柔性螺杆钻具及钻井方法

技术领域

本发明涉及油气开采径向钻井工艺技术领域，尤其涉及一种柔性螺杆钻具及钻井方法。

背景技术

对于稠油、复杂小断块、低渗/超低渗油藏，如何高效地开发稠油油藏、挖潜厚油层顶部和断层封闭性油层局部剩余油资源，增大储层动用程度、提高油气采收率和改善开发效果已成为各油田亟待解决的关键问题。

针对上述难题，油气井勘探行业提出了径向钻井技术，即通过井下柔性钻具配合，将轴向力和扭矩等载荷有效转递给钻头，直接实现在原井套管内的开窗侧钻。该技术可利用高压水射流能量在油气层中喷射出多分支通道，突破近井地带的污染，建立起高效的油气流通通道，从而增大泄油面积和油井控油范围。

目前径向钻井技术已经发展形成了小曲率大半径、中半径、短半径和超短半径侧钻方法，但现有的柔性钻具普遍存在着扭矩传递效率低、径向侧钻周期长和作业成本高等诸多问题，制约着径向钻井技术的发展。

螺杆钻具是一种以钻井液为动力，把液体压力能转化为机械能的容积式井下动力钻具。当泥浆泵泵出的钻井液流经旁通阀进入马达时，马达的进、出口会形成一定的液力压降，驱动转子绕定子轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴高效传递给钻头。螺杆钻具的传动特征摆脱了传统依靠钻柱旋转提供钻进动力的方式，具备可在低转速驱动下获得大扭矩、大排量、高钻速的技术优势，目前被广泛应用于直井、水平井、开窗侧钻等作业过程中。

径向水平井等复杂结构井，特别是超短半径侧钻水平井，与常规水平井最为显著的差异在于其曲率半径特别小，在这类井的作业过程中，井下常规螺杆钻具往往依托于其材料形变造斜钻进。

然而小曲率半径侧钻作业会加剧其工具壳体的受力，极易造成与马达定子连接的防掉壳体、万向轴壳体在外螺纹处发生断裂，导致井下事故的发生。

基于此，目前应用于径向侧钻水平井作业的柔性钻具少见加装有螺杆钻具配合，应用于径向侧钻水平井作业、辅助钻头开窗侧钻作业的扭矩、转速等动力载荷，仍旧依靠钻柱的旋转提供，致使其传动效率伴随着钻遇井深的增加不断降低，使得径向侧钻周期延长和作业成本过高，不利于油气田开发的长期持续发展。

因此，有必要设计一种柔性螺杆钻具及钻井方法，以克服上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性螺杆钻具及钻井方法，以缓解径向钻井技术中扭矩传递效率低、径向侧钻周期长和作业成本高的技术问题。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种柔性螺杆钻具，包括从上往下依次连接的旁通阀总成、柔性螺杆马达、传动轴总成和钻头，所述旁通阀总成与上端作业管柱连接，所述传动轴总成与钻头连接，所述柔性螺杆马达包括多级线状分布的螺杆短节；

所述螺杆短节包括定子单节和转子单节，所述定子单节的内壁设有定子部，所述转子单节的外壁设有转子部，所述转子单节穿设于所述定子单节内，多级螺杆短节共同作用传递扭矩；

至少一个所述定子单节设有球头体，至少一个所述定子单节设有球形凹槽，相邻的两个所述定子单节中，所述球头体嵌设于所述球形凹槽内，相邻的两个所述定子单节能够绕所述球形凹槽的球心作相对转动；

至少一个所述转子单节设有万向节花键，至少一个所述转子单节设有万向节花键槽，相邻的两个所述转子单节中，所述万向节花键嵌设于所述万向节花键槽内，相邻的两个所述转子单节能够作相对转动。

在优选的实施方式中，所述定子单节球头体球面上设有多个传动凹槽，所述定子单节设有多个柱键，相邻所述定子单节柱键可插设于所述传动凹槽内，相配合的所述传动凹槽与柱键间设置有空腔。

在优选的实施方式中，所述定子单节包括定子筒和固接于所述定子筒内的定子部，所述定子部为常规柔性短节内孔加工一定齿数的螺线凹槽，所述转子部包括螺线环，所述转子单节上的所述螺线环的头数比所述定子单节上的所述螺线凹槽的头数少1。

在优选的实施方式中，所述转子单节为两端加工有万向节的螺杆，所述万向节花键包括键宽部和键窄部，所述转子部、所述键窄部和所述键宽部依次分布；所述万向节花键槽包括槽宽部和槽窄部，所述转子部、所述槽宽部和所述槽窄部依次分布。

在优选的实施方式中，所述转子单节绕所述定子单节轴线偏转运动的中心为定子部中心，所述球头体绕相邻定子单节的球形凹槽转动的中心为定子部中心，以保证转子单节的设计长度，实现发挥定子单节和内置转子单节的同步柔性传动效果。

在优选的实施方式中，相邻所述转子单节之间发生偏摆的中心，与相邻所述定子单节之间发生偏摆的中心相重合。

在优选的实施方式中，所述相邻的两个螺杆短节弯曲角度的范围为0～90°，短节弯曲角度不因所述定子单节和所述转子单节的旋转运动而改变，所述螺杆短节弯曲角度可因侧向力改变。

在优选的实施方式中，所述柔性螺杆马达结构轴线的曲率大于或等于0m

本发明提供一种钻井方法，采用上述的柔性螺杆钻具，所述钻井方法包括：

所述钻头在全井钻进作业井段，相邻的所述定子单节绕所述球形凹槽的球心作相对转动，并带动相邻所述转子单节作相对转动，相邻所述转子单节通过所述花键和所述花键槽传递扭矩；

所述钻头进入直井段及稳斜段作业井段，地面转盘驱动与所述旁通阀总成连接的作业管柱旋转的同时，地面泥浆泵泵出的钻井液流经所述旁通阀总成，进入至所述定子单节内，通过液压驱动所述转子单节旋转，所述转子单节通过所述传动轴总成带动所述钻头旋转；

所述钻头进入径向侧钻作业井段，地面转盘停止驱动与所述旁通阀总成连接的作业管柱旋转，此时仅通过钻井液驱动所述柔性螺杆钻具旋转，通过所述传动轴总成带动所述钻头旋转。

本发明的特点及优点是：

由地面泥浆泵泵出的钻井液流经旁通阀总成，依次流经各级螺杆短节的定子单节，在定子部与转子部的作用下，通过液压驱动转子单节绕定子单节轴线旋转，并将转速和扭矩通过传动轴总成传递给钻头。

定子单节的球头体绕相邻定子单节的球形凹槽的球心发生转动，使得多个定子单节间可改变转动曲率半径，发挥柔性连接作用，同时带动相邻转子单节间配合发生相对转动，并且转子单节间依靠万向节花键与花键槽配合来传递扭矩，实现全井钻进作业过程中动力的柔性传动，从而将螺杆马达产生的动力进行柔性传递，提高了径向钻井技术中的扭矩传递效率，有利于缩短径向侧钻周期，提高机械钻速，节省作业成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A-图2为本发明提供的柔性螺杆钻具中的定子单节的结构示意图；

图3A-图4为本发明提供的柔性螺杆钻具中的转子单节的结构示意图；

图5A-图6为本发明提供的柔性螺杆钻具直井段/稳斜段作业过程的示意图；

图7A-图8为本发明提供的柔性螺杆钻具径向侧钻作业过程的示意图；

图9为本发明提供的柔性螺杆钻具中球头体外壳的局部示意图；

图10为本发明提供的柔性螺杆钻具中球形凹槽的局部示意图。

附图标号说明：

10、旁通阀总成；11、传动轴总成；12、钻头；

80、柔性螺杆马达；81、螺杆短节；

1、定子单节；5、定子部；51、螺线凹槽；O

2、球头体；21、传动凹槽；22、端平面；

41、球形凹槽；42、柱键；

4、定子筒；3、球座；

6、转子单节；61、转子部；611、螺线环；

71、万向节花键；711、键宽部；712、键窄部；

72、万向节花键槽；721、槽宽部；722、槽窄部。

具体实施方式

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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

方案一

本发明提供了一种螺杆钻具，如图6-图8所示，该螺杆钻具包括从上往下依次连接的旁通阀总成10、柔性螺杆马达80、传动轴总成11和钻头12，柔性螺杆马达80包括多级线状分布的螺杆短节81；螺杆短节81包括定子单节1和转子单节6，定子单节1的内壁设有定子部5，转子单节6的外壁设有转子部61，转子单节6穿设于定子单节1内，多级螺杆短节81首尾连接共同作用传递扭矩；如图1B-图2所示，至少一个定子单节1设有球头体2，至少一个定子单节1设有球形凹槽41，相邻的两个定子单节1中，球头体2嵌设于球形凹槽41内，相邻的两个定子单节1能够绕球形凹槽41的球心作相对转动；如图3A-图4所示，至少一个转子单节6设有万向节花键71，至少一个转子单节6设有万向节花键槽72，相邻的两个转子单节6中，万向节花键71嵌设于万向节花键槽72内，相邻的两个转子单节6能够作相对转动。

由地面泥浆泵泵出的钻井液流经旁通阀总成10，依次流经各个螺杆短节81的定子单节1，在定子部5与转子部61的作用下，通过液压驱动转子单节6绕定子单节1轴线旋转，并将转速和扭矩通过传动轴总成11传递给钻头12。

定子单节1的球头体2绕相邻定子单节1的球形凹槽41的球心发生转动，使得多个定子单节1间可改变转动曲率半径，发挥柔性连接作用，同时相邻转子单节6间配合发生相对转动，并且转子单节6间依靠万向节花键71与万向节花键槽72配合来传递扭矩，实现在全井钻进作业过程中动力的柔性传动，从而将柔性螺杆马达80产生的动力进行柔性传递，提高了径向钻井技术中的扭矩传递效率，有利于缩短径向侧钻周期，节省作业成本。

如图6和图8所示，柔性螺杆马达80中的多级螺杆短节81呈线状分布。该螺杆钻具中，最上端的螺杆短节81连接旁通阀总成10，最下端的螺杆短节81连接传动轴总成11。对于最上端的螺杆短节81中的定子单节1，其下端设有球头体2或球形凹槽41；对于最下端的螺杆短节81中的定子单节1，其上端设有球头体2或球形凹槽41；对于中间位置的螺杆短节81中的定子单节1，其下端设有球头体2或球形凹槽41，且其上端设有球头体2或球形凹槽41，相邻两个螺杆短节81中的定子单节1，通过相配合的球头体2与球形凹槽41连接。

对于最上端的螺杆短节81中的转子单节6，其下端设有万向节花键71或万向节花键槽72；对于最下端的螺杆短节81中的转子单节6，其上端设有万向节花键71或万向节花键槽72；对于中间位置的螺杆短节81中的转子单节6，其下端设有万向节花键71或万向节花键槽72，且其上端设有万向节花键71或万向节花键槽72，相邻两个螺杆短节81中的转子单节6，通过相配合的万向节花键71与万向节花键槽72连接。

具体地，旁通阀总成10与最上端的螺杆短节81中的定子单节1连接，传动轴总成11与最下端的螺杆短节81中的转子单节6连接。该螺杆钻具中，定子单节1与转子单节6一一对应，定子单节1和转子单节6的数目不作限制。

如图1B、图2、图9和图10所示，定子单节1设有传动凹槽21，定子单节1设有柱键42，柱键42插设于传动凹槽21内，通过柱键42与传动凹槽21配合，使得相邻两个定子单节1绕球形凹槽41的球心发生相对转动的同时，相邻两个定子单节1可以同步旋转以传递转矩，实现相邻定子单节1柔性传动连接，方便直井或稳斜作业段作业。传动凹槽21的横截面大于柱键42的横截面，使得传动凹槽21中留有供柱键42活动的余量，以保障相邻两个定子单节1可以绕球形凹槽41的球心自由转动。

在一实施方式中，多个传动凹槽21分布于球头体2的球面。进一步地，多个传动凹槽21沿周向均匀布置，多个柱键42沿周向均匀布置。球头体2相应地开设有若干传动凹槽21，以用于与相邻定子单节1的柱键42相铰接。柱键42的数量和传动凹槽21的数量不作限定，例如，柱键42的数目为4或6，传动凹槽21的数目也为4或6。

定子单节球头体球面上设有多个传动凹槽21，定子单节设有多个柱键42，相邻定子单节柱键42可插设于传动凹槽21内，相配合的传动凹槽21与柱键42间设置有空腔，以为柱键42在传动凹槽21内活动预留出空间，使球头体2能够在球形凹槽41内摆动。

球头体2绕相邻定子单节1的球形凹槽41可偏转的角度范围为0～180°，使得柔性螺杆马达80改变转动曲率半径，发挥柔性连接作用。如图1B所示，球头体2具有端平面22，即球头体2为非完整的球形，端平面22位于球头体2远离定子单节1的本体的一端，有利于球头体2在球形凹槽41内自由转动。进一步地，球头体2的两端分别设有平面，球头体2整体呈鼓形。

在一实施方式中，定子单节1包括定子筒4和固接于定子筒4内壁的定子部5，定子部5可以为通过常规柔性短节内孔加工形成一定齿数的螺线凹槽51，定子筒4大致呈中空的圆筒状，球形凹槽41可以设置于定子筒4的上端，定子筒4可以与相邻定子单节1或者旁通阀总成10相连接。

如图1A-图1B、图3A-图4所示，定子部5包括螺线凹槽51，转子部61包括螺线环611，定子单节1将转子单节6容纳在特定的位置。定子单节1与转子单节6相啮合，定子部5和转子部61的导程差形成螺旋密封线，在定子单节1内形成密封腔体，泥浆流入该密封腔体内，定子单节1内的转子单节6可在液压驱动下绕定子单节1的轴线进行旋转。

在一实施方式中，定子单节1包括设于定子筒4与球头体2之间的球座3，如图1B所示，球座3呈圆柱状，球形凹槽41设于上端，球形凹槽41、定子部5、球座3和球头体2从上往下依次分布。

进一步地，定子单节1上的螺线凹槽51的头数-转子单节6上的螺线环611的头数＝1，增强了定子部5、转子部61及万向节花键71与万向节花键槽72之间的连接安全性，有利于提高工具的适用性。转子单节6上的螺线环611的头数可根据井况进行确定。例如，转子部61的头数可以为5、6、7等，相应地，定子部5的头数可以设计为6、7、8等。

球形凹槽41可容纳两个转子单节6的万向节花键71和万向节花键槽72。

优选地，相邻两个转子单节6绕相邻两个定子单节1轴线L

相邻螺杆短节81作偏摆运动，以实现转向，与此同时，相邻转子单节6之间发生偏摆，相邻定子单节1之间也发生偏摆。相邻转子单节6之间发生偏摆的中心，与相邻定子单节1之间发生偏摆的中心相重合。

万向节花键71和万向节花键槽72分别开设于转子单节6的外圆端面，相邻转子单节6间通过万向节花键71和万向节花键槽72配合，能够将柔性螺杆马达80产生的动力实现柔性传递。相邻的两个转子单节6上的万向节花键71与万向节花键槽72相配合，形成全方位旋转、高自由度的若干万向节花键组合结构，实现柔性传动连接。

如图3B和图4所示，万向节花键71包括键宽部711和键窄部712，转子部61、键窄部712和键宽部711依次分布；万向节花键槽72包括槽宽部721和槽窄部722，转子部61、槽宽部721和槽窄部722依次分布，键宽部711嵌入槽宽部721中，使万向节花键71可在万向节花键槽72中运动并避免两者脱开，多个万向节花键71与万向节花键槽72配合，保障相邻转子单节6之间稳定地传递转矩，并能够发生相对转动。万向节花键71沿转子单节6的轴向延伸，键宽部711的圆心角大于键窄部712的圆心角，键宽部711的侧壁和键窄部712的侧壁均呈弧形，并且两者之间圆弧过渡。万向节花键槽72沿转子单节6的轴向延伸，槽宽部721的圆心角大于槽窄部722的圆心角，槽宽部721的侧壁和槽窄部722的侧壁均呈弧形，并且两者之间圆弧过渡。优选地，一个转子单节6上的万向节花键71的数量和万向节花键槽72的数量可以为4或6。

螺杆短节的弯曲依靠万向节配合；侧向力是由工具结构本体在井下工作产生的一种力，施加力的介质可以是井壁也可以是工具自身。相邻的两个螺杆短节相对弯曲角度的范围为0～90°，螺杆短节的弯曲角度不因定子单节和转子单节的旋转运动而改变，螺杆短节弯曲角度可因该柔性螺杆钻具承受的侧向力而改变。

柔性螺杆马达在输送和工作时，柔性螺杆马达结构轴线的曲率大于或等于0m

在径向侧钻水平井作业过程中，该柔性螺杆钻具同时发挥柔性钻具和螺杆钻具的技术优势，有效保证径向钻井扭矩的高效传递和螺杆构件连接的安全性，并且安装比较简单，施工成本较低。该柔性螺杆钻具还包括以下有益效果：(1)该柔性螺杆钻具可操作性强，易于加工与操作；(2)该柔性螺杆钻具构件连接的安全性高，保障定子单节柔性铰接处、万向节花键配合处及螺纹强度的可靠性；(3)该柔性螺杆钻具具有较高的经济性，缩短了作业时间，可以大大降低作业成本。

该柔性螺杆钻具适用于径向钻井工艺，经济性较好，可以使得剩余油储层得到更好地开发利用，有利于提高原油采收率，对增大油气储层动用程度、提高油气采收率和改善开发效果具有重要的应用价值。

方案二

本发明提供了一种钻井方法，采用上述的柔性螺杆钻具，该钻井方法包括：钻头12进入径向侧钻作业井段，相邻的定子单节1绕球形凹槽41的球心作相对转动，并带动相邻转子单节6作相对转动，相邻转子单节6通过万向节花键71和万向节花键槽72传递扭矩；由地面泥浆泵泵出的钻井液流经旁通阀总成10，进入至定子单节1内，通过液压驱动转子单节6旋转，转子单节6通过传动轴总成11带动钻头12旋转。

该钻井方法中，通过液压驱动转子单节6绕定子单节1轴线L

该钻井方法主要包括直井段/稳斜段“双驱动”钻进和径向造斜段“单驱动”钻进。主要操作步骤包括：

(1)将柔性螺杆钻具的多级螺杆短节81首尾相连，其上端与旁通阀总成10相连接，其下端连接传动轴总成11和钻头12，待工具安装完成后下入至油井中；

(2)在钻头12直井段及稳斜段钻进作业过程中，如图5A-图6所示，地面转盘驱动与旁通阀总成10连接的作业管柱旋转，泥浆泵泵出的钻井液流经旁通阀总成10进入至柔性螺杆钻具内，通过液压驱动转子单节6绕定子单节1轴线L

(3)待钻头12由直井段进入径向侧钻作业井段，如图7A-图8所示，定子单节1内的球头体2绕相邻定子单节1球形凹槽41的球心发生转动，带动相邻转子单节6间的万向节花键71配合发生相对转动，依靠转子单节6间的万向节花键71与万向节花键槽72配合，转子单节6绕相邻转子单节6产生偏转；

此时，地面转盘停止驱动与旁通阀总成10连接的作业管柱旋转，仅通过地面泥浆泵泵出的钻井液仍流经旁通阀总成10进入至柔性螺杆钻具内，通过液压驱动转子单节6绕定子单节1轴线L

该钻井方法包括两类：

(1)直井段/稳斜段“双驱动”钻井方法

钻头在直井段及稳斜段钻进过程中，地面转盘驱动与旁通阀总成连接的作业管柱旋转，地面泥浆泵泵出的钻井液流经旁通阀总成，进入至定子单节内，通过液压驱动转子单节旋转，转子单节通过传动轴总成带动钻头旋转，呈现“地面转盘+螺杆双驱动式”钻进作业特点，缩短建井时间，提高机械钻速，延长径向井水平进尺。

(2)径向造斜段“单驱动”钻井方法

钻头进入径向侧钻作业井段，相邻的定子单节绕球形凹槽的球心作相对转动，并带动相邻转子单节作相对转动，相邻转子单节通过花键和花键槽传递扭矩，此时作业管柱不旋转，仅由地面泥浆泵泵出的钻井液流经旁通阀总成，进入至定子单节内，通过液压驱动转子单节旋转，转子单节通过传动轴总成带动钻头旋转，呈现“螺杆单驱动式”钻进作业特点，实现径向超短半径水平造斜。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。