CN118292762A - 一种井下电动定向器及定向方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种井下电动定向器及定向方法和应用，属于石油钻井技术领域。所述井下电动定向器包括：外壳，内部设有由上至下依次连接的减速电机、一级减速器和二级减速器；模式转换机构，与所述外壳下部连接，且与所述二级减速器花键连接；输出短节，连接在所述模式转换机构下端。本发明采用减速电机、一级减速器和二级减速器三次集中减速将减速电机输出的高速、低扭矩转动变换为井下电动定向器的低速、大扭矩转动输出；井下电动定向器通过模式转换机构的控制实现“定向”和“锁紧”两种模式之间的转换；模式转换机构通过锥形摩擦副，可在输出轴任意转角下完成摩合，从而实现输出轴的无级锁定功能。

Description

一种井下电动定向器及定向方法和应用

技术领域

本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种油气井钻井过程中在井下进行工具面控制的工具，具体涉及一种井下电动定向器及定向方法和应用。

背景技术

连续管钻井技术作为一项成本低、效率高、信息化程度高的钻井新技术，已广泛应用于定向井、侧钻水平井等领域。由于连续管的拉压、扭转刚度低，无法长距离传递来自地面的扭矩，因此在定向井、水平井等钻井作业中，必须应用井下定向工具调整工具面角来控制井眼轨迹。

连续管导向钻井定向工具是一种可控井下低速大扭矩转动工具。受井下空间、动力供应和工作环境的限制，其设计、制造与地面常规转动机构有很大差别。国内外已经设计出了不同工作原理的连续管钻井定向工具。根据动力来源分，可分为机械提拉式、钻井液动力式和电动式。其中电动定向器采用控制电机与大速比减速器作为主要部件，具有定向精度高、输出扭矩大、可实现工具面连续调整等优点。国内电动定向器的研究还处于起步阶段，设计过程中存在以下问题：

(1)在井下有限的径向空间里设计低速大扭矩减速器存在很大困难：一方面受井眼尺寸、钻井液返流等因素的制约，减速器外径有限；另一方面减速器内部也必须为钻井液留有通道。因此，地面通用减速器难以满足井下安装、密封和承载的要求。需要为井下电动定向器设计专用低速大扭矩减速器。

(2)现有的电动定向器为减少工作时的负载、降低正常钻进过程中振动冲击对减速器的伤害，通过锁紧装置使电动定向器在“定向”和“锁紧”两种模式间转换；这种锁紧装置多采用内外花键在不同位置处的啮合来实现两种模式的转换；啮合的花键使这种电动定向器无法实现工具面的连续调整，只能实现花键分度整数倍的有级调整。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种井下电动定向器及定向方法和应用，可以直接带动输出轴双向连续旋转，准确快速地实现工具面角的调整与锁定，解决井下有限的径向空间低速大扭矩减速器的设计难题，保证可靠的工作状态切换。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明第一个方面，提供一种井下电动定向器，包括：

外壳，内部设有由上至下依次连接的减速电机、一级减速器和二级减速器；

模式转换机构，与所述外壳下部连接，且与所述二级减速器花键连接；

输出短节，连接在所述模式转换机构下端。

本发明的进一步改进在于：

所述减速电机安装在电机舱外壳内，所述电机舱外壳设置于所述外壳内，所述电机舱外壳外壁与所述外壳的内壁之间具有一定间隙，形成环形空腔，作为钻井液的流通通道；

所述减速电机的输出轴上连接有一级联轴器，所述一级联轴器的另一端与所述一级减速器连接。

本发明的进一步改进在于：

所述一级减速器包括连接在所述电机舱外壳下端的一级减速器外壳，所述一级减速器外壳内设有输入太阳轮，所述输入太阳轮上啮合有一级行星轮，所述一级行星轮通过一级销轴安装于一级行星架上，所述一级行星架通过一级上轴承和一级下轴承安装于所述一级减速器外壳内；

所述一级减速器外壳下端连接有一级堵头，所述一级堵头上沿轴线方向设有中心通孔，所述一级行星架的下部位于所述一级堵头的中心通孔内，且两者之间通过密封圈密封；

所述一级行星架的下端部连接有二级联轴器。

本发明的进一步改进在于：

所述一级减速器外壳内加工有内齿轮，所述一级行星轮加工有外齿轮，所述一级行星轮的外齿轮与所述一级减速器外壳的内齿轮啮合，所述一级行星架与所述一级减速器外壳同轴线设置。

本发明的进一步改进在于：

所述一级销轴插入所述一级行星轮内孔中，所述一级销轴的外圆柱面与所述一级行星轮的内孔圆柱面形成滑动轴承副使所述一级行星轮可相对所述一级销轴自由转动。

本发明的进一步改进在于：

所述一级减速器外壳的外壁和所述一级堵头上段外壁均与所述外壳的内壁之间具有一定间隙，形成环形空腔，作为钻井液的流通通道；

所述一级堵头的下段外壁与所述外壳内壁相贴合且通过密封圈密封，所述一级堵头中段侧壁上设有第一径向孔，且所述第一径向孔位于所述二级联轴器的下方。

本发明的进一步改进在于：

所述一级减速器外壳和所述电机舱外壳下端通过螺纹连接且通过密封圈密封；

所述一级减速器外壳与所述一级堵头通过螺纹连接且通过密封圈密封。

本发明的进一步改进在于：

所述二级减速器包括顶端与所述二级联轴器连接的二级太阳轮轴，所述二级太阳轮轴上部位于所述一级堵头的中心通孔内；

所述二级太阳轮轴中间部位的外壁沿周向设有一圈外檐，所述外檐与所述一级堵头的中心通孔内壁相贴合并通过密封圈密封；

所述二级太阳轮轴下部外壁加工有外齿轮，与二级行星轮上的外齿轮啮合，所述二级行星轮的外齿轮与加工于所述外壳内壁的内齿轮啮合，所述二级行星轮通过二级销轴安装于二级行星架上，所述二级行星架安装于所述外壳内。

本发明的进一步改进在于：

所述二级太阳轮轴上沿轴线方向设有由底端面向上延伸的中心孔，所述二级太阳轮轴的上部侧壁设有第二径向孔，所述第二径向孔与所述中心孔相连通。

本发明的进一步改进在于：

所述二级销轴插入所述二级行星轮内孔中形成滑动轴承副可相对转动；

所述二级行星架沿轴线方向设有中心通孔，所述二级行星架中心通孔上部内孔壁与所述二级太阳轮轴的下端外壁贴合并通过密封圈密封。

本发明的进一步改进在于：

所述模式转换机构包括模式转换机构外壳，所述模式转换机构外壳内设有锁紧滑套，所述锁紧滑套上部沿轴线方向设有由顶端向下延伸的上中心孔；

所述锁紧滑套下部沿轴线方向设有由底端向上延伸的下中心孔；

所述上中心孔和所述下中心孔通过节流孔相连通，所述节流孔的孔径小于所述上中心孔和所述下中心孔的孔径。

本发明的进一步改进在于：

所述二级行星架的下部插入到所述上中心孔内且与所述锁紧滑套通过花键连接；

所述锁紧滑套的上端外表面加工有外摩擦锥面，所述模式转换机构外壳内壁的上部加工有内摩擦锥面，所述内摩擦锥面和所述外摩擦锥面配合形成锥形摩擦副；

所述锁紧滑套的下部外壁与所述模式转换机构外壳内壁之间形成环腔，所述环腔内设有压紧弹簧。

本发明的进一步改进在于：

所述输出短节包括与模式转换机构外壳连接的输出短节外壳，所述输出短节外壳内设有输出轴，所述输出轴的上下两端均伸出所述输出短节外壳外，所述输出轴上部插入到锁紧滑套下中心孔中且与所述锁紧滑套内壁通过花键连接；

所述输出轴上沿轴线方向设置有中心孔，且所述输出轴上的中心孔的孔径大于所述节流孔的孔径。

本发明的进一步改进在于：

所述输出短节外壳上部与所述输出轴之间形成第一环形空腔，所述第一环形空腔内由下至上依次设有上推力轴承和滑动轴承，所述滑动轴承与所述输出轴之间通过螺纹连接，所述滑动轴承外壁与滑动轴承外套内壁通过间隙配合形成滑动轴承副，所述滑动轴承外套顶端与所述压紧弹簧相接触，侧壁与所述模式转换机构外壳相接触；

所述输出短节外壳下部与所述输出轴之间形成第二环形空腔，所述第二环形空腔内由上至下依次设置有下推力轴承和环形垫块。

本发明的第二个方面，提供一种井下电动定向方法，采用上述井下电动定向器实现。

本发明的第三个方面，上述井下电动定向器在石油钻井工程中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种应用低速大扭矩减速器为增力机构、可连续转动、无级锁定的电动定向器，可以直接带动输出轴双向连续旋转，准确快速地实现工具面角的调整与锁定。

本发明采用减速电机、一级减速器和二级减速器三次集中减速将减速电机输出的高速、低扭矩转动变换为井下电动定向器的低速、大扭矩转动输出。通过合理的设计、布置各级减速器中的太阳轮、行星轮和行星架的形状和位置，使井下电动定向器既可输出大扭矩转动，又可为钻井液流动提供足够的流通面积。在各个零件的连接中设计必要的密封，使各级齿轮的工作腔与外部钻井液隔离，改善了齿轮的工作环境、提高了齿轮的寿命和整机的可靠性；电动定向器通过模式转换机构的控制实现“定向”和“锁紧”两种模式之间的转换；模式转换机构通过锥形摩擦副，可在输出轴任意转角下完成摩合，从而实现输出轴的无级锁定功能。

附图说明

图1为本发明井下电动定向器的纵剖面结构示意图；

图2为锥形摩擦副的啮合原理图。

图中：

1、外壳，

2、减速电机，

3、电机舱外壳，

4、一级联轴器，

5、一级减速器，51、输入太阳轮，52、一级行星轮，53、一级减速器外壳，54、一级销轴，55、一级行星架，56、一级堵头，57、一级上轴承，58、一级下轴承，

6、二级联轴器，

7、二级减速器，71、二级太阳轮轴，72、二级行星轮，73、二级销轴，74、二级行星架，75、二级上轴承，76、二级下轴承，77、行星架花键，

8、模式转换机构，81、模式转换机构外壳，82、锁紧滑套，83、压紧弹簧，84、内摩擦锥面，85、外摩擦锥面，86、上花键，87、节流孔，88、下花键，

9、输出短节，91、滑动轴承外套，92、滑动轴承，93、输出轴，94、注油塞，95、输出短节外壳，96、上推力轴承，97、下推力轴承，98、垫块，99、输出轴花键。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

【实施例1】

如图1所示，本发明提供了一种井下电动定向工具，包括：

外壳1，内部设有由上至下依次连接的减速电机2、一级减速器5和二级减速器7；

模式转换机构8，与外壳1下部连接，且与二级减速器7花键连接；

输出短节9，连接在模式转换机构8下端。

减速电机2接收控制命令后，输出扭矩和转速，传递给一级减速器5，一级减速器5按自身结构所设计的比例将减速电机2输出的扭矩放大，同时减小转速；再传递给二级减速器7，进一步放大扭矩和减小转速，然后通过输出短节9将扭矩和转速传递给连接的下部钻具，实现工具面角的调整。同时，通过控制模式转换机构实现定向和锁紧的状态切换。

【实施例2】

减速电机2安装在电机舱外壳3内，电机舱外壳3设置于外壳1内，电机舱外壳3外壁与外壳1的内壁之间具有一定间隙，形成环形空腔，作为钻井液的流通通道。

减速电机2的输出轴上连接有一级联轴器4，一级联轴器4的另一端与一级减速器5连接，减速电机2接收控制命令后，输出扭矩和转速，通过一级联轴器4传递给一级减速器5，一级减速器5按自身结构所设计的比例将减速电机2输出的扭矩放大，同时减小转速。

减速电机2内置有位置传感器(图中未示出，是减速电机内部的一个组件)，位置传感器安装在减速电机尾端的输出轴上。减速电机2转一圈，位置传感器可以输出设定数量(比如1000个，或者其他)的脉冲，通过记录脉冲个数来计算减速电机的旋转角度。减速电机2一方面为电动定向工具提供驱动力，另一方面内置位置传感器可实现工具面角的精确控制；

【实施例3】

一级减速器5包括连接在电机舱外壳3下端的一级减速器外壳53，一级减速器外壳53内设有输入太阳轮51，输入太阳轮51与一级联轴器4连接，输入太阳轮51上啮合有一级行星轮52，一级行星轮52通过一级销轴54安装于一级行星架55上，一级行星架55通过一级上轴承55和一级下轴承57安装于一级减速器外壳53内，具体为：一级减速器外壳53内加工有内齿轮，一级行星轮52加工有外齿轮，一级行星轮52的外齿轮与一级减速器外壳53的内齿轮啮合，一级行星架55与一级减速器外壳53同轴线设置，一级销轴54插入一级行星轮52内孔中，一级销轴54的外圆柱面与一级行星轮52的内孔圆柱面形成滑动轴承副使一级行星轮52可相对一级销轴54自由转动。

一级减速器外壳53相对电动定向器始终静止，因此，一级行星轮52在输入太阳轮51的驱动下既绕电动定向器轴线公转又绕自身轴线自转，其公转通过一级销轴54带动一级行星架55转动。

一级减速器5还包括连接在一级减速器外壳53下端的一级堵头56，一级堵头56上沿高度方向设有中心通孔，一级行星架55的下部位于一级堵头56的中心通孔内，且两者之间通过密封圈密封，一级行星架55的下端部连接有二级联轴器6。

一级减速器外壳53的外壁和一级堵头56上段外壁均与外壳1的内壁之间具有一定间隙，形成环形空腔，作为钻井液的流通通道，一级堵头56的下段外壁与外壳1内壁相贴合且通过密封圈密封，一级堵头56中段侧壁上设有第一径向孔，且第一径向孔位于二级联轴器6的下方，进入到流通通道内的钻井液通过一级堵头56的第一径向孔进入到一级堵头56的中心通孔内。

一级减速器外壳53和电机舱外壳3下端通过螺纹连接且通过密封圈密封，具体为：一级减速器外壳53上端的内壁设有内螺纹，电机舱外壳3下端的外壁设有外螺纹，该内螺纹与外螺纹配合实现一级减速器外壳53和电机舱外壳3的螺纹连接。

一级减速器外壳53与一级堵头56通过螺纹连接且通过密封圈密封，具体为：一级减速器外壳53下端的内壁设有内螺纹，一级堵头56上端的外壁设有外螺纹，该内螺纹与外螺纹相配合实现一级减速器外壳53与一级堵头56之间的螺纹连接。

一级上轴承57被电机舱外壳3压紧在一级减速器外壳53内，一级下轴承58被一级堵头56压紧在一级减速器外壳53内。

所述的电动定向器一级减速器5与外部钻井液由密封圈隔离，具体为：一级减速器外壳53上部与电机舱外壳3下部通过螺纹连接且通过密封圈密封，一级减速器外壳53下部与一级堵头56上部通过螺纹连接且通过密封圈密封，一级行星架55的下部位于一级堵头56的中心通孔内，且两者之间通过密封圈密封，这三道密封圈将一级减速器5与外部钻井液隔离。

【实施例4】

二级减速器7包括顶端与二级联轴器6连接的二级太阳轮轴71，二级太阳轮轴71位于一级堵头56的中心通孔内，二级太阳轮轴71上沿轴线方向设有由底端面向上延伸的中心孔，二级太阳轮轴71的上部侧壁设有第二径向孔，第二径向孔与中心孔相连通，使得流入到一级堵头56的中心通孔内的钻井液经过第二径向孔进入到二级太阳轮轴71的中心孔内。二级太阳轮轴71中间部位的外壁沿周向设有一圈外檐，外檐与一级堵头56的中心通孔内壁相贴合并通过密封圈密封，使得钻井液只能通过二级太阳轮轴71的中心孔流入至模式转换机构8。

二级太阳轮轴71下部外壁加工有外齿轮，与二级行星轮72上的外齿轮啮合，二级行星轮72的外齿轮与加工于外壳1内壁的内齿轮啮合，二级行星轮72通过二级销轴73安装于二级行星架74上，二级销轴73插入二级行星轮72内孔中形成滑动轴承副可相对转动，二级行星架74通过二级上轴承75和二级下轴承76安装于外壳1内，并与外壳1同轴线设置，二级行星架74沿轴线方向设有中心通孔，二级行星架74中心通孔上部内孔壁与二级太阳轮轴71的下端外壁贴合并通过密封圈密封。

外壳1作为电动定向器的外壳处于相对静止状态，因此，二级行星轮72在二级太阳轮轴71的驱动下既绕电动定向器轴线公转又绕自身轴线自转，二级行星轮72公转通过二级销轴73带动二级行星架74转动。

二级行星架74的下部外壁上设有行星架花键77。

二级上轴承75被一级堵头56的下端压紧在外壳1内。

【实施例5】

模式转换机构8包括模式转换机构外壳81，模式转换机构外壳81与外壳1之间通过螺纹连接并通过密封圈密封，具体为：外壳1下端内壁设有内螺纹，模式转换机构外壳81下端外壁设有外螺纹，内螺纹与外螺纹相配合实现模式转换机构外壳81与外壳1的螺纹连接。二级下轴承76被模式转换机构外壳81压紧在外壳1内。

模式转换机构外壳81内设有锁紧滑套82，锁紧滑套82上部沿轴线方向设有由顶端向下延伸的上中心孔，二级行星架74的下部插入到上中心孔内且与锁紧滑套82通过花键连接，具体为：锁紧滑套82上部外壁设有上花键86，上花键86与行星架花键77相啮合，来传递来自二级减速器7的输出扭矩；锁紧滑套82下部沿轴线方向设有由底端向上延伸的下中心孔，锁紧滑套82下部内壁上设有下花键88；上中心孔和下中心孔通过节流孔87相连通，节流孔87的孔径小于上中心孔和下中心孔的孔径，钻井液流经锁紧滑套82内的节流孔87时在节流孔前后会产生压差，该压差在锁紧滑套82上产生向下的推力。

锁紧滑套82的上端外表面加工有外摩擦锥面85，模式转换机构外壳81内壁的上部加工有内摩擦锥面84，内摩擦锥面84和外摩擦锥面85配合形成锥形摩擦副，当内摩擦锥面84和外摩擦锥面85压合时可产生摩擦力来承担一部分或全部钻头反扭矩。

锁紧滑套82的下部外壁与模式转换机构外壳81内壁之间形成环腔，环腔内设有压紧弹簧83，具体为：锁紧滑套82的下部外表面为台阶结构，台阶下方外径小于台阶上部外径，使得锁紧滑套82的外壁与模式转换机构外壳81的内壁之间具有一定间隙，即环腔。压紧弹簧83的作用是给锁紧滑套82提供向上的推力，使锁紧滑套82带动外摩擦锥面85压紧在内摩擦锥面84上，通过摩擦力实现锁紧滑套82的止转，进而使输出轴93止转。

内摩擦锥面84和外摩擦锥面85的压合与否由压紧弹簧83和加工于锁紧滑套82内部的节流孔87及钻井液流量来控制，具体原因为：(1)钻井液流从上往下经节流孔87会在其上下两个面上产生压力差，其中压力差所产生轴向推力称为压差力；(2)压差力的方向向下、大小由钻井液流量大小控制，钻井液流量大压差力就大，反之就小；(3)压紧弹簧83的轴向推力向上，与压差力方向相反。(4)压差力和弹簧力共同作用在锁紧滑套82上形成合力；(5)当压差力小于弹簧力时，它们的合力向上，会将锁紧滑套82向上推，从而使内、外摩擦锥面压紧，实现输出短节9中输出轴93的止转锁紧功能；(6)当压差力大于弹簧力时，它们的合力向下，会将锁紧滑套82下推，从而使内、外摩擦锥面脱离接触，实现输出短节9中输出轴93的自由旋转。

【实施例6】

输出短节包括输出短节外壳95，输出短节外壳95与模式转换机构外壳81通过螺纹连接，具体为：输出短节外壳95上端内壁设有内螺纹，模式转换机构外壳81的下端外壁设有外螺纹，内螺纹与外螺纹相配合，实现输出短节外壳95与模式转换机构外壳81的螺纹连接。

输出短节外壳95内设有输出轴93，输出轴93上沿轴线方向设置有中心孔，输出轴93的上下两端均伸出输出短节外壳95外，输出轴93上端插入到锁紧滑套82下中心孔中，使得输出轴93上的中心孔与节流孔87相连通，且输出轴93上的中心孔的孔径大于节流孔87的孔径，使得钻井液在流经锁紧滑套82上节流孔87时在节流孔87前后会产生压差，该压差在锁紧滑套82上产生向下的推力。

输出轴93上部与锁紧滑套82下部通过花键连接，具体为：输出轴93上部外表面设置有输出轴花键99，输出轴花键99与下花键88啮合，通过啮合进一步将来自于二级减速器7的输出扭矩传递到输出轴93上。输出轴93下端与下部钻具4连接。

输出短节外壳95上部设有上台阶，上台阶上方内径大于上台阶下方内径，使得输出短节外壳95上部与输出轴9之间形成第一环形空腔，第一环形空腔内由下至上依次设有上推力轴承96和滑动轴承92，滑动轴承92与输出轴93之间通过螺纹连接，滑动轴承92外壁与滑动轴承外套91内壁通过间隙配合形成滑动轴承副，滑动轴承外套91顶端与压紧弹簧83相接触，侧壁与模式转换结构外壳81相接触。输出轴93由安装于其上端的滑动轴承92及滑动轴承外套91组成的滑动轴承副来保证其与模式转换机构外壳81的同轴度；

输出短节外壳95下部靠近端面处设有下台阶，输出轴93下部设有台阶，使得输出短节外壳95下部与输出轴93之间形成第二环形空腔，第二环形空腔内由上至下依次设置有下推力轴承97和环形垫块98，将上推力轴承96下端面与输出短节外壳95的上台阶面压合，同时将下推力轴承97上端面与输出短节外壳95内的下台阶面压合，形成一个可承受拉力或压力的输出短节9。

输出短节外壳95上位于上台阶和下台阶之间设有一注油口，注油口上设置有注油塞94，为轴承提供润滑油。需要注油时，打开该注油塞94，向轴承内注润滑油，注入适当润滑油后，将该注油塞94拧紧达到密封目的。

【实施例7】

所述的电动定向器内部可为钻井液留有足够流通面积的流道：外壳1内壁与电机舱外壳3、一级减速器外壳53和一级堵头56的外壁之间形成环形空腔，作为钻井液流通的流通通道；钻井液流到一级堵头56后由于二级减速器7的阻隔，需要将钻井液流道转入中心孔内流动，为此，在一级堵头56和二级太阳轮轴71上分别开有第一径向孔和第二径向孔，且二级太阳轮轴71、二级行星架74、锁紧滑套82和输出轴93上加工有中心孔为钻井液提供流道；

钻井液流经锁紧滑套82内的节流孔87时在节流孔前后会产生压差，该压差在锁紧滑套82上产生向下的推力，该推力可抵消一部分压紧弹簧83的压力；正常滑动钻进所用的流量在产生的压差不足以全部抵消压紧弹簧83的压力，此时，内摩擦锥面84与外摩擦锥面85产生的摩擦力可承担全部的钻头反扭矩；

当需要定向操作时，加大钻井液流量，使节流孔87前后压差增大，并使内摩擦锥面84与外摩擦锥面85脱离接触，电动定向器正式进入定向模式。

电动定向器在模式转换过程中，行星架花键77与上花键86、下花键88与输出轴花键99始终处于啮合状态。

所述的电动定向器的二级减速器7的齿轮、模式转换机构8的锥形摩擦副和输出短节9轴承副都与外部钻井液通过密封圈隔离。这个密封可分为外密封和内密封，外密封将工具内部与外部钻井液隔离开，内密封将工具与工具中心孔的钻井液隔离开。外密封从上到下依次为：模式转换机构外壳81与外壳1之间通过螺纹连接并通过密封圈密封，模式转换机构外壳81下部与输出短节外壳95上部通过螺纹连接并通过密封圈密封，输出短节外壳95下部内表面与垫块98外表面贴合并通过密封圈密封。内密封从上到下依次为：一级堵头56下部外壁与外壳1内壁的密封圈，二级太阳轮轴71中部外檐与一级堵头56中心孔内壁贴合通过密封圈密封，二级太阳轮轴71下端外壁与二级行星架74中心孔上部内壁贴合密封，二级行星架74下端外表面与锁紧滑套82上中心孔内表面贴合通过密封圈密封，锁紧滑套82下中心孔内表面与输出轴93上端贴合通过密封圈密封，输出轴93下部外表面与垫块98内表面贴合并通过密封圈密封。

本发明还提供了一种井下电动定向方法，采用上述井下电动定向器实现，所述方法的实施例如下：

【实施例8】

所述井下电动定向方法，具体包括以下步骤：

钻井液进入流通通道，流到一级堵头56后由于二级减速器7的阻隔，依次经过一级堵头56上的第一径向孔和二级太阳轮轴71上的第二径向孔进入二级太阳轮轴71的中心孔内，且二级行星架74、锁紧滑套82和输出轴93上加工有中心孔为钻井液提供流道；

钻井液流经锁紧滑套82内的节流孔87时在节流孔前后会产生压差，该压差在锁紧滑套82上产生向下的推力，该推力可抵消一部分压紧弹簧83的压力；正常滑动钻进所用的流量在产生的压差不足以全部抵消压紧弹簧83的压力，此时，内摩擦锥面84与外摩擦锥面85产生的摩擦力可承担全部的钻头反扭矩；

当需要定向操作时，加大钻井液流量，使节流孔87前后压差增大，并使内摩擦锥面84与外摩擦锥面85脱离接触，电动定向器正式进入定向模式。

电动定向器在模式转换过程中，行星架花键77与上花键86、下花键88与输出轴花键99始终处于啮合状态。

本发明采用减速电机、一级减速器和二级减速器三次集中减速将减速电机输出的高速、低扭矩转动变换为井下电动定向器的低速、大扭矩转动输出。通过合理的设计、布置各级减速器中的太阳轮、行星轮和行星架的形状和位置，使井下电动定向器即可输出大扭矩转动，又可为钻井液流动提供足够的流通面积。在各个零件的连接中设计必要的密封，使各级齿轮的工作腔与外部钻井液隔离，改善了齿轮的工作环境、提高了齿轮的寿命和整机的可靠性；二级减速器输出的大扭矩转动，通过模式转换机构的控制实现“定向”和“锁紧”两种模式之间的转换；模式转换机构通过锥形摩擦副，可在输出轴任意转角下完成摩合，从而实现输出轴的无级锁定功能。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“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发明和简化描述，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发明的限制。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的技术方案，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (16)

1.一种井下电动定向器，其特征在于，包括：

外壳，内部设有由上至下依次连接的减速电机、一级减速器和二级减速器；

模式转换机构，与所述外壳下部连接，且与所述二级减速器花键连接；

输出短节，连接在所述模式转换机构下端。

2.根据权利要求1所述的井下电动定向器，其特征在于，所述减速电机安装在电机舱外壳内，所述电机舱外壳设置于所述外壳内，所述电机舱外壳外壁与所述外壳的内壁之间具有一定间隙，形成环形空腔，作为钻井液的流通通道；

所述减速电机的输出轴上连接有一级联轴器，所述一级联轴器的另一端与所述一级减速器连接。

3.根据权利要求2所述的井下电动定向器，其特征在于，所述一级减速器包括连接在所述电机舱外壳下端的一级减速器外壳，所述一级减速器外壳内设有输入太阳轮，所述输入太阳轮上啮合有一级行星轮，所述一级行星轮通过一级销轴安装于一级行星架上，所述一级行星架通过一级上轴承和一级下轴承安装于所述一级减速器外壳内；

所述一级减速器外壳下端连接有一级堵头，所述一级堵头上沿轴线方向设有中心通孔，所述一级行星架的下部位于所述一级堵头的中心通孔内，且两者之间通过密封圈密封；

所述一级行星架的下端部连接有二级联轴器。

4.根据权利要求3所述的井下电动定向器，其特征在于，所述一级减速器外壳内加工有内齿轮，所述一级行星轮加工有外齿轮，所述一级行星轮的外齿轮与所述一级减速器外壳的内齿轮啮合，所述一级行星架与所述一级减速器外壳同轴线设置。

5.根据权利要求4所述的井下电动定向器，其特征在于，所述一级销轴插入所述一级行星轮内孔中，所述一级销轴的外圆柱面与所述一级行星轮的内孔圆柱面形成滑动轴承副使所述一级行星轮可相对所述一级销轴自由转动。

6.根据权利要求5所述的井下电动定向器，其特征在于，所述一级减速器外壳的外壁和所述一级堵头上段外壁均与所述外壳的内壁之间具有一定间隙，形成环形空腔，作为钻井液的流通通道；

所述一级堵头的下段外壁与所述外壳内壁相贴合且通过密封圈密封，所述一级堵头中段侧壁上设有第一径向孔，且所述第一径向孔位于所述二级联轴器的下方。

7.根据权利要求6所述的井下电动定向器，其特征在于，所述一级减速器外壳和所述电机舱外壳下端通过螺纹连接且通过密封圈密封；

所述一级减速器外壳与所述一级堵头通过螺纹连接且通过密封圈密封。

8.根据权利要求7所述的井下电动定向器，其特征在于，所述二级减速器包括顶端与所述二级联轴器连接的二级太阳轮轴，所述二级太阳轮轴上部位于所述一级堵头的中心通孔内；

所述二级太阳轮轴中间部位的外壁沿周向设有一圈外檐，所述外檐与所述一级堵头的中心通孔内壁相贴合并通过密封圈密封；

所述二级太阳轮轴下部外壁加工有外齿轮，与二级行星轮上的外齿轮啮合，所述二级行星轮的外齿轮与加工于所述外壳内壁的内齿轮啮合，所述二级行星轮通过二级销轴安装于二级行星架上，所述二级行星架安装于所述外壳内。

9.根据权利要求8所述的井下电动定向器，其特征在于，所述二级太阳轮轴上沿轴线方向设有由底端面向上延伸的中心孔，所述二级太阳轮轴的上部侧壁设有第二径向孔，所述第二径向孔与所述中心孔相连通。

10.根据权利要求9所述的井下电动定向器，其特征在于，所述二级销轴插入所述二级行星轮内孔中形成滑动轴承副可相对转动；

所述二级行星架沿轴线方向设有中心通孔，所述二级行星架中心通孔上部内孔壁与所述二级太阳轮轴的下端外壁贴合并通过密封圈密封。

11.根据权利要求10所述的井下电动定向器，其特征在于，所述模式转换机构包括模式转换机构外壳，所述模式转换机构外壳内设有锁紧滑套，所述锁紧滑套上部沿轴线方向设有由顶端向下延伸的上中心孔；

所述锁紧滑套下部沿轴线方向设有由底端向上延伸的下中心孔；

所述上中心孔和所述下中心孔通过节流孔相连通，所述节流孔的孔径小于所述上中心孔和所述下中心孔的孔径。

12.根据权利要求11所述的井下电动定向器，其特征在于，所述二级行星架的下部插入到所述上中心孔内且与所述锁紧滑套通过花键连接；

所述锁紧滑套的上端外表面加工有外摩擦锥面，所述模式转换机构外壳内壁的上部加工有内摩擦锥面，所述内摩擦锥面和所述外摩擦锥面配合形成锥形摩擦副；

所述锁紧滑套的下部外壁与所述模式转换机构外壳内壁之间形成环腔，所述环腔内设有压紧弹簧。

13.根据权利要求12所述的井下电动定向器，其特征在于，所述输出短节包括与模式转换机构外壳连接的输出短节外壳，所述输出短节外壳内设有输出轴，所述输出轴的上下两端均伸出所述输出短节外壳外，所述输出轴上部插入到锁紧滑套下中心孔中且与所述锁紧滑套内壁通过花键连接；

所述输出轴上沿轴线方向设置有中心孔，且所述输出轴上的中心孔的孔径大于所述节流孔的孔径。

14.根据权利要求13所述的井下电动定向器，其特征在于，所述输出短节外壳上部与所述输出轴之间形成第一环形空腔，所述第一环形空腔内由下至上依次设有上推力轴承和滑动轴承，所述滑动轴承与所述输出轴之间通过螺纹连接，所述滑动轴承外壁与滑动轴承外套内壁通过间隙配合形成滑动轴承副，所述滑动轴承外套顶端与所述压紧弹簧相接触，侧壁与所述模式转换机构外壳相接触；

所述输出短节外壳下部与所述输出轴之间形成第二环形空腔，所述第二环形空腔内由上至下依次设置有下推力轴承和环形垫块。

15.一种井下电动定向方法，其特征在于，采用权利要求1-14任一项所述的井下电动定向器实现。

16.权利要求1-14任一项所述的井下电动定向器在石油钻井工程中的应用。