本發(fā)明專利屬于礦場鉆井機(jī)械領(lǐng)域，具體涉及一種工具面控制范圍恒為60°的導(dǎo)向裝置，主要用于研制地質(zhì)、石油和煤炭等各種礦藏導(dǎo)向鉆井工具，包括垂直鉆井工具和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具。

背景技術(shù)：

鉆井是發(fā)現(xiàn)或開采地下礦藏資源的必然途徑。根據(jù)設(shè)計(jì)井眼軌跡不同，礦藏井可劃分成直井、定向井(或斜井)和水平井。

為確保實(shí)鉆井眼軌跡沿著設(shè)計(jì)井眼軌跡鉆進(jìn)，必須按照設(shè)計(jì)測斜井深或測斜間距測斜，并計(jì)算出實(shí)鉆井眼空間參數(shù)。如果實(shí)鉆井眼軌跡偏離設(shè)計(jì)井眼軌跡，那么，就要利用特種鉆井工具(例如彎螺桿鉆具，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具等)調(diào)整井眼軌跡或改變井眼空間鉆進(jìn)方向，使其回到設(shè)計(jì)井眼軌跡控制范圍內(nèi)。在鉆井術(shù)語中，把利用特種鉆井工具調(diào)整井眼軌跡的方法稱之為定向，井眼軌跡所在平面上傾方向稱之為井眼高邊，特種鉆井工具所在平面稱之為工具面，二者之間夾角稱之為裝置角。工具面等于井眼高邊與裝置角二者之和，裝置角不同，定向鉆進(jìn)結(jié)果迥異。當(dāng)裝置角0°時(shí)，增井斜鉆進(jìn)；當(dāng)裝置角90°時(shí)，增方位鉆進(jìn)；當(dāng)裝置角180°時(shí)，降井斜鉆進(jìn)；當(dāng)裝置角270°時(shí)，減方位鉆進(jìn)；當(dāng)裝置角介于任意二者之間時(shí)，增(或降)井斜和/或增(或減)方位鉆進(jìn)。

通常情況下，當(dāng)井斜角＜3°時(shí)，采用磁性高邊定向法；當(dāng)井斜角≥3°時(shí)，采用重力高邊定向法。所謂重力高邊定向法，就是井眼軌跡所在鉛垂平面上傾方向?yàn)榫壑亓Ω哌?，表示?°，因此，簡單地認(rèn)為工具面就是裝置角，可直接按照工具面定向鉆進(jìn)。當(dāng)工具面0°時(shí)，增井斜鉆進(jìn)；當(dāng)工具面90°時(shí)，增方位鉆進(jìn)；當(dāng)工具面180°時(shí)，降井斜鉆進(jìn)；當(dāng)工具面270°時(shí)，減方位鉆進(jìn)；當(dāng)工具面介于任意二者之間時(shí)，增(或降)井斜和/或增(或減)方位鉆進(jìn)。

目前，國外油服公司擁有成熟的垂直鉆井工具和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具，租賃服務(wù)費(fèi)用昂貴。國內(nèi)多家科技院校和油田企業(yè)尚處在研制過程中，至今未商業(yè)化推廣應(yīng)用?，F(xiàn)有垂直鉆井工具和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具主要由控制端和液壓端組成，其中，控制端包括電源或自發(fā)電系統(tǒng)、電子或陀螺井斜測量裝置、地面指令信號接收及反饋確認(rèn)裝置、工具面數(shù)據(jù)處理及控制集成電路、伺服電機(jī)和液壓油泵等，除垂直鉆井工具預(yù)置工具面180°外，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具需要根據(jù)地面指令信號和最新測斜數(shù)據(jù)不斷更新工具面；液壓端通常120°均布設(shè)計(jì)三個(gè)扶正棱，每個(gè)扶正棱上均加工安裝有液壓油腔室、液壓油通道、溢流閥、柱塞缸、柱塞、推板和壓板等，且三個(gè)推板在控制端操縱下有序伸出或收回，迫使垂直鉆井工具或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具按照特定工具面導(dǎo)向鉆進(jìn)。

為確保垂直鉆井工具或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具持續(xù)高效導(dǎo)向鉆進(jìn)，除預(yù)置或通過地面指令信號給定工具面外，各油服公司還設(shè)置有50°-70°工具面控制范圍，當(dāng)垂直鉆井工具或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具某推板旋轉(zhuǎn)進(jìn)工具面控制范圍時(shí)，工具面數(shù)據(jù)處理及控制集成電路打開伺服電機(jī)電源，驅(qū)動液壓油泵給柱塞缸供油，柱塞伸出，推動推板支撐在井壁上，當(dāng)某推板旋轉(zhuǎn)出工具面控制范圍時(shí)，關(guān)閉伺服電機(jī)電源，推板被井壁擠壓收回。工具面控制范圍因油服公司不同而大小不等，因此，作用在垂直鉆井工具或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具上井壁反作用力持續(xù)時(shí)間也不同。另外，現(xiàn)有垂直鉆井工具或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具必須與井斜測量裝置組合使用，工具面數(shù)據(jù)處理及控制集成電路通過最新測斜數(shù)據(jù)不斷處理更新工具面。

本發(fā)明專利提出了一種工具面控制范圍恒為60°的導(dǎo)向裝置，其導(dǎo)向機(jī)理與現(xiàn)有垂直鉆井工具或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具截然不同，操作簡單，有助于研制成功多種新型礦藏導(dǎo)向鉆井工具。

發(fā)明專利內(nèi)容

本發(fā)明專利的目的是提供一種工具面控制范圍恒為60°的導(dǎo)向裝置，主要用于研制地質(zhì)、石油和煤炭等各種礦藏導(dǎo)向鉆井工具，包括垂直鉆井工具和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具。

本發(fā)明專利采用如下具體技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

工具面控制范圍恒為60°的導(dǎo)向裝置主要由圓環(huán)軌道面、控制開關(guān)、半圓控制環(huán)和重力驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成。

圓環(huán)軌道面是礦藏導(dǎo)向鉆井工具中液壓端上端面。沿礦藏導(dǎo)向鉆井工具傳動軸自上而下觀察，圓環(huán)軌道面就是液壓端頂部圓環(huán)形平面。

控制開關(guān)加工安裝在圓環(huán)軌道面上，且三個(gè)控制開關(guān)呈120°均布。

控制開關(guān)可以是液體通道，直接連通液體腔室和柱塞缸；也可以是電子觸碰開關(guān)，通過電子觸碰開關(guān)、伺服電機(jī)和液壓油泵間接連通液體腔室和柱塞缸。

半圓控制環(huán)放置在圓環(huán)軌道面上，且技術(shù)參數(shù)與圓環(huán)軌道面相匹配。當(dāng)控制開關(guān)為液體通道時(shí)，半圓控制環(huán)和圓環(huán)軌道面接觸面需配套研磨，確保密封承壓。

所述重力驅(qū)動機(jī)構(gòu)可以是金屬球，可以是偏重塊、圓形金屬管和半圓金屬管組合體，甚至可以是偏重塊、電機(jī)、齒輪、圓形金屬管和半圓盤組成的復(fù)雜組合體。

圓環(huán)軌道面通過液壓端中心孔安裝在礦藏導(dǎo)向鉆井工具傳動軸上，二者之間相互旋轉(zhuǎn)，且圓環(huán)軌道面與傳動軸垂直，傳動軸與井眼軸線平行，由此可知，圓環(huán)軌道面與井眼軸線也垂直。由于所鉆井眼都是傾斜的，因此，圓環(huán)軌道面一定是斜平面。重力驅(qū)動機(jī)構(gòu)中金屬球或偏重塊利用自身重力作用始終處在圓環(huán)軌道面最低處，并通過其他聯(lián)動部件驅(qū)動半圓控制環(huán)處在圓環(huán)軌道面某特定位置。

當(dāng)半圓控制環(huán)位于圓環(huán)軌道面下半圓位置時(shí)，三個(gè)控制開關(guān)中始終有一個(gè)或兩個(gè)控制開關(guān)處在上半圓軌道面，另外兩個(gè)或一個(gè)控制開關(guān)處在下半圓軌道面且被半圓控制環(huán)所遮蓋。當(dāng)液體腔室內(nèi)液體在高壓作用下通過控制開關(guān)流向液壓端柱塞缸時(shí)，處在上半圓軌道面控制開關(guān)處于開啟狀態(tài)，高壓液體順利注入到與此相對應(yīng)柱塞缸內(nèi)，柱塞伸出，推動推板支撐在井壁上，所產(chǎn)生井壁反作用力是非零向量；處在下半圓軌道面控制開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，高壓液體無法注入到與此相對應(yīng)柱塞缸內(nèi)，推板無法伸出，所產(chǎn)生井壁反作用力是零向量。通過圓環(huán)軌道面上三個(gè)控制開關(guān)高壓液體所對應(yīng)產(chǎn)生三個(gè)井壁反作用力中，始終有一個(gè)或兩個(gè)井壁反作用力是非零向量，另外兩個(gè)或一個(gè)井壁反作用力是零向量，一個(gè)非零井壁反作用力方向或兩個(gè)非零井壁反作用力矢量和方向恒在150°-210°，或者說，工具面恒在150°-210°。進(jìn)一步說，當(dāng)半圓控制環(huán)位于圓環(huán)軌道面下半圓位置時(shí)，工具面恒為180°，工具面控制范圍恒為±30°或60°，礦藏導(dǎo)向鉆井工具降井斜鉆進(jìn)。

同理，當(dāng)半圓控制環(huán)位于圓環(huán)軌道面上半圓位置時(shí)，工具面恒為0°，工具面控制范圍恒為±30°或60°，礦場導(dǎo)向鉆井工具增井斜鉆進(jìn)；當(dāng)半圓控制環(huán)位于圓環(huán)軌道面左半圓位置時(shí)，工具面恒為270°，工具面控制范圍恒為±30°或60°，礦藏導(dǎo)向鉆井工具減方位鉆進(jìn)；當(dāng)半圓控制環(huán)位于圓環(huán)軌道面右半圓位置時(shí)，工具面恒為90°，工具面控制范圍恒為±30°或60°，礦藏導(dǎo)向鉆井工具增方位鉆進(jìn)；當(dāng)半圓控制環(huán)位于圓環(huán)軌道面某特定位置時(shí)，工具面恒為半圓控制環(huán)所在位置方位，工具面控制范圍恒為±30°或60°，礦藏導(dǎo)向鉆井工具增(或降)井斜和/或增(或減)方位鉆進(jìn)。

與現(xiàn)有垂直鉆井工具和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具相比，圓環(huán)軌道面及其三個(gè)120°均布控制開關(guān)、半圓控制環(huán)相互作用，使通過圓環(huán)軌道面上三個(gè)控制開關(guān)高壓液體所對應(yīng)產(chǎn)生三個(gè)井壁反作用力中，始終有一個(gè)或兩個(gè)井壁反作用力是非零向量，不僅工具面控制范圍恒為±30°或60°，而且井壁反作用力大小恒定，持續(xù)不斷，連續(xù)導(dǎo)向鉆進(jìn)；其次，重力驅(qū)動機(jī)構(gòu)中金屬球或偏重塊利用自身重力作用始終處在圓環(huán)軌道面最低處，無需借助電子或陀螺井斜測量裝置，自動識別井眼重力高邊，獨(dú)立導(dǎo)向鉆進(jìn)。

本發(fā)明專利的有益效果是：利用工具面控制范圍恒為60°的導(dǎo)向裝置可研制一種機(jī)械垂直鉆井工具。機(jī)械垂直鉆井工具液壓端三個(gè)柱塞缸液體通道向上延伸到液壓端上端面，三個(gè)液體通道在上端面呈120°均布，上端面放置有金屬球和半圓密封環(huán)，金屬球驅(qū)動半圓密封環(huán)移動。對比可知，液壓端上端面相當(dāng)于圓環(huán)軌道面，液體通道相當(dāng)于控制開關(guān)，半圓密封環(huán)相當(dāng)于半圓控制環(huán)，金屬球相當(dāng)于重力驅(qū)動機(jī)構(gòu)。由于所鉆井眼都是傾斜的，因此，液壓端上端面一定是斜平面，金屬球利用重力作用始終處在上端面最低處，驅(qū)動半圓密封環(huán)始終處在上端面下半圓位置且左右對稱，工具面恒為180°，工具面控制范圍恒為±30°或60°，機(jī)械垂直鉆井工具降井斜鉆進(jìn)。

利用工具面控制范圍恒為60°的導(dǎo)向裝置可研制一種機(jī)械導(dǎo)向鉆井工具。機(jī)械導(dǎo)向鉆井工具液壓端三個(gè)柱塞缸液體通道向內(nèi)延伸到中心孔內(nèi)壁，三個(gè)液體通道在內(nèi)壁圓柱面呈120°均布，中心孔內(nèi)安裝偏重塊和圓形金屬管，且圓形金屬管在液體通道附近被加工成半圓金屬管。對比可知，沿圓形金屬管自上而下觀察，中心孔內(nèi)壁三個(gè)液體通道所在內(nèi)壁圓柱面相當(dāng)于圓環(huán)軌道面，液體通道相當(dāng)于控制開關(guān)，半圓金屬管相當(dāng)于半圓控制環(huán)，偏重塊、圓形金屬管和半圓金屬管相當(dāng)于重力驅(qū)動機(jī)構(gòu)。由于所鉆井眼都是傾斜的，因此，圓形金屬管一定是傾斜的，偏重塊利用重力作用始終處在圓形金屬管所在鉛垂平面正下方，根據(jù)半圓金屬管與偏重塊方向不同，工具面恒在0°、或90°、或180°、或270°，工具面控制范圍恒為±30°或60°，機(jī)械導(dǎo)向鉆井工具增井斜、或增方位、或降井斜、或減方位導(dǎo)向鉆進(jìn)。

利用工具面控制范圍恒為60°的導(dǎo)向裝置還可研制一種電子控制旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具液壓端三個(gè)柱塞缸通過電子觸碰開關(guān)、伺服電機(jī)和液壓油泵間接連通液體腔室和柱塞缸，三個(gè)電子觸碰開關(guān)固定在液壓端上端面、或偏重塊空間外筒內(nèi)壁、或圓形金屬管外壁且呈120°均布安裝，在電子觸碰開關(guān)所在位置安裝半圓盤，偏重塊、電機(jī)、齒輪和圓形金屬管共同驅(qū)動半圓盤旋轉(zhuǎn)。對比可知，三個(gè)電子觸碰開關(guān)所固定的液壓端上端面、或外筒內(nèi)壁圓柱面、或圓形金屬管外壁圓柱面相當(dāng)于圓環(huán)軌道面，電子觸碰開關(guān)相當(dāng)于控制開關(guān)，半圓盤相當(dāng)于半圓控制環(huán)，偏重塊、電機(jī)、齒輪、圓形金屬管和半圓盤相當(dāng)于重力驅(qū)動機(jī)構(gòu)。由于所鉆井眼都是傾斜的，因此，圓形金屬管一定是傾斜的，偏重塊利用重力作用始終處在圓形金屬管所在鉛垂平面正下方，根據(jù)半圓盤與偏重塊方向不同，工具面恒在360°范圍內(nèi)某特定位置，工具面控制范圍恒為±30°或60°，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具增(或降)井斜和/或增(或減)方位導(dǎo)向鉆進(jìn)。

附圖說明

附圖1是本發(fā)明專利一種工具面控制范圍恒為60°的導(dǎo)向裝置俯視圖及A-A剖面圖。

附圖標(biāo)記說明：1-圓環(huán)軌道面、2-控制開關(guān)、3-半圓控制環(huán)、4-重力驅(qū)動機(jī)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

一種工具面控制范圍恒為60°的導(dǎo)向裝置主要由圓環(huán)軌道面(1)、控制開關(guān)(2)、半圓控制環(huán)(3)和重力驅(qū)動機(jī)構(gòu)(4)組成。

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明專利一種工具面控制范圍恒為60°的導(dǎo)向裝置作進(jìn)一步說明。

圓環(huán)軌道面(1)是礦藏導(dǎo)向鉆井工具中液壓端上端面。沿礦藏導(dǎo)向鉆井工具傳動軸自上而下觀察，圓環(huán)軌道面(1)就是液壓端頂部圓環(huán)形平面。

控制開關(guān)(2)加工安裝在圓環(huán)軌道面(1)上，且三個(gè)控制開關(guān)(2)呈120°均布。

控制開關(guān)(2)可以是液體通道，直接連通液體腔室和柱塞缸；也可以是電子觸碰開關(guān)，通過電子觸碰開關(guān)、伺服電機(jī)和液壓油泵間接連通液體腔室和柱塞缸。

半圓控制環(huán)(3)放置在圓環(huán)軌道面(1)上，且技術(shù)參數(shù)與圓環(huán)軌道面(1)相匹配。當(dāng)控制開關(guān)(2)為液體通道時(shí)，半圓控制環(huán)(3)和圓環(huán)軌道面(1)接觸面需配套研磨，確保密封承壓。

所述重力驅(qū)動機(jī)構(gòu)(4)可以是金屬球，可以是偏重塊、圓形金屬管和半圓金屬管組合體，甚至可以是偏重塊、電機(jī)、齒輪、圓形金屬管和半圓盤組成的復(fù)雜組合體。

圓環(huán)軌道面(1)通過液壓端中心孔安裝在礦藏導(dǎo)向鉆井工具傳動軸上，二者之間相互旋轉(zhuǎn)，且圓環(huán)軌道面(1)與傳動軸垂直，傳動軸與井眼軸線平行，由此可知，圓環(huán)軌道面(1)與井眼軸線也垂直。由于所鉆井眼都是傾斜的，因此，圓環(huán)軌道面(1)一定是斜平面。重力驅(qū)動機(jī)構(gòu)(4)中金屬球或偏重塊利用自身重力作用始終處在圓環(huán)軌道面(1)最低處，并通過其他聯(lián)動部件驅(qū)動半圓控制環(huán)(3)處在圓環(huán)軌道面(1)某特定位置。

當(dāng)半圓控制環(huán)(3)位于圓環(huán)軌道面(1)下半圓位置時(shí)，控制開關(guān)S₁處在上半圓軌道面即開啟狀態(tài)，液體腔室內(nèi)液體在外部壓力作用下通過控制開關(guān)S₁注入到與此相對應(yīng)柱塞缸內(nèi)，柱塞伸出，推動推板支撐在井壁上，井壁反作用力是非零向量，其大小等于液體壓力乘以柱塞底面積，其方向是自點(diǎn)S₁至圓心O方向；控制開關(guān)S₂和S₃處在下半圓軌道面且被半圓控制環(huán)(3)所遮蓋即關(guān)閉狀態(tài)，液體腔室內(nèi)液體在外部壓力作用下無法通過控制開關(guān)S₂和S₃注入到與此相對應(yīng)柱塞缸內(nèi)，推板無法伸出，所產(chǎn)生井壁反作用力是零向量。當(dāng)?shù)V藏導(dǎo)向鉆井工具旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓環(huán)軌道面(1)隨之旋轉(zhuǎn)，控制開關(guān)S₁、S₂和S₃依次有序開啟或關(guān)閉，所對應(yīng)產(chǎn)生井壁反作用力依次有序出現(xiàn)或消失，但是，控制開關(guān)S₁、S₂和S₃中始終有一個(gè)或兩個(gè)控制開關(guān)(2)處在上半圓軌道面，另外兩個(gè)或一個(gè)控制開關(guān)(2)處在下半圓軌道面，或者說，通過圓環(huán)軌道面(1)上三個(gè)控制開關(guān)(2)高壓液體所對應(yīng)產(chǎn)生三個(gè)井壁反作用力中，始終有一個(gè)或兩個(gè)井壁反作用力是非零向量，另外兩個(gè)或一個(gè)井壁反作用力是零向量，且非零井壁反作用力方向均通過圓心O。

由于礦藏導(dǎo)向鉆井工具三組柱塞技術(shù)參數(shù)相同，即底面積相等，同時(shí)，對于任意時(shí)間點(diǎn)，液體上外部壓力也相等，因此，在同一時(shí)間點(diǎn)開啟的任意兩個(gè)控制開關(guān)(2)所產(chǎn)生兩個(gè)井壁反作用力大小相等，但方向不同。根據(jù)向量性質(zhì)，兩個(gè)向量都通過圓心O，大小相等，二者之間夾角120°。根據(jù)向量矢量和運(yùn)算法則，兩個(gè)向量矢量和大小等于任意一個(gè)向量大小，矢量和方向?yàn)閮蓚€(gè)向量角平分線方向，換句話說，在同一時(shí)間點(diǎn)開啟任意兩個(gè)控制開關(guān)(2)所產(chǎn)生兩個(gè)井壁反作用力矢量和，大小也等于液體壓力乘以柱塞底面積，方向自圓心O指向另一個(gè)控制開關(guān)(2)方向。

由于控制開關(guān)S₁、S₂和S₃中始終有一個(gè)或兩個(gè)控制開關(guān)(2)處于開啟狀態(tài)，另外兩個(gè)或一個(gè)控制開關(guān)(2)處于關(guān)閉狀態(tài)，且零向量對矢量和運(yùn)算結(jié)果沒有任何影響，因此，下文所述矢量和時(shí)不再稱為一個(gè)非零向量與兩個(gè)零向量矢量和或兩個(gè)非零向量與一個(gè)零向量矢量和，而是統(tǒng)稱為三個(gè)向量矢量和。

如附圖1所示，以圓環(huán)軌道面(1)圓心O為原點(diǎn)，在圓環(huán)軌道面(1)上建立平面直角坐標(biāo)系，由于半圓控制環(huán)(3)處在圓環(huán)軌道面(1)下半圓位置且左右對稱，因此，按照順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，圓環(huán)軌道面(1)頂部方位為0°，半圓控制環(huán)(3)右端方位為90°，圓環(huán)軌道面(1)底部方位為180°，半圓控制環(huán)(3)左端方位為270°。

當(dāng)控制開關(guān)S₁所在方位為330°時(shí)，控制開關(guān)S₂所在方位為90°，控制開關(guān)S₃所在方位為210°。此時(shí)，控制開關(guān)S₂比較特殊，經(jīng)過控制開關(guān)S₁和S₂高壓液體所產(chǎn)生兩個(gè)井壁反作用力矢量和方向過控制開關(guān)S₃，即三個(gè)向量矢量和方向?yàn)?10°，或者說，工具面為210°。

當(dāng)控制開關(guān)S₁所在方位大于330°且小于30°時(shí)，控制開關(guān)S₂所在方位大于90°小于150°，控制開關(guān)S₃所在方位大于210°小于270°。此時(shí)，經(jīng)過控制開關(guān)S₁高壓液體所產(chǎn)生井壁反作用力方向?yàn)?50°-210°，即三個(gè)向量矢量和方向?yàn)?50°-210°，或者說，工具面為150°-210°。

當(dāng)控制開關(guān)S₁所在方位為30°時(shí)，控制開關(guān)S₂所在方位為150°，控制開關(guān)S₃所在方位為270°。此時(shí)，控制開關(guān)S₃比較特殊，經(jīng)過控制開關(guān)S₃和S₁高壓液體所產(chǎn)生兩個(gè)井壁反作用力矢量和方向過控制開關(guān)S₂，即三個(gè)向量矢量和方向?yàn)?50°，或者說，工具面為150°。

當(dāng)控制開關(guān)S₁所在方位大于30°且小于90°時(shí)，控制開關(guān)S₂所在方位大于150°小于210°，控制開關(guān)S₃所在方位大于270°小于330°。此時(shí)，經(jīng)過控制開關(guān)S₃和S₁高壓液體所產(chǎn)生兩個(gè)井壁反作用力矢量和方向過控制開關(guān)S₂，即三個(gè)向量矢量和方向?yàn)?50°-210°，或者說，工具面為150°-210°。

當(dāng)控制開關(guān)S₁所在方位為90°時(shí)，控制開關(guān)S₂所在方位為210°，控制開關(guān)S₃所在方位為330°。此時(shí)，控制開關(guān)S₃將遵循控制開關(guān)S₁的矢量和方向或工具面變化規(guī)律，依此類推，控制開關(guān)S₂也將遵循控制開關(guān)S₁的矢量和方向或工具面變化規(guī)律。

綜合上述，通過圓環(huán)軌道面(1)上三個(gè)控制開關(guān)(2)高壓液體所產(chǎn)生三個(gè)井壁反作用力矢量和方向恒在150°-210°，即工具面恒在150°-210°。進(jìn)一步說，當(dāng)半圓控制環(huán)(3)位于圓環(huán)軌道面(1)下半圓位置時(shí)，工具面恒為180°，工具面控制范圍恒為±30°或60°，礦藏導(dǎo)向鉆井工具降井斜鉆進(jìn)。

同理，當(dāng)半圓控制環(huán)(3)位于圓環(huán)軌道面(1)上半圓位置時(shí)，工具面恒為0°，工具面控制范圍恒為±30°或60°，礦場導(dǎo)向鉆井工具增井斜鉆進(jìn)；當(dāng)半圓控制環(huán)(3)位于圓環(huán)軌道面(1)左半圓位置時(shí)，工具面恒為270°，工具面控制范圍恒為±30°或60°，礦藏導(dǎo)向鉆井工具減方位鉆進(jìn)；當(dāng)半圓控制環(huán)(3)位于圓環(huán)軌道面(1)右半圓位置時(shí)，工具面恒為90°，工具面控制范圍恒為±30°或60°，礦藏導(dǎo)向鉆井工具增方位鉆進(jìn)；當(dāng)半圓控制環(huán)(3)位于圓環(huán)軌道面(1)某特定位置時(shí)，工具面恒為半圓控制環(huán)(3)所在位置方位，工具面控制范圍恒為±30°或60°，礦藏導(dǎo)向鉆井工具增(或降)井斜和/或增(或減)方位鉆進(jìn)。

與現(xiàn)有垂直鉆井工具和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具相比，圓環(huán)軌道面(1)及其三個(gè)120°均布控制開關(guān)(2)、半圓控制環(huán)(3)相互作用，使通過圓環(huán)軌道面(1)上三個(gè)控制開關(guān)(2)高壓液體所對應(yīng)產(chǎn)生三個(gè)井壁反作用力中，始終有一個(gè)或兩個(gè)井壁反作用力是非零向量，不僅工具面控制范圍恒為±30°或60°，而且井壁反作用力大小恒定，持續(xù)不斷，連續(xù)導(dǎo)向鉆進(jìn)；其次，重力驅(qū)動機(jī)構(gòu)(4)中金屬球或偏重塊利用自身重力作用始終處在圓環(huán)軌道面(1)最低處，無需借助電子或陀螺井斜測量裝置，自動識別井眼重力高邊，獨(dú)立導(dǎo)向鉆進(jìn)。

實(shí)施例1

利用工具面控制范圍恒為60°的導(dǎo)向裝置可研制一種機(jī)械垂直鉆井工具。機(jī)械垂直鉆井工具液壓端三個(gè)柱塞缸液體通道向上延伸到液壓端上端面，三個(gè)液體通道在上端面呈120°均布，上端面放置有金屬球和半圓密封環(huán)，金屬球驅(qū)動半圓密封環(huán)移動。對比可知，液壓端上端面相當(dāng)于圓環(huán)軌道面(1)，液體通道相當(dāng)于控制開關(guān)(2)，半圓密封環(huán)相當(dāng)于半圓控制環(huán)(3)，金屬球相當(dāng)于重力驅(qū)動機(jī)構(gòu)(4)。由于所鉆井眼都是傾斜的，因此，液壓端上端面一定是斜平面，金屬球利用重力作用始終處在上端面最低處，驅(qū)動半圓密封環(huán)始終處在上端面下半圓位置且左右對稱，工具面恒為180°，工具面控制范圍恒為±30°或60°，機(jī)械垂直鉆井工具降井斜鉆進(jìn)。

實(shí)施例2

利用工具面控制范圍恒為60°的導(dǎo)向裝置可研制一種機(jī)械導(dǎo)向鉆井工具。機(jī)械導(dǎo)向鉆井工具液壓端三個(gè)柱塞缸液體通道向內(nèi)延伸到中心孔內(nèi)壁，三個(gè)液體通道在內(nèi)壁圓柱面呈120°均布，中心孔內(nèi)安裝偏重塊和圓形金屬管，且圓形金屬管在液體通道附近被加工成半圓金屬管。對比可知，沿圓形金屬管自上而下觀察，中心孔內(nèi)壁三個(gè)液體通道所在內(nèi)壁圓柱面相當(dāng)于圓環(huán)軌道面(1)，液體通道相當(dāng)于控制開關(guān)(2)，半圓金屬管相當(dāng)于半圓控制環(huán)(3)，偏重塊、圓形金屬管和半圓金屬管相當(dāng)于重力驅(qū)動機(jī)構(gòu)(4)。由于所鉆井眼都是傾斜的，因此，圓形金屬管一定是傾斜的，偏重塊利用重力作用始終處在圓形金屬管所在鉛垂平面正下方，根據(jù)半圓金屬管與偏重塊方向不同，工具面恒在0°、或90°、或180°、或270°，工具面控制范圍恒為±30°或60°，機(jī)械導(dǎo)向鉆井工具增井斜、或增方位、或降井斜、或減方位導(dǎo)向鉆進(jìn)。

實(shí)施例3

利用工具面控制范圍恒為60°的導(dǎo)向裝置還可研制一種電子控制旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具液壓端三個(gè)柱塞缸通過電子觸碰開關(guān)、伺服電機(jī)和液壓油泵間接連通液體腔室和柱塞缸，三個(gè)電子觸碰開關(guān)固定在液壓端上端面、或偏重塊空間外筒內(nèi)壁、或圓形金屬管外壁且呈120°均布安裝，在電子觸碰開關(guān)所在位置安裝半圓盤，偏重塊、電機(jī)、齒輪和圓形金屬管共同驅(qū)動半圓盤旋轉(zhuǎn)。對比可知，三個(gè)電子觸碰開關(guān)所固定的液壓端上端面、或外筒內(nèi)壁圓柱面、或圓形金屬管外壁圓柱面相當(dāng)于圓環(huán)軌道面(1)，電子觸碰開關(guān)相當(dāng)于控制開關(guān)(2)，半圓盤相當(dāng)于半圓控制環(huán)(3)，偏重塊、電機(jī)、齒輪、圓形金屬管和半圓盤相當(dāng)于重力驅(qū)動機(jī)構(gòu)(4)。由于所鉆井眼都是傾斜的，因此，圓形金屬管一定是傾斜的，偏重塊利用重力作用始終處在圓形金屬管所在鉛垂平面正下方，根據(jù)半圓盤與偏重塊方向不同，工具面恒在360°范圍內(nèi)某特定位置，工具面控制范圍恒為±30°或60°，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具增(或降)井斜和/或增(或減)方位導(dǎo)向鉆進(jìn)。

從實(shí)施例看，礦藏導(dǎo)向鉆井工具結(jié)構(gòu)不同，圓環(huán)軌道面(1)和半圓控制環(huán)(3)空間形態(tài)也不同。例如：如果圓環(huán)軌道面(1)是礦藏導(dǎo)向鉆井工具中某部件頂部圓環(huán)形平面，則半圓控制環(huán)(3)底側(cè)面是半圓環(huán)形平面；如果圓環(huán)軌道面(1)是礦藏導(dǎo)向鉆井工具中某部件內(nèi)壁圓柱面或外壁圓柱面，則半圓控制環(huán)(3)外側(cè)面或內(nèi)側(cè)面是半圓柱面。但是，如果從圓環(huán)形平面所在圓心徑向觀察圓環(huán)軌道面(1)，或者從內(nèi)壁圓柱面、外壁圓柱面所在軸線軸向觀察圓環(huán)軌道面(1)，圓環(huán)軌道面(1)均可看作“圓”，那么，三個(gè)控制開關(guān)(2)可看作“圓”上120°均布三個(gè)“點(diǎn)”，半圓控制環(huán)(3)可看作與“圓”等直徑“半圓”，重力驅(qū)動機(jī)構(gòu)(4)中金屬球或偏重塊可看作始終處在“圓”最低處重心“點(diǎn)”，簡化后數(shù)學(xué)模型相同，因此，導(dǎo)向機(jī)理相同。

以上對本發(fā)明專利的說明僅是優(yōu)選范例，并不能被理解為對本發(fā)明專利技術(shù)方案內(nèi)容的限制。以上內(nèi)容在具體應(yīng)用中，技術(shù)人員有可能需要根據(jù)具體情況作個(gè)別調(diào)整和改變，所述調(diào)整和改變均應(yīng)落入本發(fā)明專利所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍之中。