg、Si、Al和Cr。示例性的合金例如描述于US5,993,574、 US4,179,314、US4,551,187和US4,657,601中，这些专利的揭示援引在此供 参考。图4和6中所示的具体螺纹衬垫由含2重量％的铍的铜/铍合金制成。

可用于通过本发明的工艺制造的本发明螺纹衬垫的其它合金是那些主要 由Cu、Ni或Al构成的、含有Sn、Zn、Zr、Pb、Ti、Si、Al、Cr、Mg、Ni、Cu、 In和Bi中的一或多种的合金。具体的实例是Cu/Sn、Cu/Ni、Cu/Ni/Sn、Cu/Zn、 Cu/Si、Ni/Cr、Cu/Al、Al/Ti、Al/Mg和Al/Zn的合金。含约5到9％的Sn和7到16％的Ni、其余是Cu的合金，尤其是含约8％的Sn和约15％的Ni的合金，在缺少附加润滑的情况下相对于钻杆钢表现出尤为有益的摩擦系数。 参见1995年11月3日提交的美国专利申请08/552,582，该申请的揭示援引 在此供参考。

本发明的螺纹衬垫也可以由不昂贵的材料制成，但其使用寿命、防擦伤 效果和/或易成形性可能会受到不利影响。

本发明的螺纹衬垫由一金属条通过一种工艺机械变形而制成。“条”是 指在比其厚度尺寸长和宽许多倍的区域上具有基本均匀的厚度的金属片或金 属条。因此，条区分于杆、棒或锭块等这些长度和/或宽度可能近似于其厚度 的材料。

机械变形是指通过施加机械力、不通过机加工或其它切割操作从工件上 去除材料来给工件提供形状的工艺。许多不同的机械变形工艺是公知的，并 且可以用于本发明的工艺之中，其实例是，冷成形、深拉、壁烫压、旋压成 形、螺纹滚轧、半熔成形、液压成形、温锻、热锻、冷锻、磁力成形、触融 锻造(thixoforging)和爆炸成形。用于本发明工艺的优选的机械变形工艺 是磁力变形和触融锻造。

在执行本发明的工艺时，某些成形操作可通过机加工来完成。然而，就 程序以及形成工件的材料的浪费而言，机加工都是较为昂贵的。因此，应尽 可能地避免机加工。最好，大部分的、甚至基本上所有的成形都按照本发明 的工艺仅通过机械或机电变形来完成。

在本发明工艺的第一工序中，由一金属条通过机械变形产生一预成形坯。 最好，该预成形坯的尺寸和形状接近所要生产的最终螺纹衬垫产品的大体尺 寸和形状，具有一凸缘和截头锥形部分，但在锥形部分上没有槽。该工序通 过一金属条在一形状类似的锥形模或造形上成形来完成最为方便，只是该锥 形模的外径略小于成品螺纹衬垫的锥形壁54。预成形坯的截头端的形成既可 通过成形工序的一部分来完成，也可通过先形成一封闭的锥形端、然后去除 该封闭端而形成截头端来完成。

用于制造预成形坯的金属条的厚度至少等于、最好大于最终螺纹衬垫成 品的凸缘64的厚度，以简化凸缘64的成形。实际上，在本发明的该实施例 中，本发明的螺纹衬垫由一整体的单片原材料制成是合适的，因此金属条应 足够厚，以允许进行所有必需的金属加工作业，而无须对其增加额外的材料。

在预成形坯的成形过程中，金属条的形成成品螺纹衬垫的锥形壁54的部 分最好经拉制或展延以及加工，使预成形坯的锥形部分的壁厚与成品螺纹衬 垫的锥形壁54的壁厚基本相同。通常，这意味着，金属条的壁厚将降低一个 系数，该系数至少等于成品螺纹衬垫中的凸缘64与锥形壁54的厚度比。一 般而言，该比值的范围可以是5/1到40/1，较佳的是15/1到30/1，更佳的 是20/1到25/1。如果形成凸缘64的金属条的厚度减小，则形成预成形坯锥 形部分的金属条的厚度将减小更多。

在预成形坯形成后，在预成形坯的锥形部分上形成槽68和70。这可以通 过任何公知的机械变形技术来实现，它将给预成形坯的截头锥形部分提供槽68 和70，也就是图5所示的波纹壁结构。适合用于该工序的机械变形技术的例 子有：壁烫压、旋压成形、螺纹滚轧、模锻、液压成形、磁力成形以及触融 锻造。尤为优选的是磁力成形和触融锻造。

关于这一方面，图6示出了本发明工艺的一优选实施例，其中本发明工 艺的第二工序是通过真空磁力成形来实现的。在该图中，预成形坯72放置在 一模具74中，该模具具有一带槽表面76，其槽与成品螺纹衬垫的锥形壁54 所要形成的槽68和70的尺寸和形状相应。模具74容纳于容器78中，该容 器适于对大气环境封闭。容器78连接有一真空系统(未图示)，使容器内部 可抽空到一个约为3×103到7×103、最好是4×103到5×103乇的合适的真空。 虽然该真空并不一定需要，但它可去除在磁力成形中可能截留的空气，从而 有助于改善槽的界定。在预成形坯72的截头锥形部分内的中空部分中设置有 一线圈80，该线圈连接于一能够产生较大电脉冲的电源(未图示)。

在容器78被抽空后，给线圈80提供一较大的电脉冲。按照公知的磁力 成形技术，它通过一个大到足以使预成形坯永久变形的力将预成形坯的锥形 壁推压到模具74的带槽表面76上。因此，预成形坯便被永久赋予了由相配 合的槽68和70所限定的成品螺纹衬垫的锥形壁54的波纹形状。而且，预成 形坯锥形部分在该成形工序中经略微径向膨胀后，便达到锥形壁54的最终壁 厚。

在金属条工件按本发明的工艺被赋予所需的最终形状后，可能必须或需 要对所得到的产品进行热处理，以永久性地固定该形状，并使产品具有所需 的材料特性。这主要取决于所使用的合金。而且，根据常规实验所得的公知 原则，可以很容易地确定这种处理的条件。

在图7、8和9中所示的本发明的第二实施例中，本发明的螺纹衬垫由分 离的部分形成，这些部分最好在第二机械变形工序中连接于一起，之后还可 另外通过在其环形凸缘的表面周围的不同位置处的点焊连接于一起。如图7 所示，预成形坯部分172的制造方式类似于图6的预成形坯72，只是环形凸 缘164的壁厚与预成形坯其余部分的相同。另外，环形凸缘164在径向上大 于前述实施例的凸缘64，该凸缘的外端向下弯折90°而形成竖直延伸部分 180。将环形圈182插入预成形坯的延伸部分180、凸缘164和壁之间所形成 的凹陷部分，如图7所示，并如图9所示方式通过将延伸部分180的外(下) 端弯折于环形圈上而将该环形圈牢固地固定在适当位置。可使用一点焊区来 连接预成形坯和环形圈，作为牢固固定环形圈的又一手段。该方法的优点在 于，可免去减小前述实施例中的预成形坯锥形壁的厚度所需的展延、拉制或 类似的机械加工工序。

按照本发明，通过使用金属条作为原材料、用机械变形加工技术作为成 形工序的一成形工艺来制造钻杆的螺纹衬垫。利用这种方法，可以使用更便 宜的金属成形技术来制造螺纹衬垫，从而生产出显著薄于过去产品的衬垫产 品。因此，基于诸如铜/铍或Cu/Ni/Sn之类的昂贵合金的螺纹衬垫的制造成 本要显著低于以前提出的方法所可能的成本。最终，这允许使用意大利专利 980421所建议的螺纹衬垫，使其从不切实际的、理论上的构思转变成为现实。

虽然以上仅描述了本发明的少数实施例，但应予理解，可以进行许多修 改而不脱离本发明的精神和范围。所有这些修改都应包括在本发明的范围之 内，该范围仅应由所附权利要求书来限定。

                      发明背景