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本实用新型属于石油钻井机械领域，具体涉及一种机械导向钻井工具，主要应用于石油钻井中定向井、水平井的增斜、降斜或扭方位钻进作业，也可作为一种特殊垂直钻井工具应用于直井的防斜、降斜措施。
钻井是把地下油气资源开采到地面的必然途径。根据设计井眼轨迹形状，石油井可分为直井、定向井和水平井。
在定向井、水平井钻井方面，增斜、降斜和扭方位钻进作业统称为导向钻井，是改变井眼轨迹(包括井斜和方位)的必要手段。通常情况下，使用螺杆钻具和MWD/LWD仪器进行导向钻井，但是，定向困难、大斜度段容易形成岩屑床和出现托压等一直是工程技术人员无法解决的难题，由此导致钻井速度慢，施工周期长，作业成本高，严重时造成井下复杂事故甚至井眼报废，经济损失严重。二十世纪八十年代以来，多家国外油服公司相继研制成功旋转导向钻井工具，性能可靠，但现场服务费用昂贵。近几年，国内多家油田企业和科技院所合作开展旋转导向钻井工具研制工作，其中中石油钻井院、中海油研究院等单位研制成功并开始现场试验，但是，距商业化应用还有一段很长路要走。
在直井钻井方面，防斜和降斜是一个永恒的研究课题。早期，主要采用钻铤、偏重钻铤、异形钻铤，或者根据悬臂梁弯曲变形原理，将钻铤和稳定器组合成不同结构钻具组合进行防斜、降斜。如果效果不佳，小钻压吊打钻进，钻井速度慢，施工周期长，作业成本高。二十世纪八十年代以来，多家国外油服公司相继研制成功垂直钻井工具，性能可靠，但现场服务费用昂贵。近几年，国内多家油田企业和科技院所合作开展垂直钻井工具研制工作，其中大庆钻探钻井院、西部钻探钻井院和宝鸡石油等单位研制成功并开始现场试验。另外，胜利油田钻井院研制成功了一种机械式自动垂直钻井工具，现场试验其井斜控制精度无法满足工程要求，目前正在改进完善。
因此，在普遍使用螺杆钻具和MWD/LWD仪器进行导向钻井情况下，研制一种低成本的机械导向钻井工具替代旋转导向钻井工具解决定向井、水平井钻井方面的定向困难、岩屑床、托压等难题，同时，还可作为一种特殊垂直钻井工具解决直井钻井方面的防斜、降斜问题，提高钻井速度，降低作业成本，是一件非常有价值的事情，具有很好的经济效益和社会效益。
本实用新型的目的是提供一种机械导向钻井工具，用于完成定向井、水平井中增斜、降斜或扭方位钻进作业。实际上，可降斜的机械导向钻井工具也是一种特殊垂直钻井工具，用于直井中防斜、降斜措施。
机械导向钻井工具由上接头、冲管偏重块、外筒、下接头、泄压阀、柱塞、推板组成。
上接头上端是石油钻具螺纹母扣，用于连接石油钻具，下端是特殊螺纹公扣且与外筒连接在一起，下端内孔与冲管偏重块的冲管上端配套研磨而成，密封可靠，旋转灵活。
冲管偏重块是机械导向钻井工具的关键部件，由冲管和偏重块组成，二者即可单独加工组装成一体，也可整体加工而成。
冲管是中空、等壁厚金属管。高压泥浆从冲管内孔高速流过，高速泥浆流对冲管偏重块灵敏度不构成任何影响。冲管下端与下接头上端内孔配套研磨而成，密封可靠，旋转灵活；其次，冲管下端部分冲管设计成扇形冲管结构，其长度足够加工安装泥浆通道和泄压阀触碰开关。
偏重块根据需要可以加工成不同形状，也可选用不同材质或者多种材质组合，尽最大可能增加偏重块重量和重心偏离程度，以此提高冲管偏重块的灵敏程度。
外筒上、下端通过特殊螺纹与上接头、下接头连接，其外径与上接头、下接头本体直径相同，因此，上部钻具的钻压、扭矩和拉力通过上接头、外筒和下接头依次传递到钻头。另外，外筒内部、上接头下端面和下接头上端面共同形成一个密闭腔，保护冲管偏重块不受外部环境影响，且密闭腔内充满液压油，液压油压力3.0-4.0MPa，其值约为井底钻具内、外泥浆压差2/3，其作用是平衡冲管内、外部压差，减缓冲管上、下端密封失效，延长冲管偏重块使用寿命。
下接头上端是特殊螺纹公扣且与外筒连接在一起，下端是石油钻具螺纹母扣，用于连接钻头。下接头按照120°均布设计三个扶正棱，扶正棱最大外径略小于井眼直径。在每个扶正棱上，均加工安装有泥浆通道、泄压阀、柱塞和推板等部件。
泄压阀由触碰开关、针阀、弹簧、密封件、丝堵和泄压通道等组成，其中泄压通道与泥浆通道相连通，且泄压通道和泥浆通道在同一个方向上。
每个扶正棱设计两个柱塞，或者称之为一组柱塞，即每组两个柱塞。柱塞安装在柱塞缸内，柱塞缸底部与泥浆通道相连通。每组柱塞数量及柱塞直径大小与井下工作环境有关，例如，上部地层钻进，井底钻具内、外泥浆压差大，地层软，需要钻头侧向切削力小，因此，每组柱塞数量要少且直径相对较小；超深地层钻进，井底钻具内、外泥浆压差小，地层硬，需要钻头侧向切削力大，因此，每组柱塞的数量要多且直径相对较大。
推板是包括推板、盖板、弹簧、密封件和固定螺丝等部件的总称。其作用是柱塞在高压泥浆作用下伸出时，推动推板推靠在井壁上，所产生井壁反作用力推动钻头侧向切削地层以达到导向钻井的目的。当柱塞收回时，推板能够在弹簧作用下自动复位。
当某扶正棱泥浆通道旋转到冲管偏重块的扇形冲管缺口范围内时，泥浆通道开启，泄压阀关闭，冲管偏重块内孔中的高压泥浆经泥浆通道进入柱塞缸，柱塞伸出并推动推板推靠在井壁上，井壁反作用力推动钻头侧向切削地层导向钻井；当某扶正棱泥浆通道旋转到冲管偏重块的扇形冲管缺口范围外时，泥浆通道关闭，泄压阀开启，柱塞缸内高压泥浆经泥浆通道和泄压通道排放到井眼环空，柱塞和推板收回，不产生井壁反作用力。因此，冲管偏重块、下接头上端内孔及其侧壁上三个120°均布泥浆通道共同组成机械导向钻井工具的导向机构。
进一步说，三个120°均布泥浆通道也可设计在下接头上端内孔的底平面上。其具体位置与下接头三个120°均布扶正棱几何尺寸、柱塞缸深度、泥浆通道与泄压通道排列方式、机械加工工艺水平等因数有关，需要在设计制造过程中统筹考虑确定。
冲管偏重块的冲管中心线与井眼轴线相平行，因此，只要出现井斜，冲管中心线就一定是倾斜的，冲管偏重块在自身重力作用下绕着冲管中心线自由旋转且偏重块始终处在冲管中心线正下方。进一步说，当扇形冲管缺口方向与偏重块方向一致时，扇形冲管缺口方向也在冲管中心线正下方，机械导向钻井工具增斜导向钻井；当扇形冲管缺口方向与偏重块方向相反时，扇形冲管缺口方向在冲管中心线正上方，机械导向钻井工具降斜导向钻井；当扇形冲管缺口方向与偏重块方向垂直时，扇形冲管缺口方向在冲管中心线正左(或右)方，机械导向钻井工具扭方位导向钻井。
某扶正棱上推板持续推靠在井壁上所产生井壁反作用力时间长短与其泥浆通道旋转到冲管偏重块的扇形冲管缺口范围内时持续时间长短有关，其泥浆通道旋转到冲管偏重块的扇形冲管缺口范围内时持续时间长短又与扇形冲管的缺口角度大小有关。三个扶正棱周而复始地旋转，三个泥浆通道交替、有序地开启和关闭，因此，三个井壁反作用力间断性地、有规律地推动钻头切削同一侧地层导向钻井，且井壁反作用力方向的变化范围与扇形冲管的缺口角度一致。当且仅当扇形冲管的缺口角度正好为某一特殊角度时，三个120°均布扶正棱上泥浆通道中始终有一个或两个泥浆通道处在开启状态，另外两个或一个泥浆通道处在关闭状态，因此，高压泥浆通过泥浆通道进入柱塞缸，柱塞伸出并推动推板所产生的井壁反作用力是连续的，非间断性的，且三个井壁反作用力的矢量和方向恒在一定范围内，与扇形冲管缺口角度大小无关，连续推动钻头自动导向钻井。进一步说，三个井壁反作用力的矢量和方向就是机械导向钻井工具的工具面方向，其中，增斜钻进工具面恒在330°-30°，降斜钻进工具面恒在150°-210°，扭方位钻进工具面恒在60°-120°或240°-300°。
机械导向钻井工具所钻井眼的曲率大小，或者说，其增斜率、降斜率及扭方位井眼变化率的大小与井壁反作用力大小成正比。井壁反作用力等于推板推力，推板推力又等于每个扶正棱上的柱塞数量、柱塞底面积和高压泥浆压差三者之乘积。对于某种规格型号的机械导向钻井工具来说，柱塞数量和柱塞底面积是固定不变的，但是，其高压泥浆压差是可调的。准确地说，高压泥浆压差等于井底钻具内、外泥浆液柱压力的差值，但是，由于机械导向钻井工具距离钻头非常近，泥浆通道与钻头喷嘴之间的钻柱内泥浆压耗及泥浆通道所在井深与井底之间的井眼环空压耗均可忽略不计，因此，高压泥浆压差近似等于钻头喷嘴压降。对于带有机械导向钻井工具的钻具组合来说，除下钻前调整钻头喷嘴截面积和钻进中更换不同直径泥浆泵缸套、调整泥浆泵冲数可以间接调整高压泥浆压差外，钻进中还可以通过安装在立管上的旁通阀分流装置间接调整高压泥浆压差，从而获得满足井眼轨迹设计要求的井眼曲率。
本实用新型的有益效果是：在直井钻井时，从开钻时第一趟钻开始的每趟钻具组合中近钻头部位都安装上可降斜的机械导向钻井工具，只要出现井斜，机械导向钻井工具自动降斜钻进直至井眼恢复到垂直状态，后续钻进中再次出现井斜，机械导向钻井工具再次自动降斜钻进，循环往复地出现井斜和自动降斜钻进，把井斜始终控制在允许范围内，因此，可降斜的机械导向钻井工具就是一种特殊的垂直钻井工具。在水平段多次钻遇非储层且调整井眼轨迹后，使用螺杆钻具和MWD/LWD仪器导向钻井非常困难，甚至滑动钻进时钻具送不到井底，此时，起钻更换带有可增斜(或降斜)的机械导向钻井工具的钻具组合，转动转盘，在钻柱旋转时可顺利将钻具送到井底且机械导向钻井工具自动增斜(或降斜)钻进，达到地质导向工程师要求的井眼上调或下调井斜后，起钻更换带螺杆钻具和MWD/LWD仪器的钻具组合进行水平段复合钻进。
附图标记说明：1-上接头、2-冲管偏重块、3-外筒、4-下接头、5-泄压阀、6-柱塞、7-推板。
机械导向钻井工具由上接头(1)、冲管偏重块(2)、外筒(3)、下接头(4)、泄压阀(5)、柱塞(6)、推板(7)组成。
上接头(1)上端是石油钻具螺纹母扣，用于连接石油钻具，下端是特殊螺纹公扣且与外筒(3)连接在一起，下端内孔与冲管偏重块(2)的冲管上端配套研磨而成，密封可靠，旋转灵活。
冲管偏重块(2)是机械导向钻井工具的关键部件，由冲管和偏重块组成，二者即可单独加工组装成一体，也可整体加工而成。
冲管是中空、等壁厚金属管。高压泥浆从冲管内孔高速流过，高速泥浆流对冲管偏重块(2)灵敏度不构成任何影响。冲管下端与下接头(4)上端内孔配套研磨而成，密封可靠，旋转灵活；其次，冲管下端部分冲管设计成扇形冲管结构，其长度足够加工安装泥浆通道和泄压阀(5)触碰开关。
偏重块根据需要可以加工成不同形状，也可选用不同材质或者多种材质组合，尽最大可能增加偏重块重量和重心偏离程度，以此提高冲管偏重块(2)的灵敏程度。
外筒(3)上、下端通过特殊螺纹与上接头(1)、下接头(4)连接，其外径与上接头(1)、下接头(4)本体直径相同，因此，上部钻具的钻压、扭矩和拉力通过上接头(1)、外筒(3)和下接头(4)依次传递到钻头。另外，外筒(3)内部、上接头(1)下端面和下接头(4)上端面共同形成一个密闭腔，保护冲管偏重块(2)不受外部环境影响，且密闭腔内充满液压油，液压油压力3.0-4.0MPa，其值约为井底钻具内、外泥浆压差2/3，其作用是平衡冲管内、外部压差，减缓冲管上、下端密封失效，延长冲管偏重块(2)使用寿命。
下接头(4)上端是特殊螺纹公扣且与外筒(3)连接在一起，下端是石油钻具螺纹母扣，用于连接钻头。下接头(4)按照120°均布设计三个扶正棱，扶正棱最大外径略小于井眼直径。在每个扶正棱上，均加工安装有泥浆通道、泄压阀(5)、柱塞(6)和推板(7)等部件。
泄压阀(5)由触碰开关、针阀、弹簧、密封件、丝堵和泄压通道等组成，其中泄压通道与泥浆通道相连通，且泄压通道和泥浆通道在同一个方向上。
每个扶正棱设计两个柱塞(6)，或者称之为一组柱塞(6)，即每组两个柱塞(6)。柱塞(6)安装在柱塞缸内，柱塞缸底部与泥浆通道相连通。每组柱塞(6)数量及柱塞(6)直径大小与井下工作环境有关，例如，上部地层钻进，井底钻具内、外泥浆压差大，地层软，需要钻头侧向切削力小，因此，每组柱塞(6)数量要少且直径相对较小；超深地层钻进，井底钻具内、外泥浆压差小，地层硬，需要钻头侧向切削力大，因此，每组柱塞(6)的数量要多且直径相对较大。
推板(7)是包括推板、盖板、弹簧、密封件和固定螺丝等部件的总称。其作用是柱塞(6)在高压泥浆作用下伸出时，推动推板(7)推靠在井壁上，所产生井壁反作用力推动钻头侧向切削地层以达到导向钻井的目的。当柱塞(6)收回时，推板(7)能够在弹簧作用下自动复位。
当某扶正棱泥浆通道旋转到冲管偏重块(2)的扇形冲管缺口范围内时，泥浆通道开启，泄压阀关闭，冲管偏重块(2)内孔中的高压泥浆经泥浆通道进入柱塞缸，柱塞(6)伸出并推动推板(7)推靠在井壁上，井壁反作用力推动钻头侧向切削地层导向钻井；当某扶正棱泥浆通道旋转到冲管偏重块(2)的扇形冲管缺口范围外时，泥浆通道关闭，泄压阀开启，柱塞缸内高压泥浆经泥浆通道和泄压通道排放到井眼环空，柱塞(6)和推板(7)收回，不产生井壁反作用力。因此，冲管偏重块(2)、下接头(4)上端内孔及其侧壁上三个120°均布泥浆通道共同组成机械导向钻井工具的导向机构。
进一步说，三个120°均布泥浆通道也可设计在下接头(4)上端内孔的底平面上。其具体位置与下接头(4)三个120°均布扶正棱几何尺寸、柱塞缸深度、泥浆通道与泄压通道排列方式、机械加工工艺水平等因数有关，需要在设计制造过程中统筹考虑确定。
冲管偏重块(2)的冲管中心线与井眼轴线相平行，因此，只要出现井斜，冲管中心线就一定是倾斜的，冲管偏重块(2)在自身重力作用下绕着冲管中心线自由旋转且偏重块始终处在冲管中心线正下方。进一步说，当扇形冲管缺口方向与偏重块方向一致时，扇形冲管缺口方向也在冲管中心线正下方，机械导向钻井工具增斜导向钻井；当扇形冲管缺口方向与偏重块方向相反时，扇形冲管缺口方向在冲管中心线正上方，机械导向钻井工具降斜导向钻井；当扇形冲管缺口方向与偏重块方向垂直时，扇形冲管缺口方向在冲管中心线正左(或右)方，机械导向钻井工具扭方位导向钻井。
某扶正棱上推板(7)持续推靠在井壁上所产生井壁反作用力时间长短与其泥浆通道旋转到冲管偏重块(2)的扇形冲管缺口范围内时持续时间长短有关，其泥浆通道旋转到冲管偏重块(2)的扇形冲管缺口范围内时持续时间长短又与扇形冲管的缺口角度大小有关。三个扶正棱周而复始地旋转，三个泥浆通道交替、有序地开启和关闭，因此，三个井壁反作用力间断性地、有规律地推动钻头切削同一侧地层导向钻井，且井壁反作用力方向的变化范围与扇形冲管的缺口角度一致。当且仅当扇形冲管的缺口角度正好为某一特殊角度时，三个120°均布扶正棱上泥浆通道中始终有一个或两个泥浆通道处在开启状态，另外两个或一个泥浆通道处在关闭状态，因此，高压泥浆通过泥浆通道进入柱塞缸，柱塞(6)伸出并推动推板(7)所产生的井壁反作用力是连续的，非间断性的，且三个井壁反作用力的矢量和方向恒在一定范围内，与扇形冲管缺口角度大小无关，连续推动钻头自动导向钻井。进一步说，三个井壁反作用力的矢量和方向就是机械导向钻井工具的工具面方向，其中，增斜钻进工具面恒在330°-30°，降斜钻进工具面恒在150°-210°，扭方位钻进工具面恒在60°-120°或240°-300°。
机械导向钻井工具所钻井眼的曲率大小，或者说，其增斜率、降斜率及扭方位井眼变化率的大小与井壁反作用力大小成正比。井壁反作用力等于推板(7)推力，推板(7)推力又等于每个扶正棱上的柱塞(6)数量、柱塞(6)底面积和高压泥浆压差三者之乘积。对于某种规格型号的机械导向钻井工具来说，柱塞(6)数量和柱塞(6)底面积是固定不变的，但是，其高压泥浆压差是可调的。准确地说，高压泥浆压差等于井底钻具内、外泥浆液柱压力的差值，但是，由于机械导向钻井工具距离钻头非常近，泥浆通道与钻头喷嘴之间的钻柱内泥浆压耗及泥浆通道所在井深与井底之间的井眼环空压耗均可忽略不计，因此，高压泥浆压差近似等于钻头喷嘴压降。对于带有机械导向钻井工具的钻具组合来说，除下钻前调整钻头喷嘴截面积和钻进中更换不同直径泥浆泵缸套、调整泥浆泵冲数可以间接调整高压泥浆压差外，钻进中还可以通过安装在立管上的旁通阀分流装置间接调整高压泥浆压差，从而获得满足井眼轨迹设计要求的井眼曲率。
在直井钻井时，从开钻时第一趟钻开始的每趟钻具组合中近钻头部位都安装上可降斜的机械导向钻井工具，只要出现井斜，机械导向钻井工具自动降斜钻进直至井眼恢复到垂直状态，后续钻进中再次出现井斜，机械导向钻井工具再次自动降斜钻进，循环往复地出现井斜和自动降斜钻进，把井斜始终控制在允许范围内，因此，可降斜的机械导向钻井工具就是一种特殊的垂直钻井工具。
在水平段多次钻遇非储层且调整井眼轨迹后，使用螺杆钻具和MWD/LWD仪器导向钻井非常困难，甚至滑动钻进时钻具送不到井底，此时，起钻更换带有可增斜(或降斜)的机械导向钻井工具的钻具组合，转动转盘，在钻柱旋转时可顺利将钻具送到井底且机械导向钻井工具自动增斜(或降斜)钻进，达到地质导向工程师要求的井眼上调或下调井斜后，起钻更换带螺杆钻具和MWD/LWD仪器的钻具组合进行水平段复合钻进。
以上对本实用新型的说明仅是优选范例，并不能被理解为对本实用新型技术方案内容的限制。以上内容在具体应用中，技术人员有可能需要根据具体情况作个别调整和改变，所述调整和改变均应落入本实用新型所附权利要求的保护范围之中。
