柔性钻杆及其钻井设备技术领域
本申请涉及石油开采领域，尤其涉及一种柔性钻杆及其钻井设备。
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，由弹性弯外壳及其内套装
的柔性钻管构成90°造斜装置，弹性弯外壳主体为弹性钢筋串联的扇形环状空心连接片；柔
性钻管的外壳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外壳。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
压通过弹性弯外壳也传递给钻头，从而实现钻进。
由于弹性弯外壳套在柔性钻管的外侧，而弹性弯外壳容易发生偏心，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外壳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。
这种弹性弯外壳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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种超短半径径向水平井的柔性钻杆及其
钻井设备，以解决现有技术中套有割缝弯管的柔性钻杆均无法顺利下井的缺陷，可以打出
超短半径侧钻水平井。
为达到上述目的，本申请提供一种柔性钻杆，包括：第一钻杆接头、第二钻杆接头、
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；
所述钻杆短节包括：
纵长延伸的花键球头，所述花键球头的侧壁上设置有第一花键；所述花键球头的
一端设置有球头，所述球头的侧壁上设置有多个沿其周向间隔排布的第一凹槽；
与所述花键球头活动连接的球窝机构；所述球窝机构具有容纳所述球头的球形腔
体；所述球形腔体的壁上设有多个与所述第一凹槽一一对应的第二凹槽；所述第一凹槽与
所述第二凹槽相配合形成多个沿所述球头周向间隔排布的轨道；所述轨道沿所述花键球头
延伸方向弧形延伸；所述轨道内设有滚动球；所述滚动球与所述第一凹槽及所述第二凹槽
的壁接触；所述球窝机构开设有能与第一花键相匹配的第二花键。
作为优选的实施方式，所述球窝机构包括外壳、球窝以及端盖；所述外壳固定连接
所述球窝前端并形成所述球形腔体；所述外壳的外壁上具有第一球面结构；所述外壳的后
端连接所述端盖；所述球窝设有所述第二花键；所述端盖的后端设有与第一球面结构相配
合的第二球面结构。
作为优选的实施方式，所述外壳与所述球窝通过定位销钉连接，所述外壳与所述
端盖螺纹连接。
作为优选的实施方式，所述轨道沿所述球头的周向均匀分布。
作为优选的实施方式，每个所述轨道中均设有一个所述滚动球；所有所述滚动球
位于同一平面。
作为优选的实施方式，所述轨道的数量不少于4个。
作为优选的实施方式，所述第一花键为外花键，所述第二花键为内花键。
作为优选的实施方式，所述滚动球与所述球形腔体的壁之间设有密封圈，所述密
封圈位于所述轨道的后方。
作为优选的实施方式，所述第一钻杆接头的一端设有钻杆公扣；所述第一钻杆接
头的另一端设有所述球头；所述第一钻杆接头与所述钻杆短节之间设有所述球窝机构；所
述第一钻杆接头外固定套设有背母；所述背母与所述球窝机构的外壳球面接触。
作为优选的实施方式，所述第二钻杆接头的一端具有所述球窝及所述外壳，所述
第二钻杆接头与所述钻杆短节之间设有所述花键球头；所述第二钻杆接头的另一端设有钻
杆母扣。
作为优选的实施方式，所述钻杆短节的弯度度数为4度至8度。
作为优选的实施方式，所述柔性钻杆的长度为9米至10米。
为达到上述目的，本申请还提供一种钻井设备，包括：
钻头；
如上任一实施方式所述的柔性钻杆。
通过以上描述可以看出，本申请柔性钻杆中的钻杆短节通过花键球头与球窝机构
的配合形成万向节构造，从而自身可以进行弯曲，多个钻杆短节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。
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是本申请一种实施方式提供的柔性钻杆结构示意图；
图2是图1中A-A处剖面图；
图3是图1中B-B处剖面图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实
施例中的附图，对本申请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
例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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至图3，为本申请一种实施方式提供的柔性钻杆，该柔性钻杆应用但不
限于超短半径侧钻水平井的钻井作业。在本实施方式中，所述柔性钻杆包括：第一钻杆接头
1、第二钻杆接头9、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，所述钻杆短节100包括：纵长延伸的花键球头8，所述花键球头8的侧壁上设
置有第一花键；所述花键球头8的一端设置有球头，所述球头的侧壁上设置有多个沿其周向
间隔排布的第一凹槽；与所述花键球头8活动连接的球窝机构；所述球窝机构具有容纳所述
球头的球形腔体；所述球形腔体的壁上设有多个与所述第一凹槽一一对应的第二凹槽；所
述第一凹槽与所述第二凹槽相配合形成多个沿所述球头周向间隔排布的轨道10；所述轨道
10沿所述花键球头8延伸方向弧形延伸；所述轨道10内设有滚动球4；所述滚动球4与所述第
一凹槽及所述第二凹槽的壁接触；所述球窝机构开设有能与第一花键相匹配的第二花键。
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的花键
球头8由前一钻杆短节100后端伸入其球窝机构，使一钻杆短节100的第一花键与前一钻杆
短节100的第二花键配合，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的花键球头8由该钻杆短节100后端伸入其球窝机构，使后一钻杆短节
100的第一花键与该钻杆短节100的第二花键配合，从而进行传动。
通过以上描述可以看出，钻杆短节100通过花键球头8与球窝机构的配合形成万向
节构造，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。
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之间均通过花键球头8与球窝
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，本申请中的前、后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，远离取心钻头1的在后；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。
请继续参阅图1，花键球头8纵长延伸，其整体为管体结构。第一花键大致设置于花
键球头8长度方向的中部位置。(以读者面对图1时)球头位于第一花键的后方。
球窝机构的球形腔体可以收容花键球头8。其中，球形腔体与球头为同心设置，以
便花键球头8可以进行万向摆动，从而形成弯曲角度。球头的外表面与球形腔体的内表面贴
合接触。
如图1、图2所示，球头的外壁设置的第一凹槽与球形腔体的壁上设置的第二凹槽
均为沿所述花键球头8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，第
一凹槽与第二凹槽所沿弧形与球头或球形腔体的轮廓线相匹配。如图2所示，第一凹槽与第
二凹槽的横截面均为半圆构造，从而开口对接形成轨道10。
具体的，所述球窝机构可以包括外壳3、球窝6以及端盖7。所述外壳3固定连接所述
球窝6前端并形成所述球形腔体。所述外壳3的外壁上具有第一球面结构。所述外壳3的后端
连接所述端盖7；所述球窝6设有所述第二花键。所述端盖7的后端设有与第一球面结构相配
合的第二球面结构。
其中，外壳3、球窝6及端盖7均如图1所示为套式结构或管状结构，从而与花键球头
8形成的钻杆短节100具有中心流道。如图1所示外壳3、球窝6、端盖7由上至下依次排布。外
壳3与球窝6相配合形成球形腔体，外壳3的内壁的凹槽提供部分长度的第二凹槽，球窝6的
内壁的凹槽提供另一部分长度的第二凹槽，外壳3上的部分长度的第二凹槽与球窝6上的另
一部分长度的第二凹槽上下对接形成第二凹槽。
如图1所示，端盖7的前端夹设于外壳3与球窝6之间，同时，端盖7的壁上形成有供
外壳3的后端及球窝6的后端顶抵的台阶。第二球面结构设置于端盖7的后端，为内球面。第
一球面结构设置于外壳3的外壁上，为外球面。第一球面结构与第二球面结构相贴合接触，
为花键球头8与球窝机构之间的相对摆动进行导向辅助，同时，避免脏物进入球窝6与球头
之间的活动球面。
如图3所示，球窝6设置有第二花键，第二花键为内花键并与(下一钻杆短节100的)
第一花键相配合。其中，第二花键位于球形腔体的后方。花键球头8与球窝机构通过花键配
合，可以产生相对滑动而保持扭矩的传递，从而便于相邻两个钻杆短节100之间产生弯曲。
进一步的，所述外壳3与所述球窝6通过定位销钉5连接，从而防止外壳3与球窝6之
间产生相对转动。所述外壳3与所述端盖7螺纹连接。所述轨道10沿所述球头的周向均匀分
布。每个所述轨道10中均设有一个所述滚动球4。所有所述滚动球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。所述轨道10的数量不少于4个。如图2所
示，所述轨道10的数量为8个，滚动球4的数量同样为8个。所述第一花键为外花键，所述第二
花键为内花键。所述滚动球4与所述球形腔体的壁之间设有密封圈，所述密封圈位于所述轨
道10的后方。
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，所述第一钻杆接头1的一端设有钻杆公扣。所述第一钻杆接头
1的另一端设有所述球头。所述第一钻杆接头1与所述钻杆短节100之间设有所述球窝机构。
所述第一钻杆接头1外固定套设有背母2。所述背母2与所述球窝机构的外壳3球面接触。
进一步地，如图1所示，所述第二钻杆接头9的一端具有所述球窝6及所述外壳3，所
述第二钻杆接头9与所述钻杆短节100之间设有所述花键球头8；所述第二钻杆接头9的另一
端设有钻杆母扣。
在本实施方式中钻杆短节100可以弯曲，即球窝机构与花键球头8之间产生相对摆
动。较佳的，所述钻杆短节100的弯度度数为4度至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。
本申请一种实施方式还提供一种钻井设备，包括：钻头；如上任一实施方式所述的
柔性钻杆。
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。