一种超短半径水平钻井用柔性钻头的制作方法

1.本实用新型涉及石油工业的超短半径水平钻井的钻头，特别涉及一种超短半径水平钻井用柔性钻头。


背景技术：

2.目前，我国大部分老油田已进入开发的中后期，主力区块压力系数越来越低，采用传统钻井方式开采经济性越来越差，在同一口井中同时开采多个层系的超短半径侧钻井技术是现今石油开采中经济性较高的增产手段之一。
3.根据井眼曲率半径的不同，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。曲率半径小于6m为超短半径水平井。曲率半径越短的井越难以开钻，对钻具的要求高。
4.在现有技术中，超短半径钻井工艺主要分为高压软管水射流喷射钻井和柔性导向钻具旋转钻井两大类。
5.某公司拥有一项利用高压旋转射流破岩钻进的技术，该技术存在以下问题：利用这种射流喷射破岩形成的水平井井眼直径较小、孔道不规则，并且由于软管的原因水力喷射钻头前进轨迹不可控，形成的井眼轨迹也不规则，不能测量井眼轨迹，缺少适用的完井技术，出砂油藏不能防砂，井眼因为没有支撑也容易坍塌闭合，产量递减较快。
6.以这种射流喷射原理为基础，中国发明专利zl2009200123400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。该种钻完井方法存在以下问题：该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。
7.与导向式超短半径水平井钻井方法有关的中国专利技术有以下几种：zl2015104510629、zl2011201146271、zl2017109462512和zl2017105827546，其钻井原理基本相似。首先坐封斜向器，坐封斜向器时采用磁定位校准深度，并以陀螺仪确定斜向器的斜面法向方位，使之与井眼设计方位角相同，坐封斜向器后采用常规开窗方法进行开窗，造斜段采用导向钻具进行钻进。导向钻具包括导向筒和柔性钻杆，其中导向筒为仿人体肘关节结构，只能以固定曲率半径向某一方向单侧弯曲，约束内部柔性钻杆进行造斜钻进。下入导向钻具时，采用陀螺仪调整导向筒的弯曲方向，使之与斜向器的斜面法向方向一致，保证超短半径造斜钻进方向与井眼设计方位相同。实施造斜钻进时，导向筒上部与动力钻具外筒连接，不旋转，下部通过轴承与钻头配合，通过动力钻具上部的常规钻杆加压，导向筒向钻头施加钻压。内部的柔性钻杆是仿万向传动轴结构，柔性钻杆内部中空，成串连接，可以传递扭矩，柔性钻杆串上部与动力钻具芯轴连接，下部与钻头连接，主要向钻头传递扭矩并提供钻井液循环通道。该套导向钻具主要用于超短半径造斜井段的钻进施工，造斜段完成并
达到目的层后，起出导向钻具，下入水平钻具，水平钻具自下而上主要由钻头 柔性钻杆 常规钻具组成，为避免水平井段托压现象，通常由地面转盘提供动力，也可以通过井下动力钻具提供，完成水平井眼钻进后起出钻具完井。该专利技术能够以3～5m曲率半径完成造斜段，快速以90度井斜进入目的层，并能水平钻进50～100m，基本能够满足超短半径水平钻井的工艺要求。但仍存在以下问题：
8.1、现有的钻头多为标准的reg钻杆公扣，少部分为reg钻杆母扣，因超短半径水平钻井的井眼尺寸小，柔性钻杆受尺寸和柔性弯曲结构限制，与钻头的连接扣型不能设计成标准的reg钻杆扣，必须配套专用的转换接头才能与钻头连接形成柔性钻具组合，不仅组装钻具复杂，而且增加的转换接头大幅增加了近钻头钻具组合的刚性长度，难以形成并通过3～5m曲率半径的井眼。
9.2、以139.7mm套管开窗侧钻为例，现有的超短半径水平钻井用的钻头受尺寸结构限制，只能采用小型化reg非标钻杆扣连接，同时小型钻杆扣还要承担传递扭矩的作用，经有限元分析及室内试验研究，设计的小型reg非标钻杆扣的抗扭强度仅为5000～6000n.m，而跟转盘配套实施水平段钻进时，随着井眼延伸，钻具受到的摩阻不断加大，地面转盘输出的峰值扭矩常常超过10000n.m，超过小型reg非标钻杆扣的抗扭强度，现场施工时经常会出现钻具断裂的井下事故，大大增加了施工难度、施工成本和周期，同时由于小型reg非标钻杆扣抗扭强度低，严重制约了水平井眼的延伸能力。
10.因此，为使柔性钻具组合顺利钻成并通过3
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5m曲率半径的井眼，并且提高超短半径水平井眼的延伸能力，需要设计柔性钻头，与柔性钻杆形成一种超短半径水平钻井钻具组合，克服现有技术的瓶颈，扩大超短半径水平井技术的应用领域，达到降本增效的开发效果。


技术实现要素：

11.针对现有钻头与柔性钻杆不配套的问题，本实用新型的目的是提供一种超短半径水平钻井用柔性钻头，与柔性钻杆配套使用形成超短半径水平钻井柔性钻具，方便组装，能够扩大柔性钻具的应用范围，利于形成3
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5m曲率半径井眼，提高超短半径水平井眼的延伸能力。提高钻井的施工效率，降低生产成本。
12.本实用新型的技术解决方案是：
13.一种超短半径水平钻井用柔性钻头，包括钻头本体，其中：
14.钻头本体的上部连接杆内腔中设有钻头花键槽；
15.钻头连接套与钻头旋转套连接在钻头本体的上部连接杆杆体的两端。
16.所述钻头本体的钻头花键槽能够与超短半径水平钻井柔性钻具中柔性钻杆的钻杆连接花键轴连接。
17.所述钻头本体的钻头花键槽能够与超短半径水平钻井柔性钻具中柔性钻柱水平钻进稳定器的稳定器花键轴相连接。
18.所述钻头本体中钻头花键槽的下方是密封腔，该密封腔的内径与柔性钻杆中的钻杆连接花键轴下方的钻杆连接段的外径相符并且在该密封腔中能够插入柔性钻杆中装有钻杆密封件的钻杆连接段。
19.所述钻头本体中钻头花键槽的下方是密封腔，该密封腔的内径与柔性钻柱水平钻
进稳定器的稳定器花键轴下方的钻头连接段的外径相符并且在该密封腔中能够插入柔性钻柱水平钻进稳定器中装有钻头密封件的钻头连接段。
20.所述钻头连接套是非等径内腔并且内腔两端均设有内螺纹。
21.所述钻头连接套上部内腔中的内螺纹能够与柔性钻杆中钻杆传扭轴的钻杆螺纹连接段螺纹连接；钻头连接套的下部内腔与钻头旋转套的上部外圆螺纹连接。
22.所述钻头连接套上部内腔中的内螺纹能够与柔性钻柱水平钻进稳定器中稳定器传扭轴的钻头螺纹连接段螺纹连接；钻头连接套的下部内腔与钻头旋转套的上部外圆螺纹连接。
23.所述钻头连接套的中部内腔与钻头本体的上部连接杆杆体之间为间隙配合。
24.与现有钻头相比，本实用新型的有益效果是：
25.1、本实用新型中的柔性钻头采用花键传扭连接机构，与柔性钻杆连接更方便，形成的近钻头组合刚度小，有利于形成3
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5m曲率半径井眼。
26.2、本实用新型中的柔性钻头采用花键传扭连接机构，能够与超短半径水平钻井柔性钻具中的柔性钻杆和柔性钻头之间的柔性钻柱水平钻进稳定器连接，抗扭强度大，井眼的延伸能力更强，井下钻进的安全性高，更有利于形成3
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5m曲率半径井眼。
27.3、本实用新型的现场适应性强，由于施工简单、钻井效率得到有效提高，更容易大规模推广应用。
28.4、本实用新型解决了现有钻头与柔性钻杆不配套的问题，能够与柔性钻杆配套使用形成超短半径水平钻井柔性钻具，方便组装，扩大了柔性钻具的应用范围，提高了钻井的施工效率，降低了生产成本，具有显著的使用效果并能产生显著的经济效益和社会效益。
附图说明
29.附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
30.图1是安装了本实用新型的柔性钻柱的工作原理和整体结构示意图。
31.图2是本实用新型的结构示意图。
32.图3是图2中a－a向的结构示意图。
33.图中：原井套管1、常规钻杆2、转换接头3、柔性钻杆4、斜向器5、造斜段6、柔性钻柱水平钻进稳定器7、柔性钻头8、钻头连接套8.1、钻头花键槽8.2、钻头本体8.3、钻头旋转套8.4、水平段9。
具体实施方式
34.附图仅为参考与说明之用，并非用以限制本实用新型的保护范围。下面将结合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，都属于本实用新型保护的范围。
35.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释
本实用新型，并不用于限定本实用新型。
36.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
37.参见图1和图2，一种超短半径水平钻井用柔性钻头包括钻头本体8.3，其中：
38.钻头本体8.3的上部连接杆内腔中设有钻头花键槽8.2；
39.钻头连接套8.1与钻头旋转套8.4连接在钻头本体8.3的上部连接杆杆体的两端。本实用新型能够通过钻头花键槽8.2直接与超短半径水平钻井柔性钻具中的柔性钻杆4连接、也能够通过钻头花键槽8.2与超短半径水平钻井柔性钻具中的柔性钻柱水平钻进稳定器7连接，有利于形成3－5m的曲率半径井眼。
40.所述钻头本体8.3的钻头花键槽8.2能够与超短半径水平钻井柔性钻具中柔性钻杆4的钻杆连接花键轴连接。钻头本体8.3的钻头花键槽8.2在超短半径水平钻井柔性钻具中与柔性钻杆4连接形成花键连接传扭机构，与柔性钻杆4的连接更为方便，形成的近钻头组合刚度小，便于形成3
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5m曲率半径井眼。
41.所述钻头本体8.3的钻头花键槽8.2能够与超短半径水平钻井柔性钻具中柔性钻柱水平钻进稳定器7的稳定器花键轴相连接。在超短半径水平钻井柔性钻具中的柔性钻杆4与柔性钻头8之间连接了柔性钻柱水平钻进稳定器7以后，钻头本体8.3的钻头花键槽8.2与柔性钻柱水平钻进稳定器7的稳定器花键轴连接形成花键连接传扭机构，更有利于超短半径水平钻井用柔性钻头8的钻进，而且两者间的连接更为方便，形成的近钻头组合刚度小，更利于形成3
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5m曲率半径井眼。
42.所述钻头本体8.3中钻头花键槽8.2的下方是密封腔，该密封腔的内径与柔性钻杆4中的钻杆连接花键轴下方的钻杆连接段的外径相符并且在该密封腔中能够插入柔性钻杆4中装有钻杆密封件的钻杆连接段，实现本实用新型与柔性钻杆4之间的密封。
43.所述钻头本体8.3中钻头花键槽8.2的下方是密封腔，该密封腔的内径与柔性钻柱水平钻进稳定器7的稳定器花键轴下方的钻头连接段的外径相符并且在该密封腔中能够插入柔性钻柱水平钻进稳定器7中装有钻头密封件的钻头连接段，实现本实用新型与柔性钻柱水平钻进稳定器7之间的密封。
44.所述钻头连接套8.1是非等径内腔并且内腔两端均设有内螺纹。
45.所述钻头连接套8.1上部内腔中的内螺纹能够与柔性钻杆4中钻杆传扭轴的钻杆螺纹连接段螺纹连接；钻头连接套8.1的下部内腔与钻头旋转套8.4的上部外圆螺纹连接。
46.所述钻头连接套8.1上部内腔中的内螺纹能够与柔性钻柱水平钻进稳定器7中稳定器传扭轴的钻头螺纹连接段螺纹连接；钻头连接套8.1的下部内腔与钻头旋转套8.4的上部外圆螺纹连接。
47.所述钻头连接套8.1的中部内腔与钻头本体8.3的上部连接杆杆体之间为间隙配合。
48.使用了超短半径水平钻井用柔性钻头8的柔性钻具钻井的施工方法，是：
49.a、首先在原井筒的套管1中下入和坐封斜向器5；当斜向器5到达设计深度后，通过陀螺仪调整斜向器5的斜面法向方位，使之与超短半径井眼轨道的设计方位一致，起出陀螺仪后坐封斜向器5。
50.b、利用开窗铣锥磨铣套管1，形成上窗口和下窗口，起出开窗钻具；
51.c、下入超短半径水平钻井钻具、钻出造斜段6并形成3
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5m曲率半径的井眼。超短半径水平钻井钻具自下而上主要由超短半径水平钻井用柔性钻头8、柔性钻柱水平钻进稳定器7、由柔性钻杆4串连组成的柔性钻柱、转换接头3和常规钻杆2连接而成。柔性钻柱的上部通过转换接头3与常规钻杆2连接并通过常规钻杆2一直连接至方钻杆或连接至动力钻具。
52.当超短半径水平钻井钻具到达上窗口和下窗口位置时，以低于20kn的压力缓慢下放钻具，让超短半径水平钻井用柔性钻头8触及斜向器5的斜面并以10kn－30kn的压力轻加钻压，斜向器5的斜面向超短半径水平钻井用柔性钻头8施加侧向反作用力，该侧向反作用力与超短半径井眼轨道设计方位方向相同。迫使与超短半径水平钻井用柔性钻头8相连的柔性钻柱水平钻进稳定器7中的稳定器传扭轴侧向弯曲，弯曲方向朝向超短半径井眼轨道的设计方位。同时地面转盘或常规钻杆2上方的动力钻具输出的扭矩通过常规钻杆2传递给柔性钻杆4，柔性钻杆4之间通过钻杆连接花键轴和钻杆连接花键槽组成的花键副向下传递扭矩，并最终传递至超短半径水平钻井用柔性钻头8上，实施旋转破岩钻进，首先钻出造斜段6、进而钻出水平段9。
53.上面叙述的实施例仅仅为典型实施例，但本实用新型不仅限于这些实施例，本领域的技术人员可以在不偏离本实用新型的精神和启示下做出修改。尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的创造精神和创造理念之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。因此，保护范围不仅限于上文的说明。