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　　本发明公开了一种自动垂直钻井工具与方法，其特征在于，工具由上接头、芯轴、外壳体、第一楔块、第二楔块、第三楔块、弹簧、转换器、偏重筒、下接头、密封圈、密封螺钉、活塞推块和滚动轴承组成，出现井斜时偏重筒的偏重块在旁通环腔内始终处于井眼低边，带动转换器与芯轴同步转动，来自上接头辅流道的高压钻井液流经芯轴的优弧通孔进入到外壳体的楔块腔挤压第一楔块上端面使第一楔块带动第二楔块和第三楔块向下滑动，活塞推块在第一楔块、第二楔块和第三楔块作用下向外推出作用于井壁，井壁施加反作用力从而实现降斜。本发明通过钻井液的

　　1.一种自动垂直钻井工具，包括上接头(1)、芯轴(2)、外壳体(3)、第一楔块(4)、第二楔

　　块(5)、第三楔块(6)、弹簧(7)、转换器(8)、偏重筒(9)、下接头(11)、密封圈(12)、密封螺钉

　　(13)、活塞推块(14)和滚动轴承(15)，其特征在于，所述上接头(1)的上端与上部钻柱连接，

　　上接头(1)的下端通过螺纹与外壳体(3)连接，所述芯轴(2)的下端通过螺纹与转换器(8)连

　　接，所述上接头(1)与芯轴(2)间设有滚动轴承(15)，所述第一楔块(4)、第二楔块(5)、第三

　　楔块(6)以及弹簧(7)设于外壳体(3)内部，所述第一楔块(4)下端嵌于第二楔块(5)上端内

　　侧，所述第二楔块(5)下端嵌于第三楔块(6)上端内侧，所述弹簧(7)设于第三楔块(6)下方，

　　所述活塞推块(14)设于外壳体(3)上且活塞推块(14)与第一楔块(4)或第二楔块(5)或第三

　　楔块(6)配合，所述转换器(8)下端与偏重筒(9)通过螺纹连接，所述偏重筒(9)设于转换器

　　(8)与下接头(11)之间，所述下接头(11)通过螺纹连接于外壳体(3)的下端，所述偏重筒(9)

　　与下接头(11)之间设有滚动轴承(15)，所述下接头(11)下端与下部钻柱连接，所述芯轴(2)

　　与上接头(1)间、芯轴(2)与外壳体(3)间、第一楔块(4)与外壳体(3)间、第三楔块(6)与外壳

　　体(3)间、转换器(8)与外壳体(3)间、偏重筒(9)与下接头(11)间、活塞推块(14)与外壳体

　　2.根据权利要求1所述的一种自动垂直钻井工具，其特征在于，所述上接头(1)内设有

　　上接头主流道(1a)和上接头辅流道(1b)，所述上接头辅流道(1b)数量为4个且绕上接头(1)

　　轴承台阶(2a)、芯轴优弧通孔(2b)、芯轴劣弧孔(2c)、芯轴上密封槽(2d)和芯轴下密封槽

　　(2e)，所述芯轴轴承台阶(2a)上设有滚动轴承(15)；所述芯轴优弧通孔(2b)的优弧角度为

　　210°～250°且芯轴优弧通孔(2b)与部分上接头辅流道(1b)连通，所述芯轴劣弧孔(2c)截面

　　为倒“L”形且弧角度为90°；所述芯轴上密封槽(2d)和芯轴下密封槽(2e)内均设有密封圈

　　4.根据权利要求1所述的一种自动垂直钻井工具，其特征在于，所述外壳体(3)包括外

　　壳体外筒(3a)、上径向循环孔(3b)、外壳体内管(3c)、活塞推块孔(3d)、密封螺钉孔(3e)、下

　　径向循环孔(3f)、楔块腔(3g)、轴向循环孔(3h)、腔间隔板(3i)和转换腔(3j)；所述外壳体

　　外筒(3a)上设有上径向循环孔(3b)、活塞推块孔(3d)、密封螺钉孔(3e)和下径向循环孔

　　(3f)，所述上径向循环孔(3b)设置于外壳体外筒(3a)的上方，所述活塞推块孔(3d)设置于

　　外壳体外筒(3a)中上部，所述密封螺钉孔(3e)设置于活塞推块孔(3d)的下方，所述下径向

　　循环孔(3f)设置于密封螺钉孔(3e)的下方；所述外壳体外筒(3a)上的活塞推块孔(3d)沿外

　　布；所述楔块腔(3g)位于外壳体外筒(3a)与外壳体内管(3c)之间，所述轴向循环孔(3h)连

　　通楔块腔(3g)与转换腔(3j)；所述腔间隔板(3i)将楔块腔(3g)分为4个，所述第一楔块(4)、

　　第二楔块(5)、第三楔块(6)和弹簧(7)均设置于楔块腔(3g)内；所述密封螺钉孔(3e)内设有

　　密封螺钉(13)；所述上径向循环孔(3b)、密封螺钉孔(3e)和下径向循环孔(3f)为4个且沿圆

　　周均匀分布；所述芯轴劣弧孔(2c)与外壳体(3)上的1个上径向循环孔(3b)连通。

　　5.根据权利要求1所述的一种自动垂直钻井工具，其特征在于，所述第一楔块(4)包括

　　第一楔块直边段(4a)、第一楔块斜边段(4b)、第一楔块密封槽(4c)、第一楔块T型槽(4d)和

　　第一楔块嵌入段(4e)，所述第一楔块(4)的上端面和下端面均呈扇形圆环状，所述第一楔块

　　直边段(4a)的内、外表面均为曲面且分别与外壳体内管(3c)的外表面和外壳体外筒(3a)的

　　内表面配合，所述第一楔块密封槽(4c)设于第一楔块直边段(4a)上；所述第一楔块斜边段

　　(4b)呈锥状，所述第一楔块T型槽(4d)设于第一楔块斜边段(4b)上且第一楔块T型槽(4d)的

　　轴线)的中心轴相交；所述第二楔块(5)包括第二楔块斜边段(5a)、第二楔块嵌

　　入段(5b)、第二楔块台阶(5c)、第二楔块螺钉孔(5d)和第二楔块T型槽(5e)，所述第二楔块

　　斜边段(5a)呈锥状，所述第二楔块T型槽(5e)设于第二楔块斜边段(5a)上且第二楔块T型槽

　　(5e)的轴线)的中心轴相交；所述第一楔块嵌入段(4e)安装于第二楔块台阶

　　(5c)上；所述第三楔块(6)包括第三楔块斜边段(6a)、第三楔块直边段(6b)、第三楔块台阶

　　(6c)、第三楔块螺钉孔(6d)、第三楔块T型槽(6e)和第三楔块密封槽(6f)，第三楔块斜边段

　　(6a)呈锥状，第三楔块T型槽(6e)设于第三楔块斜边段(6a)上且第三楔块T型槽(6e)的轴线)的中心轴相交；所述第三楔块直边段(6b)的内、外表面均为曲面且分别与外壳

　　体内管(3c)的外表面和外壳体外筒(3a)的内表面配合，所述第三楔块密封槽(6f)设于第三

　　楔块直边段(6b)上，所述第二楔块嵌入段(5b)安装于第三楔块台阶(6c)上；所述第二楔块

　　(5)的上端面设有第二楔块螺钉孔(5d)，所述第三楔块(6)的上端面设有第三楔块螺钉孔

　　6.根据权利要求1所述的一种自动垂直钻井工具，其特征在于，所述转换器(8)包括转

　　换器劣弧通孔(8a)、泄压孔(8b)和转换器密封槽(8c)，所述泄压孔(8b)为“L”形通孔，泄压

　　孔(8b)的数量为3个且每个泄压孔(8b)均与外壳体(3)上的下径向循环孔(3f)连通，所述转

　　换器劣弧通孔(8a)与剩余的下径向循环孔(3f)连通；所述转换器密封槽(8c)内设有密封圈

　　7.根据权利要求1所述的一种自动垂直钻井工具，其特征在于，所述偏重筒(9)包括中

　　心筒体(9a)、偏重块(9b)、筒体径向通孔(9c)、偏重筒密封槽(9d)和偏重筒轴承台阶(9e)，

　　所述筒体径向通孔(9c)设于中心筒体(9a)上，所述筒体径向通孔(9c)位于偏重块(9b)的对

　　侧，所述偏重筒密封槽(9d)内设有密封圈(12)，所述偏重筒轴承台阶(9e)上设有滚动轴承

　　8.根据权利要求1所述的一种自动垂直钻井工具，其特征在于，所述活塞推块(14)包括

　　活塞柱体(14a)和T型凸块(14b)，所述活塞柱体(14a)安装于活塞推块孔(3d)内且活塞柱体

　　(14a)外壁与活塞推块孔(3d)内壁间设有密封圈(12)；所述T型凸块(14b)与第一楔块T型槽

　　9.根据权利要求1所述的一种自动垂直钻井工具的方法，其特征在于，当井身出现井斜

　　且需要降斜时，在钻柱中安装所述自动垂直钻井工具，钻进过程中钻井液从上部钻柱流入

　　上接头(1)中，大部分钻井液从上接头主流道(1a)流经芯轴(2)、转换器(8)、偏重筒(9)及下

　　接头(11)，最终流向下部钻柱；当出现井斜时，所述偏重筒(9)在重力作用下使偏重块(9b)

　　始终偏向井眼低边侧而筒体径向通孔(9c)转向井眼高边侧，转换器(8)与芯轴(2)随偏重筒

　　(9)同步转动，芯轴优弧通孔(2b)与上接头(1)内部的3个上接头辅流道(1b)连通，芯轴劣弧

　　孔(2c)与外壳体(3)上的上径向循环孔(3b)连通，转换器(8)的泄压孔(8b)与外壳体(3)上

　　的下径向循环孔(3f)连通；部分高压钻井液从上接头(1)上的上接头辅流道(1b)流经芯轴

　　优弧通孔(2b)流到下方，作用在芯轴优弧通孔(2b)下方的第一楔块(4)的上端面，使第一楔

　　块(4)、第二楔块(5)及第三楔块(6)克服弹簧(7)的弹力向下移动，使第三楔块(6)下方的钻

　　井液通过轴向循环孔(3h)、泄压孔(8b)及外壳体(3)上的下径向循环孔(3f)排出，第一楔块

　　(4)及第三楔块(6)向下移动时，活塞推块(14)的T型凸块(14b)在第一楔块T型槽(4d)、第二

　　楔块T型槽(5e)及第三楔块T型槽(6e)内滑动，使活塞推块(14)向外伸出，向外伸出的活塞

　　推块(14)作用在井壁低边，同时井壁低边对活塞推块(14)施加反作用力；所述活塞推块

　　(14)向外伸出从而实现降斜的同时，部分高压钻井液从偏重筒(9)上的筒体径向通孔(9c)

　　流进外壳体(3)、转换器(8)、偏重筒(9)及下接头(11)组成的旁通环腔(10)内，高压钻井液

　　从旁通环腔(10)流经转换器劣弧通孔(8a)与外壳体(3)上的轴向循环孔(3h)作用于第三楔

　　块(6)下端面，第三楔块(6)、第二楔块(5)及第一楔块(4)在高压钻井液压力与弹簧(7)的恢

　　复力作用下向上移动，此时处于转换器劣弧通孔(8a)侧的活塞推块(14)的T型凸块(14b)在

　　第一楔块T型槽(4d)、第一楔块T型槽(5e)及第三楔块T型槽(6e)内滑动，活塞推块(14)向内

　　收缩；在钻进过程中，由上部钻柱传递的钻压和扭矩分别经上接头(1)、外壳体(3)和下接头

　　[0001]本发明涉及一种井下工具，具体是一种自动垂直钻井工具与方法，属于机械工程

　　[0002]钻井是利用钻头和钻柱等设备由地面向下形成深达数千米细长井眼的过程，是油

　　气资源开发的重要途径。随着钻进深度的增加，钻井难度及其成本也不断增大。为了使井眼

　　到达目标层位，通常需要对井眼轨迹有详细的设计以及在施工过程中按设计要求进行相应

　　操作。对于油气井的井眼轨迹，越复杂其钻井施工成本越高。因此在设计过程中尽量将井身

　　设计为直井，一方面施工成本小，另一方面还可降低作业成本并提高油气采收率。

　　[0003]在钻进过程中，受地层不连续、不均匀以及各向异性等特点的影响，外加地层发育

　　过地层构造变化等原因，钻进过程中容易出现钻头的跳动和钻柱的振动等异常。加上钻柱

　　具有大长径比的特点，钻进过程中极易出现井斜现象，制约了直井的精确钻进。当井斜出现

　　时，普遍采用的办法是降低钻压或减小转速等被动方法，或起下钻柱变化钻具组合，这些方

　　[0004]自动垂直钻井技术将满眼钻具加压快钻与钟摆钻具吊打纠斜的特点融为一体，将

　　高效与优质有效结合。自动垂直钻井技术可有效解决钻压和防斜之间的矛盾，可实现井下

　　主动防斜、纠斜，有效减小了钻柱扭矩和摩阻，在保持垂直井眼精度的条件下能够释放钻压

　　并提高机械钻速。近年来，国外的自动垂直钻井技术快速发展，但在此方面还具有较大差

　　距。为加快自动化钻井技术特别是自动垂直钻井技术的发展，开展相关方面的研究并在此

　　[0005]本发明的目的在于：提出一种自动垂直钻井工具与方法，用于当井斜太大时实现

　　[0007]一种自动垂直钻井工具，包括上接头、芯轴、外壳体、第一楔块、第二楔块、第三楔

　　块、弹簧、转换器、偏重筒、下接头、密封圈、密封螺钉、活塞推块和滚动轴承，其特征在于，所

　　述上接头的上端与上部钻柱连接，上接头的下端通过螺纹与外壳体连接，所述芯轴的下端

　　通过螺纹与转换器连接，所述上接头与芯轴间设有滚动轴承，所述第一楔块、第二楔块、第

　　三楔块以及弹簧设于外壳体内部，所述第一楔块下端嵌于第二楔块上端内侧，所述第二楔

　　块下端嵌于第三楔块上端内侧，所述弹簧设于第三楔块下方，所述活塞推块设于外壳体上

　　且活塞推块与第一楔块或第二楔块或第三楔块配合，所述转换器下端与偏重筒通过螺纹连

　　接，所述偏重筒设于转换器与下接头之间，所述下接头通过螺纹连接于外壳体的下端，所述

　　偏重筒与下接头之间设有滚动轴承，所述下接头下端与下部钻柱连接，所述芯轴与上接头

　　间、芯轴与外壳体间、第一楔块与外壳体间、第三楔块与外壳体间、转换器与外壳体间、偏重

　　[0008]进一步的，所述自动垂直钻井工具上端通过上接头与上部钻柱连接，下端通过下

　　接头与下部钻柱连接，由地面向井下流动的大部分钻井液从上接头主流道流经芯轴、转换

　　[0009]所述上接头内设有上接头主流道和上接头辅流道，所述上接头辅流道数量为4个

　　且绕上接头轴线]进一步的，所述上接头辅流道作用是其中部分上接头辅流道与芯轴优弧通孔连通

　　从而使部分钻井液通过芯轴优弧通孔流到楔块腔中挤压第一楔块上端面使其向下滑动。

　　[0011]所述芯轴包括芯轴轴承台阶、芯轴优弧通孔、芯轴劣弧孔、芯轴上密封槽和芯轴下

　　密封槽，所述芯轴轴承台阶上设有滚动轴承；所述芯轴优弧通孔的优弧角度为210°～250°

　　且芯轴优弧通孔与部分上接头辅流道连通，所述芯轴劣弧孔截面为倒“L”形且劣弧角度为

　　[0012]进一步的，所述芯轴劣弧孔连通1个上接头辅流道与外壳体上的上径向循环孔，从

　　而使第一楔块上方的钻井液可以从楔块腔挤压到外部，所述芯轴由芯轴台阶上的滚动轴承

　　[0013]所述外壳体包括外壳体外筒、上径向循环孔、外壳体内管、活塞推块孔、密封螺钉

　　孔、下径向循环孔、楔块腔、轴向循环孔、腔间隔板和转换腔；所述外壳体外筒上设有上径向

　　循环孔、活塞推块孔、密封螺钉孔和下径向循环孔，所述上径向循环孔设置于外壳体外筒的

　　上方，所述活塞推块孔设置于外壳体外筒中上部，所述密封螺钉孔设置于活塞推块孔的下

　　方，所述下径向循环孔设置于密封螺钉孔的下方；所述外壳体外筒上的活塞推块孔沿外壳

　　位于外壳体外筒与外壳体内管之间，所述轴向循环孔连通楔块腔与转换腔；所述腔间隔板

　　将楔块腔分为4个，所述第一楔块、第二楔块、第三楔块和弹簧均设置于楔块腔内；所述密封

　　螺钉孔内设有密封螺钉；所述上径向循环孔、密封螺钉孔和下径向循环孔为4个且沿圆周均

　　[0014]进一步的，所述上径向循环孔和下径向循环孔可分别与芯轴上的芯轴劣弧孔和转

　　[0015]所述第一楔块包括第一楔块直边段、第一楔块斜边段、第一楔块密封槽、第一楔块

　　T型槽和第一楔块嵌入段，所述第一楔块的上端面和下端面均呈扇形圆环状，所述第一楔块

　　直边段的内、外表面均为曲面且分别与外壳体内管的外表面和外壳体外筒的内表面配合，

　　所述第一楔块密封槽设于第一楔块直边段上；所述第一楔块斜边段呈锥状，所述第一楔块T

　　型槽设于第一楔块斜边段上且第一楔块T型槽的轴线与外壳体的中心轴相交；所述第二楔

　　块包括第二楔块斜边段、第二楔块嵌入段、第二楔块台阶、第二楔块螺钉孔和第二楔块T型

　　槽，所述第二楔块斜边段呈锥状，所述第二楔块T型槽设于第二楔块斜边段上且第二楔块T

　　型槽的轴线与外壳体的中心轴相交；所述第一楔块嵌入段安装于第二楔块台阶上；所述第

　　三楔块包括第三楔块斜边段、第三楔块直边段、第三楔块台阶、第三楔块螺钉孔、第三楔块T

　　型槽和第三楔块密封槽，第三楔块斜边段呈锥状，第三楔块T型槽设于第三楔块斜边段上且

　　第三楔块T型槽的轴线与外壳体的中心轴相交；所述第三楔块直边段的内、外表面均为曲面

　　且分别与外壳体内管的外表面和外壳体外筒的内表面配合，所述第三楔块密封槽设于第三

　　楔块直边段上，所述第二楔块嵌入段安装于第三楔块台阶上；所述第二楔块的上端面设有

　　第二楔块螺钉孔，所述第三楔块的上端面设有第三楔块螺钉孔，所述第二楔块螺钉孔和第

　　[0016]进一步的，所述第一楔块、第二楔块和第三楔块在第一楔块上方的钻井液压力下

　　[0017]所述转换器包括转换器劣弧通孔、泄压孔和转换器密封槽，所述泄压孔为“L”形通

　　孔，泄压孔的数量为3个且每个泄压孔均与外壳体上的下径向循环孔连通，所述转换器劣弧

　　[0018]进一步的，所述转换器泄压孔连通外壳体上的3个下径向循环孔与外壳体上的轴

　　[0019]所述偏重筒包括中心筒体、偏重块、筒体径向通孔、偏重筒密封槽和偏重筒轴承台

　　阶，所述筒体径向通孔设于中心筒体上，所述筒体径向通孔位于偏重块的对侧，所述偏重筒

　　[0020]进一步的，所述偏重块在重力作用下可在旁通环腔内自由转动，所述偏重筒由偏

　　[0021]所述活塞推块包括活塞柱体和T型凸块，所述活塞柱体安装于活塞推块孔内且活

　　塞柱体外壁与活塞推块孔内壁间设有密封圈；所述T型凸块与第一楔块T型槽或第二楔块T

　　[0022]进一步的，所述活塞推块的外表面为圆柱状，所述活塞推块外表面圆柱直径与外

　　[0023]当井身出现井斜且需要降斜时，在钻柱中安装所述自动垂直钻井工具，钻进过程

　　中钻井液从上部钻柱流入上接头中，大部分钻井液从上接头主流道流经芯轴、转换器、偏重

　　筒及下接头，最终流向下部钻柱；当出现井斜时，所述偏重筒在重力作用下使偏重块始终偏

　　向井眼低边侧而筒体径向通孔转向井眼高边侧，转换器与芯轴随偏重筒同步转动，芯轴优

　　弧通孔与上接头内部的3个上接头辅流道连通，芯轴劣弧孔与外壳体上的上径向循环孔连

　　通，转换器的泄压孔与外壳体上的下径向循环孔连通；部分高压钻井液从上接头上的上接

　　头辅流道流经芯轴优弧通孔流到下方，作用在芯轴优弧通孔下方的第一楔块的上端面，使

　　第一楔块、第二楔块及第三楔块克服弹簧的弹力向下移动，使第三楔块下方的钻井液通过

　　轴向循环孔、泄压孔及外壳体上的下径向循环孔排出，第一楔块、第二楔块及第三楔块向下

　　移动时，活塞推块的T型凸块在第一楔块T型槽、第二楔块T型槽及第三楔块T型槽内滑动，使

　　活塞推块向外伸出，向外伸出的活塞推块作用在井壁低边，同时井壁低边对活塞推块施加

　　反作用力；所述活塞推块向外伸出从而实现降斜的同时，部分高压钻井液从偏重筒上的筒

　　体径向通孔流进外壳体、转换器、偏重筒及下接头组成的旁通环腔内，高压钻井液从旁通环

　　腔流经转换器劣弧通孔与外壳体上的轴向循环孔作用于第三楔块下端面，第三楔块、第二

　　楔块及第一楔块在高压钻井液压力与弹簧的恢复力作用下向上移动，此时处于转换器劣弧

　　通孔侧的活塞推块的T型凸块在第一楔块T型槽、第二楔块T型槽及第三楔块T型槽内滑动，

　　活塞推块向内收缩；在钻进过程中，由上部钻柱传递的钻压和扭矩分别经上接头、外壳体和

　　[0024]与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：(1)适用于各种复杂地质，井眼存在

　　井斜时偏心筒的偏重块始终在井眼低边，完全依靠钻井液的压力来控制活塞推块的推出与

　　收缩从而实现降斜的目的；(2)每个楔块腔对应三个活塞推块，楔块腔对应的三个活塞块中

　　只要有一个活塞推块未失效，就不影响整体降斜效果，使用寿命长；(3)本发明是机械式，不

　　[0032]图8为本发明一种自动垂直钻井工具中的上接头的截面结构示意图；

　　[0034]图10为本发明一种自动垂直钻井工具中的芯轴的另一结构示意图；

　　[0036]图12为本发明一种自动垂直钻井工具中的外壳体A‑A截面的示意图；

　　[0037]图13为本发明一种自动垂直钻井工具中的外壳体的另一结构示意图；

　　[0038]图14为本发明一种自动垂直钻井工具中的第一楔块的结构示意图；

　　[0039]图15为本发明一种自动垂直钻井工具中的第一楔块的另一结构示意图

　　[0040]图16为本发明一种自动垂直钻井工具中的第二楔块的结构示意图；

　　[0041]图17为本发明一种自动垂直钻井工具中的第二楔块的另一结构示意图；

　　[0042]图18为本发明一种自动垂直钻井工具中的第三楔块的结构示意图；

　　[0043]图19为本发明一种自动垂直钻井工具中的第三楔块的另一结构示意图；

　　[0045]图21为本发明一种自动垂直钻井工具中的转换器的另一结构示意图；

　　[0047]图23为本发明一种自动垂直钻井工具中的活塞推块的结构示意图；

　　[0048]图中：1‑上接头，1a‑上接头主流道，1b‑上接头辅流道，2‑芯轴，2a‑芯轴轴承台阶，

　　2b‑芯轴优弧通孔，2c‑芯轴劣弧孔，2d‑芯轴上密封槽，2e‑芯轴下密封槽，3‑外壳体，3a‑外

　　壳体外筒，3b‑上径向循环孔，3c‑外壳体内管，3d‑活塞推块孔，3e‑密封螺钉孔，3f‑下径向

　　循环孔，3g‑楔块腔，3h‑轴向循环孔，3i‑腔间隔板，3j‑转换腔，4‑第一楔块，4a‑第一楔块直

　　边段，4b‑第一楔块斜边段，4c‑第一楔块密封槽，4d‑第一楔块T型槽，4e‑第一楔块嵌入段，

　　5‑第二楔块，5a‑第二楔块斜边段，5b‑第二楔块嵌入段，5c‑第二楔块台阶，5d‑第二楔块螺

　　钉孔，5e‑第二楔块T型槽，6‑第三楔块，6a‑第三楔块斜边段，6b‑第三楔块直边段，6c‑第三

　　楔块台阶，6d‑第三楔块螺钉孔，6e‑第三楔块T型槽，6f‑第三楔块密封槽，7‑弹簧，8‑转换

　　器，8a‑转换器劣弧通孔，8b‑泄压孔，8c‑转换器密封槽，9‑偏重筒，9a‑中心筒体，9b‑偏重

　　块，9c‑筒体径向通孔，9d‑偏重筒密封槽，9e‑偏重筒轴承台阶，10‑旁通环腔，11‑下接头，

　　12‑密封圈，13‑密封螺钉，14‑活塞推块，14a‑活塞柱体，14b‑T型凸块。

　　[0051]如图1到图23所示，一种自动垂直钻井工具，包括上接头1、芯轴2、外壳体3、第一楔

　　块4、第二楔块5、第三楔块6、弹簧7、转换器8、偏重筒9、下接头11、密封圈12、密封螺钉13、活

　　塞推块14和滚动轴承15，其特征在于，所述上接头1的上端与上部钻柱连接，上接头1的下端

　　通过螺纹与外壳体3连接，所述芯轴2的下端通过螺纹与转换器8连接，所述上接头1与芯轴2

　　间设有滚动轴承15，所述第一楔块4、第二楔块5、第三楔块6以及弹簧7设于外壳体3内部，所

　　述第一楔块4下端嵌于第二楔块5上端内侧，所述第二楔块5下端嵌于第三楔块6上端内侧，

　　所述弹簧7设于第三楔块6下方，所述活塞推块14设于外壳体3上且活塞推块14与第一楔块4

　　或第二楔块5或第三楔块6配合，所述转换器8下端与偏重筒9通过螺纹连接，所述偏重筒9设

　　于转换器8与下接头11之间，所述下接头11通过螺纹连接于外壳体3的下端，所述偏重筒9与

　　下接头11之间设有滚动轴承15，所述下接头11下端与下部钻柱连接，所述芯轴2与上接头1

　　间、芯轴2与外壳体3间、第一楔块4与外壳体3间、第三楔块6与外壳体3间、转换器8与外壳体

　　3间、偏重筒9与下接头11间、活塞推块14与外壳体3间均设有密封圈12。

　　[0052]所述自动垂直钻井工具上端通过上接头1与上部钻柱连接，下端通过下接头11与

　　下部钻柱连接，由地面向井下流动的大部分钻井液从上接头主流道1a流经芯轴2、转换器8、

　　[0053]如图3和图8所示，所述上接头1内设有上接头主流道1a和上接头辅流道1b，所述上

　　接头辅流道1b数量为4个且绕上接头1轴线b作用是其中部分上接头辅流道1b与芯轴优弧通孔2b连通从

　　而使部分钻井液通过芯轴优弧通孔2b流到楔块腔3g中挤压第一楔块4上端面使其向下滑

　　[0055]如图4、图9和图10所示，所述芯轴2包括芯轴轴承台阶2a、芯轴优弧通孔2b、芯轴劣

　　弧孔2c、芯轴上密封槽2d和芯轴下密封槽2e，所述芯轴轴承台阶2a上设有滚动轴承15；所述

　　芯轴优弧通孔2b的优弧角度为210°～250°且芯轴优弧通孔2b与部分上接头辅流道1b连通，

　　所述芯轴劣弧孔2c截面为倒“L”形且劣弧角度为90°；所述芯轴上密封槽2d和芯轴下密封槽

　　[0056]所述芯轴劣弧孔2c连通1个上接头辅流道1b与外壳体3上的上径向循环孔3b，从而

　　使第一楔块4上方的钻井液可以从楔块腔3g挤压到外部，所述芯轴2由芯轴台阶2a上的滚动

　　[0057]如图11、图12和图13所示，所述外壳体3包括外壳体外筒3a、上径向循环孔3b、外壳

　　体内管3c、活塞推块孔3d、密封螺钉孔3e、下径向循环孔3f、楔块腔3g、轴向循环孔3h、腔间

　　隔板3i和转换腔3j；所述外壳体外筒3a上设有上径向循环孔3b、活塞推块孔3d、密封螺钉孔

　　3e和下径向循环孔3f，所述上径向循环孔3b设置于外壳体外筒3a的上方，所述活塞推块孔

　　3d设置于外壳体外筒3a中上部，所述密封螺钉孔3e设置于活塞推块孔3d的下方，所述下径

　　向循环孔3f设置于密封螺钉孔3e的下方；所述外壳体外筒3a上的活塞推块孔3d沿外壳体3

　　3g位于外壳体外筒3a与外壳体内管3c之间，所述轴向循环孔3h连通楔块腔3g与转换腔3j；

　　所述腔间隔板3i将楔块腔3g分为4个，所述第一楔块4、第二楔块5、第三楔块6和弹簧7均设

　　置于楔块腔3g内；所述密封螺钉孔3e内设有密封螺钉13；所述上径向循环孔3b、密封螺钉孔

　　3e和下径向循环孔3f为4个且沿圆周均匀分布；所述芯轴劣弧孔2c与外壳体3上的1个上径

　　[0058]所述上径向循环孔3b和下径向循环孔3b可分别与芯轴2上的芯轴劣弧孔2c和转换

　　[0059]如图14到图19所示，所述第一楔块4包括第一楔块直边段4a、第一楔块斜边段4b、

　　第一楔块密封槽4c、第一楔块T型槽4d和第一楔块嵌入段4e，所述第一楔块4的上端面和下

　　端面均呈扇形圆环状，所述第一楔块直边段4a的内、外表面均为曲面且分别与外壳体内管

　　3c的外表面和外壳体外筒3a的内表面配合，所述第一楔块密封槽4c设于第一楔块直边段4a

　　上；所述第一楔块斜边段4b呈锥状，所述第一楔块T型槽4d设于第一楔块斜边段4b上且第一

　　楔块T型槽4d的轴线的中心轴相交；所述第二楔块5包括第二楔块斜边段5a、第二

　　楔块嵌入段5b、第二楔块台阶5c、第二楔块螺钉孔5d和第二楔块T型槽5e，所述第二楔块斜

　　边段5a呈锥状，所述第二楔块T型槽5e设于第二楔块斜边段5a上且第二楔块T型槽5e的轴线的中心轴相交；所述第一楔块嵌入段4e安装于第二楔块台阶5c上；所述第三楔块

　　6包括第三楔块斜边段6a、第三楔块直边段6b、第三楔块台阶6c、第三楔块螺钉孔6d、第三楔

　　块T型槽6e和第三楔块密封槽6f，第三楔块斜边段6a呈锥状，第三楔块T型槽6e设于第三楔

　　块斜边段6a上且第三楔块T型槽6e的轴线的中心轴相交；所述第三楔块直边段6b

　　的内、外表面均为曲面且分别与外壳体内管3c的外表面和外壳体外筒3a的内表面配合，所

　　述第三楔块密封槽6f设于第三楔块直边段6b上，所述第二楔块嵌入段5b安装于第三楔块台

　　阶6c上；所述第二楔块5的上端面设有第二楔块螺钉孔5d，所述第三楔块6的上端面设有第

　　[0060]所述第一楔块4、第二楔块5和第三楔块6在第一楔块4上方的钻井液压力下同步向

　　下滑动；所述第二楔块5和第三楔块6上端面第二楔块螺钉孔5d和第三楔块螺钉孔6d的作用

　　[0061]如图20和图21所示，所述转换器8包括转换器劣弧通孔8a、泄压孔8b和转换器密封

　　槽8c，所述泄压孔8b为“L”形通孔，泄压孔8b的数量为3个且每个泄压孔8b均与外壳体3上的

　　下径向循环孔3f连通，所述转换器劣弧通孔8a与剩余的下径向循环孔3f连通；所述转换器

　　[0062]所述转换器泄压孔8b连通外壳体3上的3个下径向循环孔3f与轴向循环孔3h，可将

　　[0063]如图22所示，偏重筒9包括中心筒体9a、偏重块9b、筒体径向通孔9c、偏重筒密封槽

　　9d和偏重筒轴承台阶9e，所述筒体径向通孔9c设于中心筒体9a上，所述筒体径向通孔9c位

　　于偏重块9b的对侧，所述偏重筒密封槽9d内设有密封圈12，所述偏重筒轴承台阶9e上设有

　　[0064]所述偏重块9b在重力作用下可在旁通环腔10内自由转动，所述偏重筒9由偏重筒

　　[0065]如图23所示，所述活塞推块14包括活塞柱体14a和T型凸块14b，所述活塞柱体14a

　　安装于活塞推块孔3d内且活塞柱体14a外壁与活塞推块孔3d内壁间设有密封圈12；所述T型

　　凸块14b与第一楔块T型槽4d或第二楔块T型槽5e或第三楔块T型槽6e配合。

　　[0066]所述活塞推块14的外表面为圆柱状，所述活塞推块14外表面圆柱直径与外壳体3

　　[0067]如图1到图23所示，当井身出现井斜且需要降斜时，在钻柱中安装所述自动垂直钻

　　井工具，钻进过程中钻井液从上部钻柱流入上接头1中，大部分钻井液从上接头主流道1a流

　　经芯轴2、转换器8、偏重筒9及下接头11，最终流向下部钻柱；当出现井斜时，所述偏重筒9在

　　重力作用下使偏重块9b始终偏向井眼低边侧而筒体径向通孔9c转向井眼高边侧，转换器8

　　与芯轴2随偏重筒9同步转动，芯轴优弧通孔2b与上接头1内部的3个上接头辅流道1b连通，

　　芯轴劣弧孔2c与外壳体3上的上径向循环孔3b连通，转换器8的泄压孔8b与外壳体3上的下

　　径向循环孔3f连通；部分高压钻井液从上接头1上的上接头辅流道1b流经芯轴优弧通孔2b

　　流到下方，作用在芯轴优弧通孔2b下方的第一楔块4的上端面，使第一楔块4、第二楔块5及

　　第三楔块6克服弹簧7的弹力向下移动，使第三楔块6下方的钻井液通过轴向循环孔3h、泄压

　　孔8b及外壳体3上的下径向循环孔3f排出，第一楔块4、第二楔块5及第三楔块6向下移动时，

　　活塞推块14的T型凸块14b在第一楔块T型槽4d、第二楔块T型槽5e及第三楔块T型槽6e内滑

　　动，使活塞推块14向外伸出，向外伸出的活塞推块14作用在井壁低边，同时井壁低边对活塞

　　推块14施加反作用力；所述活塞推块14向外伸出从而实现降斜的同时，部分高压钻井液从

　　偏重筒9上的筒体径向通孔9c流进外壳体3、转换器8、偏重筒9及下接头11组成的旁通环腔

　　10内，高压钻井液从旁通环腔10流经转换器劣弧通孔8a与外壳体3上的轴向循环孔3h作用

　　于第三楔块6下端面，第三楔块6、第二楔块5及第一楔块4在高压钻井液压力与弹簧7的恢复

　　力作用下向上移动，此时处于转换器劣弧通孔8a侧的活塞推块14的T型凸块14b在第一楔块

　　T型槽4d、第二楔块T型槽5e及第三楔块T型槽6e内滑动，活塞推块14向内收缩；在钻进过程

　　中，由上部钻柱传递的钻压和扭矩分别经上接头1、外壳体3和下接头11传递至下部钻柱。

　　[0068]以上所述具体实施方式用于说明本发明而非限制本发明的范围，任何本领域的技

　　术人员在不脱离本发明的构思和原则前提下所做出的等同变化与修改，均属于本发明系统

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