现有的井下动力钻具长度较长、刚性较大，无法通过曲率半径小于5 m的超短半径井眼。为了实现超短半径钻进及井斜控制，笔者研发了一种具有柔性特征的井下动力钻具，可以通过超短半径高曲率井眼，同时，还可以为钻头造斜钻进提供侧向动力。此外，该钻具还具有较高的输出扭矩和转速，能为钻头破岩提供足够能量，从而实现高效钻进。
为符合超短半径钻井曲率要求，超短半径井下动力钻具在柔性结构设计中大幅缩短了长度，通过多节马达串联的方式，提高了钻具的弯曲能力，能顺利实现超短半径钻井作业。
该钻具由钻具接头、首级马达、串联马达、轴承节4个主要部分组成，单节长度为0.4 m，相邻两节之间的扭转角度为5°，可满足曲率半径小于5 m的超短半径定向钻井要求。钻具接头上部通过螺纹与钻杆或其他钻具连接，接头下部通过球铰依次与首级马达、串联马达和轴承节连接。其中，串联马达可通过球铰实现多组串联。首级马达和串联马达采用水力马达的原理，将各级马达产生的转速和扭矩通过多个万向联轴器逐级向下传递，从而使钻井液的水力能转化为钻头旋转破岩的机械能。串联马达的数量可以根据地层破岩功率进行灵活调整。轴承节内置推力轴承，末端与钻头连接，承担钻头破岩钻进产生的振动和冲击力。内置轴承采用PDC止推结构，大幅缩短了钻具总体长度，提高了工作寿命。
基于柔性井下动力钻具方案试制Ф127 mm规格钻具并进行室内测试（图1）。经室内试验测试，Ф127 mm柔性井下动力钻具相邻两节之间扭转角度为5°，与设计一致，可以顺利通过直径为Ф152 mm、曲率半径为5 m的井眼；
钻具在不同扭转角度情况下输出参数稳定，单节马达输出制动扭矩高于25 N·m。基于试验结果，采用40节马达串联结构的钻具总长为16 m，制动扭矩高于1 000 N·m，输出性能满足破岩钻进需要。该钻具曲率半径小、造斜率高、中靶率高、施工周期短、成本低、储层钻遇率高，可大幅提高单井产量和采收率，在油气、海域天然气水合物等能源资源钻采领域有巨大的应用空间和广阔的发展前景。
图1 超短半径柔性井下动力钻具性能测试实验
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