本发明涉及地质钻探设备技术领域，特别是涉及一种用于自动垂直钻井工具的机械式增力稳定平台。
背景技术：
目前，钻探工程作为资源和环境勘探的重要手段，其研究领域正从传统的地表延伸到极地、海洋以及地球深部、海洋底部。深部钻探将是地球深部探测的重要手段，也是获得地球深部实物的唯一方法，然而在深部钻探过程中，如何保持井眼垂直是一大难题，井斜的问题将直接制约钻进速度和钻孔质量，甚至是整个钻探工程的成败。
自动垂直钻井工具的出现，为防斜纠斜带来了重大技术突破，可实现井下主动防斜纠斜，不需要人为干预而自动跟踪预定的井眼轨迹，可以成功解决高陡构造、大倾角复杂地层的防斜纠斜难题，在保证井眼质量的同时，释放钻压，提高机械钻速。
稳定平台作为自动垂直钻井工具的“大脑”，其作用是控制垂钻工具实现测斜与纠斜，其性能直接影响着垂钻工具的纠斜精度。
按照稳定平台的结构，可将垂钻工具稳定平台分为机械式和电控式。前者采用钟摆总成或偏重机构所受的重力或重力产生的偏心矩监测井斜并带动机械阀门控制下部执行机构的动作。电控式则采用高精度的传感器(三轴加速度计、磁通门)监控井斜并通过电磁阀或电机带动盘阀对执行机构进行控制。机械式稳定平台结构设计简单，不含电子元件，降低了钻具对密封的要求，设计、制造及后期维护成本低，可靠性高，耐高温能力强，能够承受更大的振动与冲击，故主要应用在深部高温高压钻探环境中。
机械式稳定平台通过偏重块在重力作用下向井眼低边方位转动并停驻，从而实现对井斜的感应，并控制下部执行机构推靠井眼高边方位井壁进行纠斜。垂钻工具在井下工作时，下盘阀随钻头旋转，由于稳定平台上盘阀在泥浆压力下与下盘阀紧密贴合，导致与上盘阀周向固定的偏重块同时受到摩擦力矩的干扰，从而不能停驻在理想井眼低边方位，其停驻位置与理想井眼低边方位存在临界偏转角，该临界偏转角大小代表了垂钻工具的纠斜精度。在同样的井斜条件下，临界偏转角越小，工具纠斜精度越高。当摩擦力矩与偏重块材质一定时，临界偏转角的大小与偏重块的结构密切相关，偏重块半径越大，长度越长，偏重块产生的偏重扭矩越大，临界偏转角越小。地质钻探井眼直径普遍较小，受工具尺寸影响，偏重块半径及长度较小，导致偏重块在较小井斜下临界偏转角过大甚至于失稳而发生单向旋转，从而致使垂钻工具降低或丧失纠斜能力。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于自动垂直钻井工具的机械式增力稳定平台，通过增力方式对稳定平台进行相应的误差补偿，以降低工具纠斜误差，提升工具纠斜精度，满足地质钻探垂直钻井需求。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种用于自动垂直钻井工具的机械式增力稳定平台，包括外壳，所述外壳内自下而上依次设置有与所述外壳转动连接的下偏重块、压力补偿结构和调节结构，所述调节结构包括内筒阀和套设在所述内筒阀外侧并与所述内筒阀转动连接的外筒阀，所述外筒阀外侧设置有驱动结构，所述下偏重块、所述压力补偿结构和所述外筒阀依次固定连接，上偏重块和所述内筒阀固定连接，所述上偏重块和所述压力补偿结构转动连接，所述调节结构用于调节所述上偏重块与所述下偏重块的偏转角度。
优选的，所述下偏重块的下端连接有上盘阀，所述上盘阀用于与执行机构相连，所述上盘阀的上端伸入所述下偏重块的下端，所述上盘阀的上端与所述下偏重块之间设置有第一弹性元件。
优选的，所述压力补偿结构与所述下偏重块通过传动轴连接，所述传动轴的下端与所述下偏重块之间设置有第二弹性元件，所述传动轴的上端与所述压力补偿结构之间设置有第三弹性元件。
优选的，所述压力补偿结构包括压力补偿主体，所述压力补偿主体的上端连接有压力补偿外壳，所述上偏重块位于所述压力补偿外壳中且与所述压力补偿外壳转动连接，所述压力补偿外壳的上端与所述外筒阀固定连接，所述压力补偿主体上开设有注油孔，所述注油孔通过油道与所述上偏重块、所述压力补偿外壳和所述压力补偿主体形成的密闭空间连通。
优选的，所述压力补偿主体内设置有压力维持结构，所述压力维持结构包括设置在所述压力补偿主体内部凹槽中的第一弹簧和活塞，所述第一弹簧的一端与所述压力补偿主体触接，所述第一弹簧的另一端与所述活塞触接，所述压力补偿主体开设有平衡压力孔，所述平衡压力孔与所述第一弹簧一侧的所述凹槽连通，所述活塞一侧的所述凹槽与所述油道连通。
优选的，所述驱动结构为涡轮。
优选的，所述内筒阀上开设有若干内筒阀上分流孔和若干内筒阀下分流孔，所述内筒阀上分流孔位于所述内筒阀下分流孔的上方，若干所述内筒阀上分流孔和若干所述内筒阀下分流孔均沿所述内筒阀的周向均匀设置，所述内筒阀上分流孔和所述内筒阀下分流孔沿所述内筒阀的周向错位设置；
所述外筒阀上开设有若干外筒阀上分流孔和若干外筒阀下分流孔，所述外筒阀上分流孔位于所述外筒阀下分流孔的上方，若干所述外筒阀上分流孔和若干所述外筒阀下分流孔均沿所述外筒阀的周向均匀设置，所述外筒阀上分流孔和所述外筒阀下分流孔沿所述外筒阀的周向错位设置；
所述内筒阀上分流孔和所述外筒阀上分流孔位于同一高度，所述内筒阀下分流孔和所述外筒阀下分流孔位于同一高度；所述内筒阀上分流孔、所述内筒阀下分流孔、所述外筒阀上分流孔和所述外筒阀下分流孔的数量相同。
优选的，所述调节结构上还设置有限位结构，所述限位结构包括设置在所述内筒阀上的环槽和设置在所述外筒阀上的螺栓，所述螺栓伸入所述环槽中。
优选的，所述外壳的上端连接有上接头，所述上接头用于与钻铤相连，所述上接头内设置有分流结构，所述分流结构包括上分流头支座，所述上分流头支座与所述上接头固定连接，所述上分流头支座上开设有若干上分流头支座通孔，所述上分流头支座下端设置有上分流头，所述上分流头上开设有若干上分流头通孔，所述上分流头通孔的两端分别与所述上分流头支座通孔和所述内筒阀的空腔连通。
优选的，所述上分流头支座与所述上分流头之间设置有支撑结构，所述支撑结构包括自上而下依次设置的第三弹簧、复合片支座、上聚晶金刚石复合片和下聚晶金刚石复合片。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明采用双偏重块(上偏重块和下偏重块)对下偏重块下端的上盘阀进行控制，采用受干扰较小的上偏重块对受干扰较大的下偏重块进行控制，上偏重块和下偏重块的相对位置可通过内筒阀、外筒阀及驱动结构实现井下闭环调整，控制精度较高；本发明可应用于小直径垂直钻井工具，在工具直径及长度受控的基础上通过增力方式对稳定平台进行相应的误差补偿，以此降低工具纠斜误差，提升工具纠斜精度，满足地质钻探小直径垂直钻井需求；亦可应用于油气钻井所需的大直径垂直钻井工具，进一步提升工具纠斜性能；本发明通过纯机械结构提升工具纠斜性能，未采用任何电子元件，结构简单，耐温耐压与耐振能力强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的用于自动垂直钻井工具的机械式增力稳定平台示意图；
其中：1.外壳；2.上盘阀；3.第一连接键；4.第一轴套；5.第一轴承支座；6.第一弹性元件；7.下偏重块；8.第二弹性元件；9.第二轴承支座；10.第二轴套；11.第二连接键；12.传动轴；13.第三连接键；14.第三轴承支座；15.第三轴套；16.第三弹性元件；17.第一弹簧；18.活塞；19.压力补偿主体；20.注油孔；21.第一钢球；22.第二弹簧；23.第一密封圈；24.钢球支座；25.第二钢球；26.第四轴承支座；27.第一球轴承；28.压力补偿外壳；29.上偏重块；30.第五轴承支座；31.第二球轴承；32.第二密封圈；33.第三密封圈；34.第四连接键；35.内筒阀；36.螺栓；37.环槽；38.外筒阀；39.内筒阀下分流孔；40.外筒阀下分流孔；41.第六轴承支座；42.第四轴套；43.涡轮；44.外筒阀上分流孔；45.内筒阀上分流孔；46.上分流头；47.上分流头通孔；48.下聚晶金刚石复合片；49.上聚晶金刚石复合片；50.复合片支座；51.上分流头支座；52.上分流头支座通孔；53.第三弹簧；54.上接头。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种用于自动垂直钻井工具的机械式增力稳定平台，通过增力方式对稳定平台进行相应的误差补偿，以降低工具纠斜误差，提升工具纠斜精度，满足地质钻探垂直钻井需求。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示：本实施例提供了一种用于自动垂直钻井工具的机械式增力稳定平台，包括外壳1，外壳1内自下而上依次设置有与外壳1转动连接的下偏重块7、压力补偿结构和调节结构，调节结构包括内筒阀35和套设在内筒阀35外侧并与内筒阀35转动连接的外筒阀38，外筒阀38外侧设置有驱动结构，下偏重块7、压力补偿结构和外筒阀38依次固定连接，上偏重块29和内筒阀35固定连接，上偏重块29和压力补偿结构转动连接，调节结构用于调节上偏重块29与下偏重块7的偏转角度。
具体地，本实施例中，下偏重块7的下端连接有上盘阀2，上盘阀2用于与执行机构相连，上盘阀2的上端伸入下偏重块7的下端并通过第一连接键3与下偏重块7周向连接，上盘阀2的上端与下偏重块7之间设置有第一弹性元件6。
本实施例中，下偏重块7的下端套设有第一轴套4，第一轴套4通过第一轴承支座5与外壳1连接，下偏重块7的上端套设有第二轴套10，第二轴套10通过第二轴承支座9与外壳1连接。
本实施例中，压力补偿结构与下偏重块7通过传动轴12连接，传动轴12的下端伸入下偏重块7的上端并通过第二连接键11与下偏重块7周向连接，传动轴12的上端伸入压力补偿结构的下端并通过第三连接键13与压力补偿结构周向连接，传动轴12的下端与下偏重块7之间设置有第二弹性元件8，传动轴12的上端与压力补偿结构之间设置有第三弹性元件16。
本实施例中，压力补偿结构包括压力补偿主体19，压力补偿主体19的下端套设有第三轴套15，第三轴套15通过第三轴承支座14与外壳1连接，压力补偿主体19的上端连接有压力补偿外壳28，压力补偿主体19与压力补偿外壳28之间设置有第一密封圈23，上偏重块29位于压力补偿外壳28中且与压力补偿外壳28转动连接，压力补偿外壳28的上端与外筒阀38固定连接，压力补偿主体19上开设有注油孔20，注油孔20通过油道与上偏重块29、压力补偿外壳28和压力补偿主体19形成的密闭空间连通，油道内设置有第一钢球21和第二弹簧22，润滑油通过注油孔20推动第一钢球21进入油道，进而进入上偏重块29、压力补偿外壳28、压力补偿主体19和第五轴承支座30形成的密闭空间，用以润滑内部轴承，提升上偏重块29灵敏度，润滑油充入完毕后，第二弹簧22伸张压缩第一钢球21封闭油道。油道中还设置有第二钢球25，第二钢球25位于上偏重块29与压力补偿主体19之间，第二钢球25设置在压力补偿主体19中的钢球支座24上，对上偏重块29形成轴向的阻推。
本实施例中，压力补偿主体19内设置有压力维持结构，压力维持结构包括设置在压力补偿主体19内部凹槽中的第一弹簧17和活塞18，第一弹簧17的一端与压力补偿主体19触接，第一弹簧17的另一端与活塞18触接，压力补偿主体19开设有平衡压力孔，平衡压力孔与第一弹簧17一侧的凹槽连通，活塞18一侧的凹槽与油道连通。平衡压力孔用于平衡压力补偿主体19内部和外部的压力，第一弹簧17压缩推动活塞18使压力补偿主体19内部润滑油压力始终大于外部钻井液压力，防止钻井液流入压力补偿主体19内部。
本实施例中，驱动结构为涡轮43。
本实施例中，上偏重块29的上端伸入内筒阀35的下端并通过第四连接键34与内筒阀35周向连接，上偏重块29的下端套设有第一球轴承27，第一球轴承27与压力补偿外壳28通过第四轴承支座26连接，上偏重块29的上端套设有第二球轴承31，第二球轴承31与压力补偿外壳28通过第五轴承支座30连接，第五轴承支座30与压力补偿外壳28之间设置有第二密封圈32，第五轴承支座30与上偏重块29之间设置有第三密封圈33。
本实施例中，第一轴承支座5、第二轴承支座9、第三轴承支座14、第四轴承支座26和第五轴承支座30上设置有通孔，钻井液通过通孔向下排出。
本实施例中，内筒阀35上开设有若干内筒阀上分流孔45和若干内筒阀下分流孔39，内筒阀上分流孔45位于内筒阀下分流孔39的上方，若干内筒阀上分流孔45和若干内筒阀下分流孔39均沿内筒阀35的周向均匀设置，内筒阀上分流孔45和内筒阀下分流孔39沿内筒阀35的周向错位设置；
外筒阀38上开设有若干外筒阀上分流孔44和若干外筒阀下分流孔40，外筒阀上分流孔44位于外筒阀下分流孔40的上方，若干外筒阀上分流孔44和若干外筒阀下分流孔40均沿外筒阀38的周向均匀设置，外筒阀上分流孔44和外筒阀下分流孔40沿外筒阀38的周向错位设置；
内筒阀上分流孔45和外筒阀上分流孔44位于同一高度，内筒阀下分流孔39和外筒阀下分流孔40位于同一高度；内筒阀上分流孔45、内筒阀下分流孔39、外筒阀上分流孔44和外筒阀下分流孔40的数量相同，本实施例中，内筒阀上分流孔45、内筒阀下分流孔39、外筒阀上分流孔44和外筒阀下分流孔40均为四个。
本实施例中，外筒阀38的外侧套设有第四轴套42，第四轴套42与外壳1通过第六轴承支座41转动连接。
本实施例中，调节结构上还设置有限位结构，限位结构包括设置在内筒阀35下部的环槽37和设置在外筒阀38下部的螺栓36，螺栓36伸入环槽37中，环槽37对应的圆心角约为15°，螺栓36可与环槽37配合限制外筒阀38与内筒阀35的最大位置差，环槽37、内筒阀上分流孔45、内筒阀下分流孔39、外筒阀上分流孔44和外筒阀下分流孔40的尺寸设置避免外筒阀38与内筒阀35交汇形成的上导流孔和下导流孔同时关闭的情况发生。
本实施例中，外壳1的上端连接有上接头54，上接头54用于与钻铤相连，上接头54内设置有分流结构，分流结构包括上分流头支座51，上分流头支座51与上接头54固定连接，上分流头支座51上开设有若干上分流头支座通孔52，上分流头支座51下端设置有上分流头46，上分流头46上开设有若干上分流头通孔47，上分流头通孔47的两端分别与上分流头支座通孔52和内筒阀35的空腔连通。
本实施例中，上分流头支座51与上分流头46之间设置有支撑结构，支撑结构包括自上而下依次设置的第三弹簧53、复合片支座50、上聚晶金刚石复合片49和下聚晶金刚石复合片48，第三弹簧53的一端与上分流头支座51触接，第三弹簧53的另一端与复合片支座50触接。
本实施例通过上接头54与钻铤相连，下部的上盘阀2与执行机构的下盘阀相连。本实施例下井前，将润滑油由注油孔20注入压力补偿主体19、压力补偿外壳28与第五轴承支座30形成的密闭空间。钻具在井下工作时，钻井液由上接头54、上分流头支座通孔52、上分流头通孔47进入内筒阀35中心的柱形空间，当井斜发生时，上偏重块29由于受干扰较小，将会停驻于理想井眼低边方位，下偏重块7受上盘阀2与下盘阀间的摩擦力矩影响，其停驻位置与理想井眼低边方位存在一临界偏转角，由于外筒阀38通过压力补偿外壳28、压力补偿主体19、传动轴12与下偏重块7周向固定，内筒阀35与上偏重块29周向固定，下偏重块7与上偏重块29的周向位置差使外筒阀上分流孔44与内筒阀上分流孔45的交汇面积增大，外筒阀下分流孔40与内筒阀下分流孔39的交汇面积减小，此时，小部分位于内筒阀35中心柱状空间内的钻井液将通过外筒阀下分流孔40与内筒阀下分流孔39交汇形成的下导流孔进入外壳1与压力补偿外壳28间的环空并向下排出，大部分位于内筒阀35中心柱状空间内的钻井液将通过外筒阀上分流孔44与内筒阀上分流孔45交汇形成的上导流孔进入外壳1与外筒阀38间的环形空间，从而推动涡轮43，使下偏重块7朝向上偏重块29停驻的理想井眼低边方位旋转，以此减小下偏重块7与上偏重块29之间的周向位置差，随着下偏重块7的转动，外筒阀上分流孔44与内筒阀上分流孔45的交汇面积逐渐减小，外筒阀下分流孔40与内筒阀下分流孔39的交汇面积逐渐增大，流经外筒阀上分流孔44与内筒阀上分流孔45交汇形成的上导流孔的钻井液逐渐减少，涡轮43产生的扭矩逐渐变小，当涡轮43扭矩、偏心力矩与摩擦力矩达到平衡时，下偏重块7即可达到稳定的停驻状态。
本实施例采用双偏重块(上偏重块29和下偏重块7)对下偏重块7下端的上盘阀2进行控制，采用受干扰较小的上偏重块29对受干扰较大的下偏重块7进行控制，上偏重块29和下偏重块7的相对位置可通过内筒阀35、外筒阀38及驱动结构实现井下闭环调整，控制精度较高；本实施例可应用于小直径垂直钻井工具，在工具直径及长度受控的基础上通过增力方式对稳定平台进行相应的误差补偿，以此降低工具纠斜误差，提升工具纠斜精度，满足地质钻探小直径垂直钻井需求；亦可应用于油气钻井所需的大直径垂直钻井工具，进一步提升工具纠斜性能；本实施例通过纯机械结构提升工具纠斜性能，未采用任何电子元件，结构简单，耐温耐压与耐振能力强。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
1.一种用于自动垂直钻井工具的机械式增力稳定平台，其特征在于：包括外壳，所述外壳内自下而上依次设置有与所述外壳转动连接的下偏重块、压力补偿结构和调节结构，所述调节结构包括内筒阀和套设在所述内筒阀外侧并与所述内筒阀转动连接的外筒阀，所述外筒阀外侧设置有驱动结构，所述下偏重块、所述压力补偿结构和所述外筒阀依次固定连接，上偏重块和所述内筒阀固定连接，所述上偏重块和所述压力补偿结构转动连接，所述调节结构用于调节所述上偏重块与所述下偏重块的偏转角度。
2.根据权利要求1所述的用于自动垂直钻井工具的机械式增力稳定平台，其特征在于：所述下偏重块的下端连接有上盘阀，所述上盘阀用于与执行机构相连，所述上盘阀的上端伸入所述下偏重块的下端，所述上盘阀的上端与所述下偏重块之间设置有第一弹性元件。
3.根据权利要求1所述的用于自动垂直钻井工具的机械式增力稳定平台，其特征在于：所述压力补偿结构与所述下偏重块通过传动轴连接，所述传动轴的下端与所述下偏重块之间设置有第二弹性元件，所述传动轴的上端与所述压力补偿结构之间设置有第三弹性元件。
4.根据权利要求1所述的用于自动垂直钻井工具的机械式增力稳定平台，其特征在于：所述压力补偿结构包括压力补偿主体，所述压力补偿主体的上端连接有压力补偿外壳，所述上偏重块位于所述压力补偿外壳中且与所述压力补偿外壳转动连接，所述压力补偿外壳的上端与所述外筒阀固定连接，所述压力补偿主体上开设有注油孔，所述注油孔通过油道与所述上偏重块、所述压力补偿外壳和所述压力补偿主体形成的密闭空间连通。
5.根据权利要求4所述的用于自动垂直钻井工具的机械式增力稳定平台，其特征在于：所述压力补偿主体内设置有压力维持结构，所述压力维持结构包括设置在所述压力补偿主体内部凹槽中的第一弹簧和活塞，所述第一弹簧的一端与所述压力补偿主体触接，所述第一弹簧的另一端与所述活塞触接，所述压力补偿主体开设有平衡压力孔，所述平衡压力孔与所述第一弹簧一侧的所述凹槽连通，所述活塞一侧的所述凹槽与所述油道连通。
6.根据权利要求1所述的用于自动垂直钻井工具的机械式增力稳定平台，其特征在于：所述驱动结构为涡轮。
7.根据权利要求1所述的用于自动垂直钻井工具的机械式增力稳定平台，其特征在于：所述内筒阀上开设有若干内筒阀上分流孔和若干内筒阀下分流孔，所述内筒阀上分流孔位于所述内筒阀下分流孔的上方，若干所述内筒阀上分流孔和若干所述内筒阀下分流孔均沿所述内筒阀的周向均匀设置，所述内筒阀上分流孔和所述内筒阀下分流孔沿所述内筒阀的周向错位设置；
所述外筒阀上开设有若干外筒阀上分流孔和若干外筒阀下分流孔，所述外筒阀上分流孔位于所述外筒阀下分流孔的上方，若干所述外筒阀上分流孔和若干所述外筒阀下分流孔均沿所述外筒阀的周向均匀设置，所述外筒阀上分流孔和所述外筒阀下分流孔沿所述外筒阀的周向错位设置；
所述内筒阀上分流孔和所述外筒阀上分流孔位于同一高度，所述内筒阀下分流孔和所述外筒阀下分流孔位于同一高度；所述内筒阀上分流孔、所述内筒阀下分流孔、所述外筒阀上分流孔和所述外筒阀下分流孔的数量相同。
8.根据权利要求1所述的用于自动垂直钻井工具的机械式增力稳定平台，其特征在于：所述调节结构上还设置有限位结构，所述限位结构包括设置在所述内筒阀上的环槽和设置在所述外筒阀上的螺栓，所述螺栓伸入所述环槽中。
9.根据权利要求1所述的用于自动垂直钻井工具的机械式增力稳定平台，其特征在于：所述外壳的上端连接有上接头，所述上接头用于与钻铤相连，所述上接头内设置有分流结构，所述分流结构包括上分流头支座，所述上分流头支座与所述上接头固定连接，所述上分流头支座上开设有若干上分流头支座通孔，所述上分流头支座下端设置有上分流头，所述上分流头上开设有若干上分流头通孔，所述上分流头通孔的两端分别与所述上分流头支座通孔和所述内筒阀的空腔连通。
10.根据权利要求9所述的用于自动垂直钻井工具的机械式增力稳定平台，其特征在于：所述上分流头支座与所述上分流头之间设置有支撑结构，所述支撑结构包括自上而下依次设置的第三弹簧、复合片支座、上聚晶金刚石复合片和下聚晶金刚石复合片。
技术总结