一种井下电动定向器及定向方法和应用与流程

本发明属于石油钻井，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：

1、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。

2、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：

3、(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。

4、(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。

技术实现思路

1、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。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明第一个方面，提供一种井下电动定向器，包括：

4、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；

5、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；

6、输出短节，连接在所述模式转换机构下端。

7、本发明的进一步改进在于：

8、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；

9、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。

10、本发明的进一步改进在于：

11、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；

12、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；

13、所述一级行星架的下端部连接有二级联轴器。

14、本发明的进一步改进在于：

15、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。

16、本发明的进一步改进在于：

17、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。

18、本发明的进一步改进在于：

19、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；

20、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。

21、本发明的进一步改进在于：

22、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；

23、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。

24、本发明的进一步改进在于：

25、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；

26、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；

27、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。

28、本发明的进一步改进在于：

29、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。

30、本发明的进一步改进在于：

31、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；

32、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。

33、本发明的进一步改进在于：

34、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；

35、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；

36、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。

37、本发明的进一步改进在于：

38、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；

39、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；

40、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。

41、本发明的进一步改进在于：

42、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；

43、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。

44、本发明的进一步改进在于：

45、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；

46、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。

47、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。

48、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。

49、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

50、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。

51、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。