自动垂直钻具可实现高精度的直井作业,突破了传统防斜纠斜技术的藩篱,满足了现代钻井对井斜的控制要求。该类钻具中,机械式自动垂直钻具不含有任何电子元器件,仅依靠机械式稳定平台中偏重块在重力作用下的偏转实现主动的纠斜降斜作业,具有成本低、结构简单、耐高温、可靠性高、适用性强等特点,已成为垂直钻井及深部钻探领域最为重要的研究热点和发展方向之一。但是,相对于电控式自动垂直钻具,机械式自动垂直钻具的井斜控制精度和纠斜极限相对较低,钻具机械式稳定平台的控制性能亟待提高。本文对动态推靠式钻具和静态推靠式钻具的纠斜行为进行了详细分析,相比而言,动态推靠式钻具的机械式稳定平台工作过程中需克服的摩擦阻力矩相对较小,有助于提高稳定平台的控制性能和钻具的纠斜精度。动态推靠式垂直钻具具有周期性推靠井壁的纠斜特性,单次推靠过程中推靠力的作用效果可用等效推靠力表示,本文结合纵横弯曲连续梁法和H-S.Ho地层-钻头作用模型,分别应用推靠力和等效推靠力建立了适用于动态推靠式垂直钻具的可靠性和井斜趋势分析方法。结果表明,本文设计的自动垂直钻具强度满足使用要求,钻具在纠斜工作状态下应配合钻铤和侧向切削能力较大的钻头,可获得更佳的纠斜降斜能力,而在防斜垂直钻井时,应配合侧向切削能力较小的钻头,以保证井眼轨迹具有较高的垂直度。机械式稳定平台作为整个钻具控制的核心,其设计直接影响钻具的工作性能。机械式稳定平台的控制机制为偏重块的偏心扭矩克服盘阀和轴承的摩擦阻力矩,向井眼低边发生偏转,并控制盘阀开孔稳定在井眼高边。静力学分析表明,采用横截面为半圆形的偏重块方案可获得最大的偏心扭矩,盘阀和轴承的摩擦阻力矩导致偏重块稳定位置与井眼低边存在一定偏转角度,相对而言,轴承对偏重块偏转角度的影响较小,盘阀在钻井液压力差的作用下形成的摩擦扭矩对偏重块偏转行为的影响较大,尤其是在井下粘滑振动情况下,底部钻具的转速随时间变化,导致盘阀间摩擦系数会在动静摩擦系数间转化,盘阀间摩擦力的功率也随之发生变化,使得机械式稳定平台呈现出复杂的动力学响应行为。本文使用拉格朗日方法模拟分析了机械式稳定平台在粘滑振动下的动力学响应行为,粘滑振动的参数通过简谐振动激励下的粘滑模型与井下数据拟合获得。分析表明,底部钻具粘滑振动的发生会使偏重块在BHA匀速运动时的单一衰减运动转化为复杂的类钟摆运动,粘滑振动的振幅越大,偏重块的摆动幅度越大,而随着粘滑振动周期的增加,会导致稳定状态的单周期偏重块运动曲线中出现副周期运动。在粘滑振动影响下,偏重块的偏转行为具有四种典型状态,随着粘滑振动周期和振幅的变化,偏重块的偏转行为会在四种状态中过渡,当偏重块最大偏心扭矩较小且粘滑振动振幅较大、周期较短时,偏重块的运动可能出现混沌状态。大幅度、高频率的粘滑振动对稳定平台的控制稳定性有极大的破坏和干扰作用。鉴于粘滑振动的影响,钻具机械式稳定平台在设计时仅仅考虑BHA的匀速运动是不够的。本文通过使用灌铅偏重块、凸台盘阀、单向水力涡轮相配合的方案对钻具的机械式稳定平台进行了优化,分析表明:灌铅偏重块方案可优化钻具内部环空的流场状况,降低转动阻力;凸台盘阀的间隙小于0.5mm时,可在满足钻具的工作要求的前提下显著降低盘阀摩擦阻力矩;单向水力涡轮附加的扭矩可抵消掉稳定平台的摩擦阻力矩,大幅降低偏重块摆动中心位置与井眼低边的夹角。优化后钻具机械式稳定平台在粘滑振动下的动力学响应获得了极大提升。为了进一步确定单向水力涡轮的最佳扭矩,本文通过台架试验测定了轴承的动态摩擦扭矩,并结合盘阀摩擦阻力矩的优化扭矩,选用30L/s流量下扭矩为110 N·mm的涡轮作为本文设计钻具的优化组件。优化前后的钻具通过推靠响应的室内试验测试,评价了钻具机械式稳定平台的优化效果,结果表明,钻具机械式稳定平台的井斜控制精度从优化前的8°提升至优化后的小于2.5°,尤其是在低转速条件下,机械式稳定平台控制精度可达到井斜1.6°,优化效果理想,表明钻具已满足现场应用的要求,为后续下井试验奠定了良好基础。