自动垂直钻井技术解决了高陡构造等易斜地层的直井钻进问题,很好地满足了现代钻井工程的发展要求,是现代钻井技术最为重要的发展方向之一。该技术主要通过井下钻具的执行机构推靠井眼高边实现纠斜,相对于动态推靠的工作模式,静态推靠式垂直钻具不受转速限制,且具有更高的适用性和可靠性,成为国际商业应用的主流之一。但作为钻具进行导向工作的主要部分,其执行机构的纠斜性能有待进一步优化。因此,研究静态推靠式自动垂直钻具的执行机构及纠斜行为,对垂直钻具的优化、底部钻具组合的设计和钻井参数的选择等具有重要意义。本文创新性地采用电机控制下连杆推靠的方式,对静态推靠式自动垂直钻具的执行机构进行了结构优化,在此基础上对其基本工作原理进行了分析。建立了执行机构受力分析模型,计算了推靠力和连杆支撑力等参数,并通过动力学仿真和有限元方法分别进行了执行机构零件间的受力分析和强度校核。分析表明,连杆长度与推靠力、连杆升角和连杆支撑力之间呈负相关关系,因此可在软地层选用长度较长的连杆,在硬地层选用长度较短的连杆;推靠板、连杆和优化后的销轴均满足强度设计使用要求。为评价执行机构的纠斜效果,本文基于纵横弯曲连续梁理论分析了BHA的受力与变形,并结合钻头与地层相互作用模型,得出了适用于静态推靠式自动垂直钻具的BHA钻头侧向切削力、钻头转角和井斜趋势角表达式,对安装有静态推靠式自动垂直钻具的BHA进行了可靠性分析及受力分析,结果表明:钻具的强度满足推靠纠斜过程的使用要求,在小井眼钻进过程中,钻压、井斜角对钻头侧向切削力和钻头转角影响较小,而井眼曲率和推靠力对钻头侧向切削力和钻头转角影响较大,应选用钻具直接连接稳定器的BHA,以获取更强的钻头侧向切削能力,钻头各向异性越大,BHA的纠斜能力越强,故在侧钻纠斜工作中应使用各项异性较大的钻头,而在防斜保直工作中应配备各项异性较小的钻头使用。