CN112610158A - 一种智能垂直钻井系统及钻井方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种智能垂直钻井系统及钻井方法，属于石油工程领域，所述智能垂直钻井系统包括包括依次连接的上部钻具、柔性短节、智能垂直钻井工具、中部钻具单元、扶正器和钻头，所述智能垂直钻井工具远离钻头设置且智能垂直钻井工具上设置有推力体，所述推力体具有伸缩功能，所述智能垂直钻井工具能够利用重力来判断井斜情况，从而控制推力体伸缩来施加推靠力，当存在井斜时，智能垂直钻井工具的推力体输出指向井眼低边的推靠力，利用扶正器作为支点，将推靠力施加给钻头，从而使得钻头承受指向井眼低边的力，产生下井壁切削，从而降斜，达到了提高防斜打直效果、延长垂直钻井系统工作寿命及垂钻技术再提速的三重目标。

Description

一种智能垂直钻井系统及钻井方法

技术领域

本发明属于石油工程领域，具体涉及一种智能垂直钻井系统及钻井方法。

背景技术

直井及定向井直井段防斜打直问题一直是钻井界的热点研究问题。随着钻探深度的不断增加，对该问题解决的期待愈加迫切。目前的防斜打直方法主要依托于常规防斜打直钻具组合以及自动垂直钻井系统。常规防斜打直钻具组合主要包括塔式钻具、钟摆钻具、满眼钻具、偏轴钻具、偏重双心螺旋稳定器防斜钻具等，这些钻具也被称为“被动防斜工具”，现场应用结果表明，这类钻具其降斜能力较难满足深井、复杂井及高陡构造与大倾角地层的要求，并且还要以牺牲钻压作为条件，严重阻碍了钻井速度的提高。自动垂直钻井系统主要有Schlumberger公司的Power V系统、BakerHughes Inteq公司的VertiTak系统、德国智能公司的ZEB系统等，这些工具井斜控制效果相对常规防斜打直钻具组合有大幅度提升，但在使用过程中也表现出了系列问题，主要有以下几个：(1)难钻地层钻进时，工具寿命难以满足现场需求，主要是工具磨损严重；(2)防斜打直效果在高陡构造等地层不够理想，有待于进一步提升；(3)存在推靠力施加翼肋吃入井壁而无法施加钻压及不能防斜打直的现象；(4)钻井速度还有较大提升空间，但使用该类工具时，若在工具与钻头间增加提速工具及其他工具，则会影响防斜打直效果，若在工具上方增加提速工具等，则会进一步降低防斜打直工具寿命。现在解决工具寿命问题的重点为优选材料及结构；解决防斜打直效果不理想的方法是提高工具推靠力；解决翼肋吃入井壁的方法是优化翼肋结构及性状，然而利用优选材料及结构的方法解决工具寿命及翼肋吃入井壁问题效果有限，利用增加工具推靠力，改善防斜打直效果也存在较大问题，比如引起工具磨损加重、翼肋吃入井壁程度加大等，另外，利用自动垂直钻井系统钻井时，如何与提速工具配合进一步提升钻井速度，一直未能够有效解决。因此，为了解决上述技术问题，本发明提出一种智能垂直钻井系统及钻井方法，能够实现长寿命、高质量、快速度防斜打。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种智能垂直钻井系统及钻井方法，该智能垂直钻井方法利用远离钻头的推力翼肋来推靠下井壁，利用钻头上方扶正器作为支点，来为钻头施加指向下井壁的作用力，从而防斜打直，同时达到了提高防斜打直效果、延长垂直钻井系统工作寿命及垂钻技术再提速的三重目标。

一种智能垂直钻井系统，所述钻井系统包括依次连接的上部钻具、柔性短节、智能垂直钻井工具、中部钻具单元、扶正器和钻头，所述智能垂直钻井工具上设置有推力体，所述推力体在钻井液作用下能够实现伸缩功能，所述智能垂直钻井工具能够利用重力来判断井斜情况，从而控制推力体伸缩来施加推靠力进行降斜打直。

进一步地，所述智能垂直钻井工具内设置有偏重单元和流道控制单元，当出现井斜时，偏重单元的重力侧会转向井眼低边，所述流道控制单元与偏重单元通过键连接，所述流道控制单元上开有V形流道槽，所述V形流道槽与智能垂直钻井工具内的钻井液流道连通，所述推力体与所述V形流道槽连通，所述V形流道槽与偏重单元的重力侧处于同一方位。

进一步地，所述智能垂直钻井工具包括智能垂直钻井工具的外筒体、偏重单元、流道控制单元和推力体，所述智能垂直钻井工具的外筒体由工具上接头、工具外壳和推力体母壳构成，所述的推力体母壳为中部周向均布三个可伸缩翼肋的圆柱体且圆柱体的外径与工具外壳外径、工具上接头外径均相同，翼肋顶端形心部位开有推力体安装孔，所述推力体通过推力体限位环限位于推力体安装孔内，所述推力体中心开有圆孔且圆孔靠近井眼环空端装有泄流喷嘴，所述推力体母壳直棱凸起顶端设置有与智能垂直钻井工具内部连通的通孔，推力体中心的圆孔与推力体母壳上的通孔连通。

进一步地，所述的推力体为两个直径不同的圆柱体组合，直径较大部分的直径略小于推力体母壳直棱凸起顶端的圆柱形孔内径且两者间设置有密封件，直径较小部分用于与推力体限位环配合，直径较小部分顶端用于为智能垂直钻井系统提供推靠力；所述的偏重单元包括上部防护帽、上部轴承支撑座、上部轴承、偏重轴、加重块、下部轴承支撑座、下部轴承和下部固定螺母帽，所述偏重轴上部通过上部轴承、上部轴承安装座和上部防护帽安装于所述工具外壳上，偏重轴下部通过下部轴承、下部轴承安装座流道控制单元和下部固定螺母帽安装在工具外壳上，偏重轴下部通过键结构与所述流道控制单元连接，所述加重块设置于偏重轴的偏重侧。

进一步地，工具上接头外侧的上部为圆柱面、下部为工具外壳连接扣，工具外壳连接扣用于连接工具外壳，工具上接头的内侧自上而下依次为钻具连接扣、上接头内圆孔和扩流锥面；钻具连接扣与柔性短节连接；所述的工具外壳为圆柱壳体，工具外壳的外径与工具上接头圆柱面的外径相同，工具外壳的内侧从上到下依次为工具上接头连接扣、上部轴承支撑座安装面、过流圆柱面、下部轴承支撑座安装面和推力体母壳连接扣，工具上接头连接扣用于连接工具上接头，上部轴承支撑座安装面与下部轴承支撑座安装面的直径相同，且均大于过流圆柱面的直径，上部轴承支撑座安装面用于安装上部轴承支撑座，下部轴承支撑座安装面用于安装下部轴承支撑座，推力体母壳连接扣用于连接推力体母壳。

进一步地，所述的偏重轴上部为上轴部、中间为偏重部、下部为下轴部；上轴部的顶端带有上部螺纹；偏重部为带有一个键块的外键结构，偏重部的整体外径略小于工具外壳过流圆柱面的直径，键块顶端沿着键轴线方向开有多个孔，孔内装有加重块；下轴部上端带有平键槽，中部为扶正轴，底端为压紧螺纹，下轴部底端的压紧螺纹用于连接下部固定螺母帽，偏重轴的上轴部与上部轴承支撑座的内圆孔间隙配合，上部防护帽与偏重轴顶部的上轴部螺纹连接；上部防护帽与上部轴承支撑座之间安装上部轴承；所述的上部防护帽下部为圆柱体、上部为圆弧锥体，偏重轴的下轴部上部与下部轴承支撑座间隙配合，所述流道控制单元安装于偏重轴下轴部，流道控制单元与偏重轴安装后，所述V形流道槽与偏重轴偏重部的外键结构处于同一方位。

进一步地，所述上部轴承支撑座为圆柱体结构，上部轴承支撑座的外径略小于上部轴承支撑座安装面的内径；上部轴承支撑座沿着轴线方向开有支撑座内圆孔，上部轴承支撑座沿圆周方向均布三个弧形孔，支撑座内圆孔直径略大于偏重轴上轴部外径，上部轴承支撑座用于支撑及扶正偏重轴的上轴部，所述下部轴承支撑座与上部轴承支撑座的结构相同，上部轴承支撑座安装面、下部轴承支撑座安装面和过流圆柱面构成的两个台阶面分别用于定位上部轴承支撑座和下部轴承支撑座在工具外壳内的位置。

进一步地，所述流道控制单元为流道控制体，所述的流道控制体外部为两个圆柱面组合，上段圆柱面直径小于下段圆柱面直径，下段圆柱面开有V形流道槽，V形流道槽顶端与智能垂直钻井工具钻井液流道连通，流道控制体内部上端为定位键，下部为流道控制体扶正孔，定位键用于与偏重轴下轴部上端的平键槽配合定为偏重轴与流道控制体的位置。

进一步地，智能垂直钻井工具的设置相对于上述智能垂直钻井工具上下倒向设置，推力体母壳与柔性短节连接，工具上接头与中部钻具单元连接，推力体母壳、工具外壳和工具上接头依次连接构成智能垂直钻井工具的外筒体，推力体位于推力体母壳体上，所述偏重单元位于流道控制单元上方且两者通过键连接。

一种采用智能垂直钻井系统的钻井方法，所述钻井方法包括以下步骤：

步骤1：根据轨迹控制需要，根据管柱力学理论计算获取柔性短节长度、柔性短节到推力体的距离、推力体到扶正器距离和扶正器到钻头的距离；

步骤2、按照步骤1所计算的数据，组装本发明的钻井系统；

步骤3、根据设计好的钻井方案，进行垂直钻井作业，所述垂直钻井作业方法具体为：当钻进井无井斜时，智能垂直钻井系统不对钻头提供力或者提供周向均匀作用的力，不改变钻进趋势；当钻进井存在井斜时，智能垂直钻井工具的偏重单元由于重力作用，偏重侧指向井眼低边，从而使得流道控制单元的V形流道槽位于井眼低边方向，推力体伸出推力体母壳，为智能垂直钻井工具施加指向井眼高边的推力，推力经扶正器转化，转化成钻头指向井眼低边的推力，转化过程推力并被放大，从而发挥防斜打直作用。

有益效果：相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：

1)大幅度提升了防斜打直能力；

2)钻头处同等推靠力下，智能垂直钻井工具本身工作输出力强度大幅度下降，从而提高了智能垂直钻井工具本身其寿命；

3)实现了垂直钻井钻速再提高的目标；

4)在近钻头安装近钻头测量工具，可以实现近钻头测量参数的目标。

附图说明

图1是本发明的智能垂直钻井系统结构示意图；

图2是本发明智能垂直钻进工具结构示意图；

图3是智能垂直钻井系统A-A剖面图；

图4是智能垂直钻井系统B-B剖面图；

图5是智能垂直钻井系统C-C剖面图；

图6是本发明智能垂直钻井系统受力分析图。

图7是传统自动垂直钻井系统受力分析图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。

图1所示，智能垂直钻井系统，包括：上部钻具001、柔性短节002、智能垂直钻井工具003、中部钻具单元004、扶正器005及钻头006，上部钻具001、柔性短节002、智能垂直钻井工具003、中部钻具单元004、扶正器005及钻头006依次连接。

所述扶正器005最佳选择为可旋转外壳扶正器。

所述智能垂直钻井系统，柔性短节002长度、柔性短节002到推力体10的距离、推力体10到扶正器005距离及扶正器005到钻头006的距离需要根据管柱力学理论计算获取；

所述智能垂直钻井工具003远离钻头006设置且智能垂直钻井工具003上设置有推力体10，所述推力体10具有伸缩功能，所述智能垂直钻井工具003能够利用重力来判断井斜情况，从而控制推力体伸缩来施加推靠力，当存在井斜时，智能垂直钻井工具003的推力体输出指向井眼低边的推靠力，利用扶正器005作为支点，将推靠力施加给钻头006，从而使得钻头006承受指向井眼低边的力，产生下井壁切削，从而降斜。

图2所示，所述智能垂直钻井工具003包括：工具上接头1、工具外壳2、上部防护帽3、上部轴承支撑座4、偏重轴5、加重块6、下部轴承支撑座7、下部轴承8、流道控制体9、推力体10、泄流喷嘴11、推力体限位环12、上部轴承13、定位键14、推力体母壳15及下部固定螺母帽16。

工具上接头1、工具外壳2、推力体母壳15依次通过螺纹连接构成智能垂直钻井工具003的外筒体；上部防护帽3、偏重轴5、流道控制体9及下部固定螺母帽16连接构成智能垂直钻井工具003的流道控制体；偏重轴5上部通过上部轴承13、上部轴承支撑座4、上部防护帽3安装于工具外壳2上，偏重轴5下部通过下部轴承8、下部轴承支撑座7、流道控制体9及下部固定螺母帽16安装于工具外壳2上，偏重轴5可相对于工具外壳2自由旋转；偏重轴5下部通过键结构与流道控制体9连接。

工具上接头1外侧的上部为圆柱面、下部为工具外壳2连接扣，圆柱面用于系统整体上卸扣，工具外壳2连接扣用于连接工具外壳2；工具上接头1的内侧自上而下依次为：钻具连接扣、上接头内圆孔、扩流锥面；钻具连接扣用于连接上部钻具；上接头内圆孔用于钻井液过流；扩流锥面用增加钻井液流道的面积。

所述的工具外壳2为圆柱壳体，工具外壳2的外径与工具上接头1圆柱面的外径相同；工具外壳2的内侧从上到下依次为：工具上接头1连接扣、上部轴承支撑座4安装面、过流圆柱面、下部轴承支撑座7安装面、推力体母壳15连接扣；工具上接头1连接扣用于连接工具上接头1；上部轴承支撑座4安装面与下部轴承支撑座7安装面的直径相同，且均略大于过流圆柱面的直径；上部轴承支撑座4安装面用于安装上部轴承支撑座4；下部轴承支撑座7安装面用于安装下部轴承支撑座7；推力体母壳15连接扣用于连接推力体母壳15。

如图3所示，上部轴承支撑座4为圆柱体结构，上部轴承支撑座4的外径略小于工具外壳2上部轴承支撑座4安装面的内径；上部轴承支撑座4沿着轴线方向开有支撑座内圆孔，上部轴承支撑座4沿圆周方向均布三个弧形孔，弧形孔用于钻井介质过流；支撑体内圆孔直径略大于偏重轴5上轴部外径，上部轴承支撑座4用于支撑及扶正偏重轴5的上轴部。下部轴承支撑座7与上部轴承支撑座4的结构相同，亦为圆柱体结构，下部轴承支撑座7的外径略小于工具外壳2下部轴承支撑座7安装面的内径；下部轴承支撑座7沿着轴线方向开有支撑体内圆孔，下部轴承支撑座7沿圆周方向均布三个弧形孔，弧形孔用于钻井介质过流；下部轴承支撑座7用于支撑及扶正偏重轴5下轴部。

上部轴承支撑座4安装面、下部轴承支撑座7安装面及过流圆柱面构成的两个台阶面分别用于定位上部轴承支撑座4及下部轴承支撑座7在工具外壳2内的位置，上部轴承支撑座4、下部轴承支撑座7固定于工具外壳2内，进而定位流道控制体9。

如图1、图2、图4所示，所述的偏重轴5上部为上轴部、中间为偏重部、下部为下轴部；上轴部的顶端带有上部螺纹；偏重部为带有一个键块的外键结构，偏重部的整体外径略小于工具外壳2过流圆柱面的直径，键块顶端沿着键轴线方向开有多个孔，孔内装有加重块6；下轴部上端带有平键槽，中部为扶正轴，底端为压紧螺纹，下轴部底端的压紧螺纹用于连接下部固定螺母帽16。

偏重轴5的上轴部与上部轴承支撑座4的内圆孔间隙配合。上部轴承支撑座4起到偏重轴5上部居中作用；上部防护帽3与偏重轴5顶部的上轴部螺纹连接；上部防护帽3与上部轴承支撑座4之间安装上部轴承13，上部轴承13的作用是减小偏重轴5与上部轴承支撑座4相对转动的摩擦阻力；所述的上部防护帽3下部为圆柱体、上部为圆弧锥体，上部防护帽3内部设螺纹孔，上部防护帽3轴向上定位偏重轴5。上部防护帽3迫使钻井循环介质流入上部轴承支撑座4的弧形孔，防止对偏重轴5构成冲蚀。

偏重轴5的下轴部上部与下部轴承支撑座7间隙配合，下部轴承支撑座7起到偏重轴5下部居中作用。

所述的推力体母壳15为中部周向均布三个可伸缩翼肋的圆柱体，圆柱体的外径与工具外壳2外径、工具上接头1外径均相同；翼肋的径向直径大于推力体母壳15圆柱体的外径，但小于所钻井眼的直径；翼肋顶端形心部位开有推力体安装孔，孔的顶端带有螺纹；所述的推力体10为两个直径不同的圆柱体组合，直径较大部分的直径略小于推力体母壳15直棱凸起顶端的圆柱形孔内径，该部位设有密封，用于扶正及密封；直径较小部分用于与推力体限位环12配合，推力体限位环12将推力体母壳15限位于推力体安装孔内，防止推力体10脱离推力体母壳15，直径较小部分顶端用于为智能垂直钻井系统提供推力；推力体10中心开有圆孔，圆孔靠近井眼环空端装有泄流喷嘴11，用于泄压；推力体母壳15直棱凸起顶端的圆柱形孔内径与智能垂直钻井工具003内部连通。

如图2、图5所示，所述的流道控制体9外部为两个圆柱面组合，上段圆柱面直径小于下端圆柱面直径，下端圆柱面开有“V”形流道槽，“V”形流道槽顶端与智能垂直钻井工具003钻井液流道连通；流道控制体9内部上端为定位键14，下部为流道控制体扶正孔，定位键用于与偏重轴5下轴部上端的平键槽配合定为偏重轴5与流道控制体9的位置。

所述流道控制体9安装于偏重轴5下轴部，流道控制体9与偏重轴5安装后，流道控制体9的“V”形流道槽与偏重轴5偏重部的外键结构处于同一方位；流道控制体9与偏重轴5轴向相对位置通过下部固定螺母帽16固定。

智能垂直钻井工具的设置相对于上述智能垂直钻井工具可以上下倒向设置，即正好与上面描述的智能垂直钻井工具做一个180度旋转，推力体母壳与柔性短节连接，工具上接头与中部钻具单元连接，推力体母壳、工具外壳和工具上接头依次连接构成智能垂直钻井工具的外筒体，推力体位于推力体母壳体上，所述偏重单元位于流道控制单元上方且两者通过键连接。

智能垂直钻井方法工作原理如下：

钻井液流道：智能垂直钻井工具003中钻井液经工具上接头1的上接头内圆孔、扩流锥面、上部轴承支撑座4弧形孔、偏重轴5与工具外壳2间空间、下部轴承支撑座7弧形孔后，流道控制体9的“V”形流道槽，分支为两部分，一部分直接流至钻头发挥其正常功用，另一部分经推力体母壳15直棱凸起顶端圆柱形孔与智能垂直钻井工具003内部的连通孔进入推力体母壳15推力体安装孔，从而推动推力体10相对于推力体母壳15做径向运动，为钻头提供某种侧向力。

当钻进井存在井斜时，智能垂直钻井工具003的偏重轴5由于重力作用，外键结构指向井眼低边，从而使得流道控制体9的“V”形流道槽位于井眼低边方向，推力体10伸出推力体母壳15，为智能垂直钻井工具003施加指向井眼高边的推力，该推力经扶正器005转化，转化成钻头006指向井眼低边的推力，转化过程推力并被放大，从而发挥防斜打直作用。

通过上述作用，当钻进井无井斜时，智能垂直钻井系统不对钻头提供力或者提供周向均匀作用的力，不改变钻进趋势；当钻进井存在井斜时，智能垂直钻井工具施加指向井眼高边的推力，该推力经扶正器转化，转化成钻头指向井眼低边的推力，转化过程推力并被放大，从而发挥防斜打直作用。

下面结合附图6-7对本发明的优点作进一步的分析介绍：

图7为现有推靠式自动垂直钻井系统受力分析图，现有推靠式自动垂直钻井系统的推力体10靠近钻头006设置，扶正器005远离钻头006设置，本发明的智能垂直钻井，扶正器005靠近钻头006设置，推力体10远离钻头006设置，根据受力分析，现有推靠式自动垂直钻井系统钻头处获得降斜推靠力计算公式为：

F_c＝F_tL₁/(L₁+L₂)-G sin a/2

本发明钻头处获得推靠力计算公式为：

F_c＝F_tL₁/L₂-G₁ sin aL₁/L₂-G₂ sin a/2

1、垂直钻井工具输出同样推靠力时，钻头处获得推靠力对比：

假设井斜a＝5°，Ft＝2吨，L1＝4米，L2＝1米，钻具线密度0.1吨/米，

则G＝0.5吨，G1＝0.4吨，G2＝0.1吨，

计算钻头侧向力：

现有垂直钻井系统钻头处降斜推靠力F_C1＝1.58吨

一种智能垂直钻井系统钻头处降斜推靠力F_C2＝7.85吨

本发明钻头受到降斜推靠力为已有设计的4.97倍，即在垂直钻井工具施加同样推靠力时，本发明智能垂直钻井钻井系统及钻井方法防斜打直能力大幅度提升。

2、钻头受到同样推靠力，垂直钻井工具输出推靠力对比：

假设本发明的钻头受到推靠力F_C2＝2吨，L1＝4米，L2＝1米，钻具线密度0.1吨/米，则G＝0.5吨，G1＝0.4吨，G2＝0.1吨，

则智能垂直钻井系统推力体10施加向下推靠力Ft＝0.54吨，而现有垂直钻井系统需要推靠力2.53吨，本发明为已有设计的21％。推力体10在小作用力下不宜磨损，且不宜吃入地层，这会大幅度提升垂直钻井寿命，且能够保证钻压传递效果，提高钻井速度。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种智能垂直钻井系统，其特征在于，所述钻井系统包括依次连接的上部钻具、柔性短节、智能垂直钻井工具、中部钻具单元、扶正器和钻头，所述智能垂直钻井工具上设置有推力体，所述推力体在钻井液作用下能够实现伸缩功能，所述智能垂直钻井工具能够利用重力来判断井斜情况，从而控制推力体伸缩来施加推靠力进行降斜打直。

2.根据权利要求1所述的一种智能垂直钻井系统，其特征在于：所述智能垂直钻井工具内设置有偏重单元和流道控制单元，当出现井斜时，偏重单元的重力侧会转向井眼低边，所述流道控制单元与偏重单元通过键连接，所述流道控制单元上开有V形流道槽，所述V形流道槽与智能垂直钻井工具内的钻井液流道连通，所述推力体与所述V形流道槽连通，所述V形流道槽与偏重单元的重力侧处于同一方位。

3.根据权利要求2所述的一种智能垂直钻井系统，其特征在于：所述智能垂直钻井工具包括智能垂直钻井工具的外筒体、偏重单元、流道控制单元和推力体，所述智能垂直钻井工具的外筒体由工具上接头、工具外壳和推力体母壳构成，所述的推力体母壳为中部周向均布三个可伸缩翼肋的圆柱体且圆柱体的外径与工具外壳外径、工具上接头外径均相同，翼肋顶端形心部位开有推力体安装孔，所述推力体通过推力体限位环限位于推力体安装孔内，所述推力体中心开有圆孔且圆孔靠近井眼环空端装有泄流喷嘴，所述推力体母壳直棱凸起顶端设置有与智能垂直钻井工具内部连通的通孔，推力体中心的圆孔与推力体母壳上的通孔连通。

4.根据权利要求3所述的一种智能垂直钻井系统，其特征在于：所述的推力体为两个直径不同的圆柱体组合，直径较大部分的直径略小于推力体母壳直棱凸起顶端的圆柱形孔内径且两者间设置有密封件，直径较小部分用于与推力体限位环配合，直径较小部分顶端用于为智能垂直钻井系统提供推靠力；所述的偏重单元包括上部防护帽、上部轴承支撑座、上部轴承、偏重轴、加重块、下部轴承支撑座、下部轴承和下部固定螺母帽，所述偏重轴上部通过上部轴承、上部轴承安装座和上部防护帽安装于所述工具外壳上，偏重轴下部通过下部轴承、下部轴承安装座流道控制单元和下部固定螺母帽安装在工具外壳上，偏重轴下部通过键结构与所述流道控制单元连接，所述加重块设置于偏重轴的偏重侧。

5.根据权利要求4所述的一种智能垂直钻井系统，其特征在于：工具上接头外侧的上部为圆柱面、下部为工具外壳连接扣，工具外壳连接扣用于连接工具外壳，工具上接头的内侧自上而下依次为钻具连接扣、上接头内圆孔和扩流锥面；钻具连接扣与柔性短节连接；所述的工具外壳为圆柱壳体，工具外壳的外径与工具上接头圆柱面的外径相同，工具外壳的内侧从上到下依次为工具上接头连接扣、上部轴承支撑座安装面、过流圆柱面、下部轴承支撑座安装面和推力体母壳连接扣，工具上接头连接扣用于连接工具上接头，上部轴承支撑座安装面与下部轴承支撑座安装面的直径相同，且均大于过流圆柱面的直径，上部轴承支撑座安装面用于安装上部轴承支撑座，下部轴承支撑座安装面用于安装下部轴承支撑座，推力体母壳连接扣用于连接推力体母壳。

6.根据权利要求3所述的一种智能垂直钻井系统，其特征在于：所述的偏重轴上部为上轴部、中间为偏重部、下部为下轴部；上轴部的顶端带有上部螺纹；偏重部为带有一个键块的外键结构，偏重部的整体外径略小于工具外壳过流圆柱面的直径，键块顶端沿着键轴线方向开有多个孔，孔内装有加重块；下轴部上端带有平键槽，中部为扶正轴，底端为压紧螺纹，下轴部底端的压紧螺纹用于连接下部固定螺母帽，偏重轴的上轴部与上部轴承支撑座的内圆孔间隙配合，上部防护帽与偏重轴顶部的上轴部螺纹连接；上部防护帽与上部轴承支撑座之间安装上部轴承；所述的上部防护帽下部为圆柱体、上部为圆弧锥体，偏重轴的下轴部上部与下部轴承支撑座间隙配合，所述流道控制单元安装于偏重轴下轴部，流道控制单元与偏重轴安装后，所述V形流道槽与偏重轴偏重部的外键结构处于同一方位。

7.根据权利要求6所述的一种智能垂直钻井系统，其特征在于：所述上部轴承支撑座为圆柱体结构，上部轴承支撑座的外径略小于上部轴承支撑座安装面的内径；上部轴承支撑座沿着轴线方向开有支撑座内圆孔，上部轴承支撑座沿圆周方向均布三个弧形孔，支撑座内圆孔直径略大于偏重轴上轴部外径，上部轴承支撑座用于支撑及扶正偏重轴的上轴部，所述下部轴承支撑座与上部轴承支撑座的结构相同，上部轴承支撑座安装面、下部轴承支撑座安装面和过流圆柱面构成的两个台阶面分别用于定位上部轴承支撑座和下部轴承支撑座在工具外壳内的位置。

8.根据权利要求1-7之一所述的一种智能垂直钻井系统，其特征在于：所述流道控制单元为流道控制体，所述的流道控制体外部为两个圆柱面组合，上段圆柱面直径小于下段圆柱面直径，下段圆柱面开有V形流道槽，V形流道槽顶端与智能垂直钻井工具钻井液流道连通，流道控制体内部上端为定位键，下部为流道控制体扶正孔，定位键用于与偏重轴下轴部上端的平键槽配合定为偏重轴与流道控制体的位置。

9.根据权利要求1-7之一所述的一种智能垂直钻井系统，其特征在于：智能垂直钻井工具的设置相对于权利要求1-7中的智能垂直钻井工具上下倒向设置，推力体母壳与柔性短节连接，工具上接头与中部钻具单元连接，推力体母壳、工具外壳和工具上接头依次连接构成智能垂直钻井工具的外筒体，推力体位于推力体母壳体上，所述偏重单元位于流道控制单元上方且两者通过键连接。

10.一种采用权利要求1-7之一所述的一种智能垂直钻井系统的钻井方法，其特征在于，所述钻井方法包括以下步骤：

步骤1：根据轨迹控制需要，根据管柱力学理论计算获取柔性短节长度、柔性短节到推力体的距离、推力体到扶正器距离和扶正器到钻头的距离；

步骤2、按照步骤1所计算的数据，组装权利要求1-7之一所述的钻井系统；

步骤3、根据设计好的钻井方案，进行垂直钻井作业，所述垂直钻井作业方法具体为：

当钻进井无井斜时，智能垂直钻井系统不对钻头提供力或者提供周向均匀作用的力，不改变钻进趋势；当钻进井存在井斜时，智能垂直钻井工具的偏重单元由于重力作用，偏重侧指向井眼低边，从而使得流道控制单元的V形流道槽位于井眼低边方向，推力体伸出推力体母壳，为智能垂直钻井工具施加指向井眼高边的推力，推力经扶正器转化，转化成钻头指向井眼低边的推力，转化过程推力并被放大，从而发挥防斜打直作用。

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