CN107676040B - 外壳导向式造斜钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种外壳导向式造斜钻具，包括：导向外壳；所述导向外壳沿其长度方向设有多个间隔排布的环形凹槽；该多个环形凹槽将所述导向外壳分成多个外壳短节；每个所述环形凹槽连通一T型槽，所有所述T型槽沿所述导向外壳的长度方向排布在所述导向外壳一侧；该T型槽将所述导向外壳贯穿；相邻两个外壳短节，一外壳短节设有所述T型槽，另一外壳短节设有位于所述T型槽内的T型连接板；所述T型连接板能沿所述T型槽移动预定距离；设置于所述导向外壳内的柔性钻杆；该柔性钻杆包括：第一钻杆接头、第二钻杆接头、造斜钻头以及位于所述第一钻杆接头与所述第二钻杆接头之间的多个首尾连接的钻杆短节；相邻两个钻杆短节之间通过万向节连接。

Description

外壳导向式造斜钻具

技术领域

本发明涉及石油开采领域，尤其涉及一种外壳导向式造斜钻具。

背景技术

在石油工业中，在同一口井中同时开采多个层系的超短半径侧钻技术是石油开采进入现代的主要增产手段之一。

根据曲率半径的不同径向水平井分为长半径井、中半径井、短半径井和超短半径井。曲率半径大于500米为长半径井，曲率半径在100米至500米为中半径井，曲率半径在20至100米为短半径井，曲率半径小于20米为超短半径井。曲率半径越短的井越难以开钻，对钻具的要求也更高。

在现有技术中，钻井工具主要分为射流工具和柔性钻具两大类。

美国某公司拥有一项利用高压旋转射流破岩钻进的技术，在全球范围内提供技术服务支持。利用这种射流钻成的水平井井眼直径较小，且由于水流切割出来的孔道不规则，使得其无法固井完井，孔道因为失去支撑而容易闭合。

以这种射流喷射原理为基础，中国发明专利ZL200920012340.0公开了一种高压水射流喷射组合工具，包括喷射主体和完井辅件，喷射主体除了喷头、高压管等之外还包括割缝柔性筛管，该割缝柔性筛管套装在高压管的外侧，在喷射进尺至设计井深后，上提钻具，而割缝柔性筛管及防砂筛网均保留在所喷射形成的井眼内，由此实现完井。

但是这种割缝柔性筛管的割缝由于与井眼的钻进方向垂直，且割缝往往并不是规整的圆弧形，因此在下井过程中割缝往往会与井壁发生大面积的刮擦，从而导致整套组合工具无法顺利前进。

在中国发明专利ZL96249291.4中公开了一种柔管钻具，由弹性弯齿套及其内套装的柔性钻管构成90°造斜装置，弹性弯齿套主体为弹性钢筋串联的扇形环状空心连接片；柔性钻管的齿套是由用销钉依次连接的管状球面连接环组成的万向柔性空心齿套。90°造斜装置被拉伸呈直线状下入井内后，驱动造斜装置内的柔性钻管转动，将扭矩传递给钻头，钻压通过弹性弯齿套也传递给钻头，从而实现钻进。

由于弹性弯齿套套在柔性钻管的外侧，而弹性弯齿套容易发生偏心，而与井壁发生碰撞，为避免在钻进过程中常见的偏心现象，该专利的主要发明人在其随后的中国发明专利ZL00258470.0中进一步进行改进，柔性钻具由管式弹性弯齿套导向筒和带有滚动轴承的柔性钻杆构成。这种装置的侧向动力来自于跟进导向管的侧向推力，弹性的导向筒能够促使钻头转向，而导向筒的外壁上设有多组导向扶正条和更多的防扭限位片，确保整个导向筒能够按设定方向弯曲；而在导向筒内侧还设有可弯曲的内外球形键，每组球形键上组装滚珠扶正轴承，由此使柔性钻杆不与导向筒内壁直接接触，以减少可能造成导向筒偏移的摩擦力。

这种弹性弯齿套导向筒上设有横向的割缝，也就是说这种导向筒也是一种割缝柔性管，同样具有如前所述由于割缝存在导致的缺陷，同时割缝还破坏了原本硬质材料导向筒本身的强度。另外，扶正导向条不仅同样容易与井壁之间产生摩擦，而且其导向能力在实际应用过程中也受到质疑，因此这类柔性钻具并不能真正为钻井行业所认可。

另外，这种结构在柔性钻杆完成造斜后，需将先前钻进用的钻具吊出，重新接上普通钻杆再下井至造斜段继续进行水平钻井，需要两次钻井才能完成。

进而中国发明专利公开号CN1464170A也公开了一种钻井、完井工具及其工艺，其中的导向跟进筛管尽管并非割缝筛管，但也是通过多段梯形管在一侧连为一体而另一侧断开形成，在90°造斜时，多段梯形管向断开的一侧弯曲而形成弯管。但不难发现，这种形式的筛管仍然无法避免与井壁的刮擦，由于多段梯形管在弯曲后形成一段刚性弯管，在钻进时用于90°造斜的筛管与井壁之间会产生的巨大摩擦阻力导致这种工具几乎无法前行。

由以上这些背景技术可见，现有的超短半径水平井钻井工具都有普遍的共性，就是在柔性钻杆或高压喷具外侧套设割缝弯管，利用割缝弯管进行90°造斜，以期在水平井钻井完成后提出钻具，而割缝弯管还能保留在井内起到固井的作用。

另外，现有万向节柔性钻杆，普遍采用传动柱销、球传动方式，结构复杂，该种结构的柔性钻杆会存在明显应力集中，易产生疲劳磨损，可靠性不高。同时，单节柔性单元所含零件过多，每节柔性单元需要焊接，装配工艺复杂，互换性差。

还有，现有的常规柔性钻杆均采用万向节传动结构，具有较大弯曲度，能通过超短半径侧钻水平井井眼。但由于外部无相应导向装置，导致在钻进过程中不易控制钻井方位和方向。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的是提供一种外壳导向式造斜钻具，其通过设计有仅可单侧弯曲的导向外壳，可实现定方位的造斜侧钻，避免侧钻造斜不成功，钻出h型分支井。

本发明采用的技术方案是：

一种外壳导向式造斜钻具，包括：

导向外壳；所述导向外壳沿其长度方向设有多个间隔排布的环形凹槽；该多个环形凹槽将所述导向外壳分成多个外壳短节；每个所述环形凹槽连通一T型槽，所有所述T型槽沿所述导向外壳的长度方向排布在所述导向外壳一侧；该T型槽将所述导向外壳贯穿；相邻两个外壳短节，一外壳短节设有所述T型槽，另一外壳短节设有位于所述T型槽内的T型连接板；所述T型连接板能沿所述T型槽移动预定距离；靠近所述T型槽的部分所述环形凹槽将所述导向外壳贯穿，另一部分所述环形凹槽不将所述导向外壳贯穿；

设置于所述导向外壳内的柔性钻杆；该柔性钻杆包括：第一钻杆接头、第二钻杆接头、造斜钻头以及位于所述第一钻杆接头与所述第二钻杆接头之间的多个首尾连接的钻杆短节；相邻两个钻杆短节之间通过万向节连接。

作为一种优选的实施方式，所述环形凹槽的开口宽度沿远离所述T型槽的方向逐渐减小。

作为一种优选的实施方式，所述环形凹槽的深度沿远离所述T型槽的方向逐渐减小。

作为一种优选的实施方式，所述环形凹槽在与所述T型槽相对的另一侧上连接有将所述导向外壳贯穿第一连接槽和第二连接槽；所述第一连接槽和第二连接槽沿所述导向外壳的周向间隔；所述第一连接槽和第二连接槽设有将相邻两个外壳短节连接的连接板。

作为一种优选的实施方式，所述钻杆短节包括：

纵长延伸的球齿机构，所述球齿机构的侧壁上设置有第一连接部；所述球齿机构的一端设置有球头结构，所述球头结构的侧壁上设置有多个沿其周向间隔排布的传动齿；所述传动齿的后方设有第一密封外球面；所述传动齿的前方设有第二密封外球面；

与所述球齿机构活动连接的齿套机构；所述齿套机构具有容纳所述球头结构的活动空间；所述齿套机构的后端套设于所述球齿机构外且位于所述球头结构的后方；所述活动空间的下部设有与所述第一密封外球面相配合的第一密封内球面，所述活动空间的上部设有与所述第二密封外球面相配合的第二密封内球面；所述活动空间的壁上设有多个与所述传动齿一一对应的轨迹槽；所述传动齿部分伸入所述轨迹槽内；所述传动齿与所述轨迹槽的底面接触；所述齿套机构开设有能与第一连接部相连接的第二连接部。

作为一种优选的实施方式，所述传动齿与所述球头结构为一体成型结构。

作为一种优选的实施方式，所述传动齿从上至下沿弧线或包络线延伸；所述轨迹槽为弧形槽。

作为一种优选的实施方式，所述传动齿的横截面的外轮廓为部分圆弧；所述传动齿横截面的外轮廓的直径从上至下先增大后减小。

作为一种优选的实施方式，所述传动齿横截面的外轮廓的最大直径位置相对于所述传动齿的前端更靠近所述传动齿的后端。

作为一种优选的实施方式，所述第一密封外球面与所述第二密封外球面位于同一球体上；所述最大直径位置与所述球体的球心位于同一横截面上。

作为一种优选的实施方式，所述第一密封外球面与所述第一密封内球面至少之一，和/或，所述第二密封外球面与所述第二密封内球面至少之一设有环形润滑油槽；所述润滑油槽内填充有耐高温润滑脂。

作为一种优选的实施方式，所述环形润滑油槽具有同轴设置的两个。

作为一种优选的实施方式，所述齿套机构包括齿套、以及端盖；所述齿套固定连接所述端盖后端并形成所述活动空间；所述齿套的外壁上具有第一球面结构；所述齿套的前端连接所述端盖；所述第一密封内球面以及所述轨迹槽设置于所述齿套的内壁上；所述第二密封内球面设置于所述端盖的后端；所述端盖设有所述第二连接部；所述端盖的前端套设于所述球齿机构的后端外并设有与第一球面结构相配合的第二球面结构。

作为一种优选的实施方式，所述齿套与所述端盖螺纹连接。

作为一种优选的实施方式，所述传动齿的数量为6个并且沿周向均匀分布；所述轨迹槽的数量为6个。

作为一种优选的实施方式，所述第一连接部和所述第二连接部为螺纹连接。

作为一种优选的实施方式，所述端盖的后端设有通入所述活动空间的锥孔；所述端盖通过所述锥孔套设于所述球齿机构外；所述锥孔从下至上直径逐渐增大。

作为一种优选的实施方式，所述锥孔的倾角为8度。

作为一种优选的实施方式，所述第一钻杆接头的后端具有所述端盖，所述第一钻杆接头的前端设有钻杆母扣。

作为一种优选的实施方式，所述第二钻杆接头的后端设有钻杆公扣；所述第二钻杆接头的前端套设于所述球齿机构的后端外且设有所述第二球面结构。

作为一种优选的实施方式，所述钻杆短节的可弯度度数为0-8度。

作为一种优选的实施方式，所述导向外壳与所述柔性钻杆之间设有轴承。

有益效果：

本发明通过设有导向外壳，该导向外壳通过在其长度方向设有多个T型槽以及T型连接板，使得该导向外壳即可向具有该T型槽以及T型连接板203的一侧弯曲，进而该导向外壳仅可单侧弯曲，如此可实现定方位的造斜侧钻，避免侧钻造斜不成功，钻出h型分支井。

所述导向外壳与柔性钻杆之间可以设有轴承，从而通过(滚动)轴承实现二者之间运动隔离，从而保证柔性钻杆转动时导向外壳不随之转动，降低了柔性钻杆与导向外壳内壁之间的磨损。导向外壳不转动，与裸眼井壁之间的磨损降低，有效提高了造斜钻进成功率，从而实现定方位、定方向的超短半径侧钻作业。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种实施方式提供的一种外壳导向式造斜钻具结构示意图；

图2是图1中的导向外壳示意图；

图3是图1中的柔性钻杆结构示意图；

图4是图3的横截面图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1、图2，为本发明一种实施方式提供的一种外壳导向式造斜钻具，包括：导向外壳200以及设置于所述导向外壳200内的柔性钻杆。

其中，所述导向外壳200沿其长度方向设有多个间隔排布的环形凹槽201；该多个环形凹槽201将所述导向外壳200分成多个外壳短节；每个所述环形凹槽201连通一T型槽202，所有所述T型槽202沿所述导向外壳200的长度方向排布在所述导向外壳200一侧；该T型槽202将所述导向外壳200贯穿；相邻两个外壳短节，一外壳短节设有所述T型槽202，另一外壳短节设有位于所述T型槽202内的T型连接板203；所述T型连接板203能沿所述T型槽202移动预定距离；靠近所述T型槽202的部分所述环形凹槽201将所述导向外壳200贯穿，另一部分所述环形凹槽201不将所述导向外壳200贯穿。

本实施方式通过设有导向外壳200，该导向外壳200通过在其长度方向设有多个T型槽202以及T型连接板203，使得该导向外壳200即可向具有该T型槽202以及T型连接板203的一侧弯曲，进而该导向外壳200仅可单侧弯曲，如此可实现定方位的造斜侧钻，避免侧钻造斜不成功，钻出h型分支井。

所述导向外壳200与柔性钻杆之间可以设有轴承50，从而通过(滚动)轴承50实现二者之间运动隔离，从而保证柔性钻杆转动时导向外壳200不随之转动，降低了柔性钻杆与导向外壳200内壁之间的磨损。导向外壳200不转动，与裸眼井壁之间的磨损降低，有效提高了造斜钻进成功率，从而实现定方位、定方向的超短半径侧钻作业。

在该实施方式中，所述环形凹槽201的开口宽度沿远离所述T型槽202的方向逐渐减小。进一步地，所述环形凹槽201的深度沿远离所述T型槽202的方向逐渐减小。其中，环形凹槽201在最大宽度开口处形成割缝(将导向外壳200贯穿)，如此导向外壳200向具有T型槽202一侧弯曲时可存在一定的可弯曲裕量，同时，T型连接板203的端部向T型槽202的顶壁移动，直至二者相接触。

T型连接板203可以为T型槽202形成，通过在导向外壳200的壁上沿“T”字轨迹开设凹槽，该T型凹槽所围构部分形成T型连接板203。T型连接板203的端部和T型槽202的顶壁之间形成间隙，该间隙为贯穿凹槽形成，以供导向外壳200形成弯曲。

导向外壳200朝T型槽202一侧弯曲后，另一侧相应的会产生拉伸，为避免应力集中，以及承受弯曲应力和拉应力，所述环形凹槽201在与所述T型槽202相对的另一侧上连接有将所述导向外壳200贯穿第一连接槽204和第二连接槽；所述第一连接槽204和第二连接槽(未示出)沿所述导向外壳200的周向间隔；所述第一连接槽204和第二连接槽设有将相邻两个外壳短节连接的连接板。

其中，该连接板的两端沿周向的宽度大于中间部分的宽度。该连接板可以与T型槽202协同承受别钻时钻具的部分扭矩。造斜钻进时，在钻压和轴向力复合作用下，导向外壳200会沿着T型槽202的排布方向弯曲，最终弯到90度。

在本实施方式中，本实施方式的造斜钻具外部为导向外壳200，内部为柔性钻杆，导向外壳200在钻进过程中在钻压和轴向力的复合作用下弯曲导向，柔性钻杆在造斜钻进时，传递钻进扭矩，从而顺利完成定方位、定方向的超短半径侧钻。导向外壳200只在钻压作用下朝着设定V型槽方向弯曲，起到为柔性钻杆钻进导向作用，钻进过程中，柔性钻杆不与裸眼井壁直接接触，减少了疲劳磨损，提高了柔性钻杆的使用寿命。

所述柔性钻杆应用但不限于超短半径侧钻水平井的钻井作业。在本实施方式中，如图3、图4所示，所述柔性钻杆包括：第一钻杆接头1、第二钻杆接头9、造斜钻头200以及位于所述第一钻杆接头1与所述第二钻杆接头9之间的多个首尾连接的钻杆短节100。

其中，相邻两个钻杆短节100之间通过万向节连接。具体的，所述钻杆短节100包括：纵长延伸的球齿机构7，所述球齿机构7的侧壁上设置有第一连接部2；所述球齿机构7的一端设置有球头结构，所述球头结构的侧壁上设置有多个沿其周向间隔排布的传动齿4；所述传动齿4的后方设有第一密封外球面14；所述传动齿4的前方设有第二密封外球面11；与所述球齿机构7活动连接的齿套机构；所述齿套机构具有容纳所述球头结构的活动空间；所述齿套机构的后端套设于所述球齿机构外且位于所述球头结构的后方；所述活动空间的下部设有与所述第一密封外球面14相配合的第一密封内球面13，所述活动空间的上部设有与所述第二密封外球面11相配合的第二密封内球面16；所述活动空间的壁上设有多个与所述传动齿4一一对应的所述轨迹槽10；所述传动齿部分伸入所述轨迹槽10内；所述传动齿与所述轨迹槽10的底面接触；所述齿套机构开设有能与第一连接部2相连接的第二连接部3。

在多个钻杆短节100首尾相连形成柔性钻杆时，如图1所示，一钻杆短节100的球齿机构7由前一钻杆短节100前端伸入其齿套机构，使一钻杆短节100的第一连接部2与前一钻杆短节100的第二连接部3配合，从而进行传动；相似地，该钻杆短节100与后一钻杆短节100连接时，后一钻杆短节100的球齿机构7由该钻杆短节100前端伸入其齿套机构，使后一钻杆短节100的第一连接部2与该钻杆短节100的第二连接部3配合，从而进行传动。

通过以上描述可以看出，钻杆短节100通过球齿机构7与齿套机构的活动配合形成可弯曲构造，从而自身可以进行弯曲，多个钻杆短节100形成的弯曲进行叠加从而可以进行超短半径侧钻水平井的钻井作业。同时，本实施方式所提供的钻杆短节100的传动齿4为球齿机构的固定结构，并通过传动齿与轨迹槽10相配合进行传动，能够降低应力集中，提升设备的可靠性。

通过柔性钻杆以及与柔性钻杆采用万向活动连接的钻头，形成一整条柔性链，这种柔性链与传统的隔缝弯管，包括多个梯形管组成的导向管不同。传统的隔缝弯管只能向一个方向弯曲成近似900弯管，且在弯曲后则不再表现柔性，而是成为一段钢性弯管，该钢性弯管的外缘一旦与井壁内侧发生摩擦，则钢性弯管根本无法自行向内拱起而避开障碍。

反观本实施方式的柔性钻杆，由于每段钻杆短节100之间均通过球齿机构7与齿套机构进行万向节式活动连接，因此当任意一段钻杆短节100与井壁发生碰擦时，该段钻杆短节100都可进行适当弯曲，从而避开障碍，使钻杆钻头下行驶可畅行无阻。而对于用于固井的柔性套管而言，相邻两段柔性套管通过铰接的伸缩管活动连接，也可保证柔性套管能顺利地沿钻井下行到需要位置。

需要说明的是，本发明中的前、后方向及上前方向为以第一钻杆接头1为参照，两个部件中靠近第一钻杆接头1的部件在前或在上，远离第一钻杆接头1的在后或在下；比如，第一钻杆接头1至第二钻杆接头9的方向为由前至后方向或由上至前方向。

请继续参阅图1，球齿机构7纵长延伸，其整体为管体结构。第一连接部2大致设置于球齿机构7长度方向后端(或后端)至球头位置。(以读者面对图1时)球头结构位于第一连接部2的后方(或前方)。所述球头结构的侧壁上设置有多个沿其周向间隔排布的传动齿4。所述传动齿4的后方设有第一密封外球面14；所述传动齿4的前方设有第二密封外球面11。

为有效改善结构强度，所述传动齿4与所述球头结构为一体成型结构。当然，传动齿4也可以通过焊接等方式固定于球头结构的外表面。所述传动齿4从上至下沿弧线或包络线延伸；所述轨迹槽10为弧形槽。所述传动齿4的横截面的外轮廓为部分圆弧；所述传动齿4横截面的外轮廓的直径从上至下先增大后减小。通过设置如此结构，该传动齿4形成上下两端直径小，中部直径大的圆弧形包络结构，在受轴向力作用大角度弯转的情况下，该传动齿4依然可以传递大扭矩，且不会产生明显应力集中，具有较佳的结构可靠性。同时，弧形结构的传动齿4与弧形槽相配合形成传动副，可以实现柔性钻杆在任一角度传动副的受力面积不变，可以有效降低结构件疲劳磨损。

进一步地，所述传动齿4横截面的外轮廓的最大直径位置相对于所述传动齿4的前端更靠近所述传动齿4的后端。具体的，所述第一密封外球面14与所述第二密封外球面11位于同一球体上；所述最大直径位置与所述球体的球心位于同一横截面上。

在本实施方式中，齿套机构的活动空间可以收容球齿机构7。其中，活动空间与球头结构可以为同心设置，以便球齿机构7可以进行万向摆动，从而形成弯曲角度。球头结构的外表面与活动空间的内表面贴合接触。

为方便密封，防止钻井液泄漏，所述活动空间的下部设有与所述第一密封外球面14相配合的第一密封内球面13，所述活动空间的上部设有与所述第二密封外球面11相配合的第二密封内球面16。进一步地，为保证钻杆转动弯曲的灵活性，所述第一密封外球面14与所述第一密封内球面13至少之一，和/或，所述第二密封外球面11与所述第二密封内球面16至少之一设有环形润滑油槽12；所述润滑油槽12内填充有耐高温润滑脂。如图1所示，所述环形润滑油槽12具有同轴设置的两个(也可以称为两道)。

如图3、图4所示，球头结构的外壁设置的传动齿4与轨迹槽10的底面均为沿所述球齿机构7延伸方向(也可以为如图1所示的由上至下或由下至上)弧形延伸，传动齿4、轨迹槽10及其底面所沿弧形与球头结构的轮廓线相匹配(比如不同直径但同心设置)。如图2所示，传动齿4的底面的轮廓线与球头结构的外轮廓线为同心圆。

如图3所示，传动齿4的一端伸入轨迹槽10中并与轨迹槽10的底面接触。球头结构在活动空间内转动时，传动齿4相对于轨迹槽10滑动，在滑动过程中，传动齿4始终与轨迹槽10的底面接触，从而保证球头结构与活动空间为同心设置。具体的，所述传动齿4的数量为6个并且沿周向均匀分布；所述轨迹槽10的数量为6个。

具体的，所述齿套机构可以包括齿套3、端盖5。所述齿套3固定连接所述端盖5后端并形成所述活动空间。所述齿套3的外壁上具有第一球面结构8。所述齿套3的前端连接所述端盖5；所述端盖5设有所述第二连接部3。所述端盖5的前端设有与第一球面结构8相配合的第二球面结构15。为方便球齿机构的转动，所述端盖5的后端设有通入所述活动空间的锥孔6；所述端盖通过所述锥孔6套设于所述球齿机构外；所述锥孔6从下至上直径逐渐增大。优选的，所述锥孔6的倾角为8度。

其中，齿套3、及端盖5均如图3所示为套式结构或管状结构，从而与球齿机构7形成的钻杆短节100具有中心流道。如图1所示齿套3、端盖5由上至下排布。齿套3与端盖5相配合形成活动空间，齿套3的内壁设有所述第一密封内球面13以及所述轨迹槽10。所述齿套与所述端盖螺纹连接。如图1所示，所述第二密封内球面16设置于所述端盖5的后端；所述端盖5的前端套设于所述球齿机构的后端外并设有与第一球面结构8相配合的第二球面结构15。

如图3所示，球头结构夹设于齿套3与端盖5之间，并且，端盖5的一缩径凸起的上表面形成所述第二密封内球面16，该缩径凸起的下表面形成供所述球齿机构的后端顶抵的台阶。第二球面结构15设置于端盖5的前端，为内球面。第一球面结构8设置于齿套3的外壁上，为外球面。第一球面结构8与第二球面结构15相贴合接触，为球齿机构7与齿套机构之间的相对摆动进行导向辅助，同时，避免脏物进入端盖5与球头结构之间的活动球面。

如图3所示，端盖5设置有第二连接部3，第二连接部3和第一连接部2均可以为螺纹结构并与(下一钻杆短节100的)螺纹连接。其中，第二连接部3位于活动空间的后方以及缩径凸起的后方。球齿机构7与齿套机构通过螺纹连接，可以稳定地保持扭矩的传递，从而便于相邻两个钻杆短节100之间产生弯曲。

进一步的，所述齿套3与所述端盖5螺纹连接。所述轨迹槽10沿所述球头结构的周向均匀分布。每个所述轨迹槽10及销孔中均设有一个所述传动齿4。所有所述传动齿4位于同一平面，从而既能满足钻杆短节100的弯曲，同时能较好地传递扭矩。所述轨迹槽10的数量不少于4个。如图2所示，所述轨迹槽10的数量为6个，传动齿4的数量同样为6个，。所述第一连接部2为外螺纹，所述第二连接部3为内螺纹。

在一个实施方式中，第一钻杆接头1与钻杆短节100同样为活动连接，第二钻杆接头9与钻杆短节100也同样为活动连接。

具体地，如图1所示，所述第二钻杆接头9的一端设有钻杆公扣。所述第二钻杆接头9的前端套设于所述球齿机构的后端外且设有所述第二球面结构15。进一步地，如图1所示，所述第一钻杆接头1的后端具有所述端盖5，所述第一钻杆接头的前端设有钻杆母扣。

在本实施方式中钻杆短节100可以弯曲，即齿套机构与球齿机构7之间产生相对摆动。较佳的，所述钻杆短节100的可弯度度数为0至8度。如此设置，在5 1/2"(5寸半)井中可以顺利完成造斜半径为1.5-2米的超短半径侧钻水平井或大斜度井钻井作业。具体的，所述柔性钻杆的长度可以为9米至10米。

本实施方式所提供的大弯曲度柔性钻杆不仅具有常规钻杆相同的机械性能，满足钻井作业需求，还同时具有普通钻杆不具备的可大角度弯曲特性，能顺利通过造斜曲率半径小于2m的侧钻水平井，在弯曲状态下能同时传递钻压和旋转动力。

假设在1500m井深，对某一地层进行超短半径侧钻作业，设计水平段长度100m，使用本发明的柔性钻杆的作业工艺流程如下：

(1)将钻头连接至一根柔性钻杆上；(2)顺序连接若干根钻杆短节，总长超过100m；(3)在柔性钻杆后端顺序连接常规钻杆和钻铤至1500m侧钻层位；(4)按照钻井设计进行开窗侧钻作业；(5)直至水平段进尺达到100m，停钻上提钻具。

使用本实施方式的造斜钻具对某一地层进行超短半径侧钻作业的工艺流程如下：

(1)铣锥套管内开窗；(2)将该造斜钻具下入窗口；(3)陀螺定方位，将V型口朝向设计造斜钻进方向；(4)启动钻进动力，开始造斜；(5)直至完成造斜段钻进，停钻并起出钻具。

本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (19)

1.一种外壳导向式造斜钻具，其特征在于，包括：

导向外壳；所述导向外壳沿其长度方向设有多个间隔排布的环形凹槽；该多个环形凹槽将所述导向外壳分成多个外壳短节；每个所述环形凹槽连通一T型槽，所有所述T型槽沿所述导向外壳的长度方向排布在所述导向外壳一侧；该T型槽将所述导向外壳贯穿；相邻两个外壳短节，一外壳短节设有所述T型槽，另一外壳短节设有位于所述T型槽内的T型连接板；所述T型连接板能沿所述T型槽移动预定距离；靠近所述T型槽的部分所述环形凹槽将所述导向外壳贯穿，另一部分所述环形凹槽不将所述导向外壳贯穿；所述环形凹槽的开口宽度沿远离所述T型槽的方向逐渐减小；所述环形凹槽的深度沿远离所述T型槽的方向逐渐减小；所述环形凹槽在最大宽度开口处形成割缝；所述导向外壳为一体式结构；

设置于所述导向外壳内的柔性钻杆；该柔性钻杆包括：第一钻杆接头、第二钻杆接头、造斜钻头以及位于所述第一钻杆接头与所述第二钻杆接头之间的多个首尾连接的钻杆短节；相邻两个钻杆短节之间通过万向节连接；所述导向外壳与所述柔性钻杆之间设有轴承。

2.如权利要求1所述的外壳导向式造斜钻具，其特征在于：所述环形凹槽在与所述T型槽相对的另一侧上连接有将所述导向外壳贯穿的第一连接槽和第二连接槽；所述第一连接槽和第二连接槽沿所述导向外壳的周向间隔；所述第一连接槽和第二连接槽设有将相邻两个外壳短节连接的连接板。

3.如权利要求2所述的外壳导向式造斜钻具，其特征在于：所述钻杆短节包括：

纵长延伸的球齿机构，所述球齿机构的侧壁上设置有第一连接部；所述球齿机构的一端设置有球头结构，所述球头结构的侧壁上设置有多个沿其周向间隔排布的传动齿；所述传动齿的后方设有第一密封外球面；所述传动齿的前方设有第二密封外球面；

与所述球齿机构活动连接的齿套机构；所述齿套机构具有容纳所述球头结构的活动空间；所述齿套机构的后端套设于所述球齿机构外且位于所述球头结构的后方；所述活动空间的下部设有与所述第一密封外球面相配合的第一密封内球面，所述活动空间的上部设有与所述第二密封外球面相配合的第二密封内球面；所述活动空间的壁上设有多个与所述传动齿一一对应的轨迹槽；所述传动齿部分伸入所述轨迹槽内；所述传动齿与所述轨迹槽的底面接触；所述齿套机构开设有能与第一连接部相连接的第二连接部。

4.如权利要求3所述的外壳导向式造斜钻具，其特征在于，所述传动齿与所述球头结构为一体成型结构。

5.如权利要求3所述的外壳导向式造斜钻具，其特征在于，所述传动齿从上至下沿弧线或包络线延伸；所述轨迹槽为弧形槽。

6.如权利要求3-5任一所述的外壳导向式造斜钻具，其特征在于，所述传动齿的横截面的外轮廓为部分圆弧；所述传动齿横截面的外轮廓的直径从上至下先增大后减小。

7.如权利要求6所述的外壳导向式造斜钻具，其特征在于，所述传动齿横截面的外轮廓的最大直径位置相对于所述传动齿的前端更靠近所述传动齿的后端。

8.如权利要求7所述的外壳导向式造斜钻具，其特征在于，所述第一密封外球面与所述第二密封外球面位于同一球体上；所述最大直径位置与所述球体的球心位于同一横截面上。

9.如权利要求6所述的外壳导向式造斜钻具，其特征在于，所述第一密封外球面与所述第一密封内球面至少之一，和/或，所述第二密封外球面与所述第二密封内球面至少之一设有环形润滑油槽；所述环形润滑油槽内填充有耐高温润滑脂。

10.如权利要求9所述的外壳导向式造斜钻具，其特征在于，所述环形润滑油槽具有同轴设置的两个。

11.如权利要求6所述的外壳导向式造斜钻具，其特征在于，所述齿套机构包括齿套、以及端盖；所述齿套固定连接所述端盖后端并形成所述活动空间；所述齿套的外壁上具有第一球面结构；所述齿套的前端连接所述端盖；所述第一密封内球面以及所述轨迹槽设置于所述齿套的内壁上；所述第二密封内球面设置于所述端盖的后端；所述端盖设有所述第二连接部；所述端盖的前端套设于所述球齿机构的后端外并设有与第一球面结构相配合的第二球面结构。

12.如权利要求11所述的外壳导向式造斜钻具，其特征在于，所述齿套与所述端盖螺纹连接。

13.如权利要求3所述的外壳导向式造斜钻具，其特征在于，所述传动齿的数量为6个并且沿周向均匀分布；所述轨迹槽的数量为6个。

14.如权利要求11所述的外壳导向式造斜钻具，其特征在于，所述第一连接部和所述第二连接部为螺纹连接。

15.如权利要求11所述的外壳导向式造斜钻具，其特征在于，所述端盖的后端设有通入所述活动空间的锥孔；所述端盖通过所述锥孔套设于所述球齿机构外；所述锥孔从下至上直径逐渐增大。

16.如权利要求15所述的外壳导向式造斜钻具，其特征在于，所述锥孔的倾角为8度。

17.如权利要求11所述的外壳导向式造斜钻具，其特征在于，所述第一钻杆接头的后端具有所述端盖，所述第一钻杆接头的前端设有钻杆母扣。

18.如权利要求17所述的外壳导向式造斜钻具，其特征在于，所述第二钻杆接头的后端设有钻杆公扣；所述第二钻杆接头的前端套设于所述球齿机构的后端外且设有所述第二球面结构。

19.如权利要求1所述的外壳导向式造斜钻具，其特征在于，所述钻杆短节的可弯度度数为0-8度。

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