本发明专利属于石油钻井机械领域，具体涉及一种机械导向控制装置。机械导向控制装置与矿藏机械导向钻井工具配套使用，矿藏机械导向钻井工具可转变成矿藏机械旋转导向钻井工具。
背景技术：
利用机械钻井导向装置，可研制出多个扶正棱矿藏机械垂直钻井工具。矿藏机械垂直钻井工具主要用于解决高陡斜地质构造钻井问题，达到控制井身质量和提高钻井速度目的。根据机械钻井导向装置结构，通过调整偏重块和扇形圆管相对位置，矿藏机械垂直钻井工具可转变成矿藏机械增斜、扭方位或特定装置角导向钻井工具。矿藏机械垂直钻井工具和矿藏机械增斜、扭方位或特定装置角导向钻井工具统称矿藏机械导向钻井工具。
如果作为矿藏机械垂直钻井工具，那么，对降斜率没有严格要求，只要出现井斜，矿藏机械垂直钻井工具自动降斜钻进，通过地层自然增斜和工具自动降斜重复过程，把井斜始终控制在井身质量允许范围内。如果作为矿藏机械增斜、扭方位或特定装置角导向钻井工具，那么，对造斜率将有严格要求，除下钻前调整喷嘴直径或钻进中调整钻井液排量来间接调整造斜率外，还必须具备导向钻进或不导向钻进功能。另外，如果矿藏机械导向钻井工具具备摆工具面功能，那么，矿藏机械导向钻井工具将转变成矿藏机械旋转导向钻井工具，用于调整定向井(或斜井)和水平井井眼空间钻进方向。
本发明专利提出了一种机械导向控制装置。利用机械导向控制装置，通过停泵上提钻具或下放钻具，使矿藏机械导向钻井工具具备导向钻进或不导向钻进、摆工具面功能，或者说，矿藏机械导向钻井工具可转变成矿藏机械旋转导向钻井工具。
发明专利内容
本发明专利属于石油钻井机械领域，具体涉及一种机械导向控制装置。机械导向控制装置与矿藏机械导向钻井工具配套使用，矿藏机械导向钻井工具可转变成矿藏机械旋转导向钻井工具。
本发明专利采用如下具体技术方案实现：
机械导向控制装置主要由上接头、传动轴、密封圈、密封筒、下接头、弹簧座、金属球、活塞、弹簧和控制管组成。
上接头是中孔、厚壁金属管。从外部来看，上接头是圆柱体，称为咬合段，用于现场钳头咬合上、卸扣操作。从内部来看，上接头上端是螺纹段，用于连接上部钻具；螺纹段下面是钻井液流道；钻井液流道下面或上接头下端是螺纹段，用于连接传动轴。
传动轴是中孔、厚壁金属轴。从外部来看，传动轴上端是螺纹段，用于连接上接头；螺纹段下面是上密封段，通过密封圈与密封筒形成液动密封，确保机械导向控制装置不刺不漏；上密封段下面是限位段，直径与密封筒限位段内径相同，且大于传动轴上密封段和扭矩传动段直径，用于限制传动轴活动范围；限位段下面是扭矩传动段，附图1中扭矩传动段为双直边扁圆柱体，具体应用中可设计加工成单直边扁圆柱体，或多直边扁圆柱体，或其他形状柱体，具体在设计加工时统筹考虑，其技术参数与下接头扭矩传动段相匹配；扭矩传动段下面是锁紧段，管体上加工有锁紧孔，同一横截面锁紧孔周向均布且称为一排锁紧孔，具体孔数在设计加工时统筹考虑，附图1中锁紧段为一排锁紧孔，具体应用中可设计加工多排锁紧孔且相邻排锁紧孔周向错开，具体排数在设计加工时统筹考虑；锁紧段下面或传动轴下端是下密封段，且与下接头密封段相匹配，可按偶件配套研磨，或密封圈密封，或其他形式密封。从内部来看，传动轴上端是钻井液流道，内径相对较小；钻井液流道下面是锁紧段，内径相对较大，用于安装活塞和弹簧；锁紧段下面或传动轴下端是螺纹段，用于安装弹簧座。
密封筒是中孔、厚壁金属管。从外部来看，密封筒是圆柱体。从内部来看，密封筒上端是密封段，加工有密封槽，通过密封圈与传动轴形成液动密封，附图1中密封段为一道密封槽，具体应用中可设计加工多道或多种密封槽，密封圈可为o型圈、油封、导向带、防尘圈或任意密封组合，具体在设计加工时统筹考虑；密封段下面是限位段，内径相对较大且与传动轴限位段直径相等；限位段下面或密封筒下端是螺纹段，用于连接下接头。
下接头是中孔、厚壁金属管。从外部来看，下接头上端是螺纹段，用于连接密封筒；螺纹段下面是圆柱体，称为咬合段，用于现场钳头咬合上、卸扣操作；咬合段下面或下接头下端是螺纹段，用于连接下部钻具。从内部来看，下接头上端是扭矩传动段，其形状与传动轴扭矩传动段相同且技术参数相匹配，传动轴通过扭矩传动段将扭矩传递给下接头；扭矩传动段下面是锁紧段，上、下部锁紧槽分别称为导向锁紧槽和不导向锁紧槽，附图1中锁紧段分别为一道导向锁紧槽和一道不导向锁紧槽，具体应用中可设计加工多道导向锁紧槽和多道不导向锁紧槽，且二者均与传动轴上锁紧孔排数相等，具体道数在设计加工时统筹考虑；锁紧段下面是密封段，且与传动轴下密封段相匹配，可按偶件配套研磨，或密封圈密封，或其他形式密封；密封段下面或下接头下端是钻井液流道，内径相对较小。
弹簧座是中孔、薄壁金属管。从外部来看，弹簧座是螺纹段，通过螺纹安装在传动轴内孔下端，用于固定弹簧。从内部来看，弹簧座上端是钻井液流道，内径相对较小，用于限制控制管；钻井液流道下面或弹簧座下端是螺纹段，用于连接控制管。
活塞是中孔、厚壁金属管。从外部来看，活塞上端是锁紧段，加工有锁紧槽，附图1中锁紧段为一道锁紧槽，具体应用中可设计加工多道锁紧槽，且与传动轴上锁紧孔排数相等，具体道数在设计加工时统筹考虑；锁紧段下面或活塞下端是弹簧轴，直径相对较小，用于安装和固定弹簧。从内部来看，活塞内部是钻井液流道，上端内径相对较大，下端内径相对较小，当高压钻井液通过时形成压差，推动活塞下行。
控制管是中孔、薄壁金属管。从外部来看，控制管上端是螺纹段，通过螺纹安装在弹簧座上；螺纹段下面是导向段，可加工安装导向键或导向槽且与矿藏机械导向钻井工具中机械导向驱动装置相匹配，导向键为金属圆柱体，导向槽为马蹄型斜口金属管，具体在设计加工时统筹考虑；导向段下面是管柱段；管柱段下面是密封段，附图2中密封段为两道密封槽，具体应用中可设计加工多道密封槽，且与矿藏机械导向钻井工具中密封座相匹配，具体道数在设计加工时统筹考虑；密封段下面或控制管下端是泄流段，设计加工有泄流孔，泄流孔数量、直径和位置在设计加工时统筹考虑。从内部来看，控制管内部是钻井液流道，直径相同。控制管导向段与矿藏机械导向钻井工具中机械导向驱动装置配套使用，使矿藏机械导向钻井工具在不导向钻进状态下具备摆工具面功能。传动轴下密封段、控制管密封段和泄流段分别与下接头密封段和矿藏机械导向钻井工具中密封座配套使用，使矿藏机械导向钻井工具具备导向钻进或不导向钻进功能。矿藏机械导向钻井工具结构不同，控制管中导向段、管柱段、密封段和泄流段排列顺序和方式不同，具体在设计加工时统筹考虑。
组装时，首先，自传动轴下端安装活塞、弹簧和弹簧座；其次，金属球放进传动轴锁紧孔，把传动轴安装进下接头，安装过程中防止金属球跌落；再次，密封圈放进密封筒密封槽，把密封筒安装到传动轴上，安装过程中防止密封圈挤坏；然后，连接密封筒和下接头，上接头和传动轴；最后，从机械导向控制装置底部安装控制管，且在上接头外部划痕表示出控制管上导向槽或导向键所在方位。组装环境或条件不同，机械导向控制装置组装顺序或方法不同，具体在组装时统筹考虑。
对于上接头和传动轴、密封筒和下接头之间连接部位，可加工防掉功能，或不加工防掉功能，具体在设计加工时统筹考虑。对于上接头和传动轴、密封筒和下接头、传动轴和弹簧座、弹簧座和控制管之间连接部位，可加工密封槽，或不加工密封槽，具体在设计加工时统筹考虑。对于传动轴和弹簧座、弹簧座和控制管之间连接形式，除螺纹外，可采用其他连接形式，具体在设计加工时统筹考虑。对于弹簧座和控制管，可为整体结构，可为分体结构组合而成，具体在设计加工时统筹考虑。
对于扭矩传动段，可以是传动轴扭矩传动段相对较长，下接头扭矩传动段相对较短，或者，可以是传动轴扭矩传动段相对较短，下接头扭矩传动段相对较长，具体在设计加工时统筹考虑。但是，传动轴扭矩传动段长度和下接头扭矩传动段长度差值等于控制管行程。
对于传动轴和下接头之间锁紧形式，除金属球外，可采用圆柱状锁紧块，或背斜燕尾槽锁紧块，或背斜t型槽锁紧块，或其他形状锁紧块，锁紧块形状不同，传动轴锁紧孔、下接头导向锁紧槽和不导向锁紧槽、活塞锁紧槽形状也不同，但技术参数相匹配，具体在设计加工时统筹考虑。
传动轴结构不同，密封筒和下接头结构和形状也不同，其中有可能个别部件需要分开加工，有可能多个部件需要合并加工，具体在设计加工时统筹考虑。当传动轴外部结构自上而下依次调整成螺纹段、上密封段、锁紧段、限位段、扭矩传动段和下密封段时，密封筒内部结构将调整成密封段、锁紧段、限位段和螺纹段，下接头内部结构将调整成扭矩传动段、密封段和钻井液流道。
活塞和弹簧安装位置或方向不同，机械导向控制装置结构不同。进一步说，活塞和弹簧可从传动轴内部上端安装，也可从传动轴内部下端安装，安装方向不同，传动轴和活塞结构和形状将随之调整和改变，具体在设计加工时统筹考虑。
本发明专利的有益效果是：机械导向控制装置和矿藏机械导向钻井工具可为整体结构，可为分体结构。无论何种结构，通过机械导向控制装置，矿藏机械导向钻井工具可转变成矿藏机械旋转导向钻井工具。停泵，上提钻具，传动轴随钻具上行，传动轴锁紧孔与下接头导向锁紧槽对齐，传动轴下密封段离开下接头密封段，控制管随传动轴上行，控制管导向段、密封段和泄流段分别离开矿藏机械导向钻井工具中机械导向驱动装置和密封座，开泵，高压钻井液推动活塞下行，压缩弹簧，将金属球挤到传动轴锁紧孔和下接头导向锁紧槽空间内且将传动轴和下接头锁紧，同时，控制管内高压钻井液通过控制管泄流孔进入矿藏机械导向钻井工具中机械钻井导向装置，矿藏机械导向钻井工具具备导向钻进功能。停泵，下放钻具，传动轴随钻具下行，传动轴锁紧孔与下接头不导向锁紧槽对齐，传动轴下密封段进入下接头密封段，控制管随传动轴下行，控制管导向段、密封段和泄流段分别进入矿藏机械导向钻井工具中机械导向驱动装置和密封座，开泵，高压钻井液推动活塞下行，压缩弹簧，将金属球挤到传动轴锁紧孔和下接头不导向锁紧槽空间内且将传动轴和下接头锁紧，控制管导向段与矿藏机械导向钻井工具中机械导向驱动装置相关联，矿藏机械导向钻井工具具备摆工具面功能，同时，控制管内高压钻井液无法通过控制管泄流孔进入矿藏机械导向钻井工具中机械钻井导向装置，矿藏机械导向钻井工具具备不导向钻进功能。
附图说明
附图1是本发明专利机械导向控制装置结构图和c-c剖面图。
附图1标记说明：1-上接头、2-传动轴、3-密封圈、4-密封筒、5-下接头、6-弹簧座、7-金属球、8-活塞、9-弹簧、10-控制管。
附图2是本发明专利机械导向控制装置中控制管结构图。
附图2标记说明：1-螺纹段、2-导向键、3-导向槽、4-管柱段、5-密封槽、6-泄流孔。
具体实施方式
机械导向控制装置主要由上接头(1)、传动轴(2)、密封圈(3)、密封筒(4)、下接头(5)、弹簧座(6)、金属球(7)、活塞(8)、弹簧(9)和控制管(10)组成。
下面结合附图和实施例对本发明专利作进一步说明。
上接头(1)是中孔、厚壁金属管。从外部来看，上接头(1)是圆柱体，称为咬合段，用于现场钳头咬合上、卸扣操作。从内部来看，上接头(1)上端是螺纹段，用于连接上部钻具；螺纹段下面是钻井液流道；钻井液流道下面或上接头(1)下端是螺纹段，用于连接传动轴(2)。
传动轴(2)是中孔、厚壁金属轴。从外部来看，传动轴(2)上端是螺纹段，用于连接上接头(1)；螺纹段下面是上密封段，通过密封圈(3)与密封筒(4)形成液动密封，确保机械导向控制装置不刺不漏；上密封段下面是限位段，直径与密封筒(4)限位段内径相同，且大于传动轴(2)上密封段和扭矩传动段直径，用于限制传动轴(2)活动范围；限位段下面是扭矩传动段，附图1中扭矩传动段为双直边扁圆柱体，具体应用中可设计加工成单直边扁圆柱体，或多直边扁圆柱体，或其他形状柱体，具体在设计加工时统筹考虑，其技术参数与下接头(5)扭矩传动段相匹配；扭矩传动段下面是锁紧段，管体上加工有锁紧孔，同一横截面锁紧孔周向均布且称为一排锁紧孔，具体孔数在设计加工时统筹考虑，附图1中锁紧段为一排锁紧孔，具体应用中可设计加工多排锁紧孔且相邻排锁紧孔周向错开，具体排数在设计加工时统筹考虑；锁紧段下面或传动轴(2)下端是下密封段，且与下接头(5)密封段相匹配，可按偶件配套研磨，或密封圈密封，或其他形式密封。从内部来看，传动轴(2)上端是钻井液流道，内径相对较小；钻井液流道下面是锁紧段，内径相对较大，用于安装活塞(8)和弹簧(9)；锁紧段下面或传动轴(2)下端是螺纹段，用于安装弹簧座(6)。
密封筒(4)是中孔、厚壁金属管。从外部来看，密封筒(4)是圆柱体。从内部来看，密封筒(4)上端是密封段，加工有密封槽，通过密封圈(3)与传动轴(2)形成液动密封，附图1中密封段为一道密封槽，具体应用中可设计加工多道或多种密封槽，密封圈(3)可为o型圈、油封、导向带、防尘圈或任意密封组合，具体在设计加工时统筹考虑；密封段下面是限位段，内径相对较大且与传动轴(2)限位段直径相等；限位段下面或密封筒(4)下端是螺纹段，用于连接下接头(5)。
下接头(5)是中孔、厚壁金属管。从外部来看，下接头(5)上端是螺纹段，用于连接密封筒(4)；螺纹段下面是圆柱体，称为咬合段，用于现场钳头咬合上、卸扣操作；咬合段下面或下接头(5)下端是螺纹段，用于连接下部钻具。从内部来看，下接头(5)上端是扭矩传动段，其形状与传动轴(2)扭矩传动段相同且技术参数相匹配，传动轴(2)通过扭矩传动段将扭矩传递给下接头(5)；扭矩传动段下面是锁紧段，上、下部锁紧槽分别称为导向锁紧槽和不导向锁紧槽，附图1中锁紧段分别为一道导向锁紧槽和一道不导向锁紧槽，具体应用中可设计加工多道导向锁紧槽和多道不导向锁紧槽，且二者均与传动轴(2)上锁紧孔排数相等，具体道数在设计加工时统筹考虑；锁紧段下面是密封段，且与传动轴(2)下密封段相匹配，可按偶件配套研磨，或密封圈密封，或其他形式密封；密封段下面或下接头(5)下端是钻井液流道，内径相对较小。
弹簧座(6)是中孔、薄壁金属管。从外部来看，弹簧座(6)是螺纹段，通过螺纹安装在传动轴(2)内孔下端，用于固定弹簧(9)。从内部来看，弹簧座(6)上端是钻井液流道，内径相对较小，用于限制控制管(10)；钻井液流道下面或弹簧座(6)下端是螺纹段，用于连接控制管(10)。
活塞(8)是中孔、厚壁金属管。从外部来看，活塞(8)上端是锁紧段，加工有锁紧槽，附图1中锁紧段为一道锁紧槽，具体应用中可设计加工多道锁紧槽，且与传动轴(2)上锁紧孔排数相等，具体道数在设计加工时统筹考虑；锁紧段下面或活塞(8)下端是弹簧轴，直径相对较小，用于安装和固定弹簧(9)。从内部来看，活塞(8)内部是钻井液流道，上端内径相对较大，下端内径相对较小，当高压钻井液通过时形成压差，推动活塞(8)下行。
控制管(10)是中孔、薄壁金属管。从外部来看，控制管(10)上端是螺纹段，通过螺纹安装在弹簧座(6)上；螺纹段下面是导向段，可加工安装导向键或导向槽且与矿藏机械导向钻井工具中机械导向驱动装置相匹配，导向键为金属圆柱体，导向槽为马蹄型斜口金属管，具体在设计加工时统筹考虑；导向段下面是管柱段；管柱段下面是密封段，附图2中密封段为两道密封槽，具体应用中可设计加工多道密封槽，且与矿藏机械导向钻井工具中密封座相匹配，具体道数在设计加工时统筹考虑；密封段下面或控制管(10)下端是泄流段，设计加工有泄流孔，泄流孔数量、直径和位置在设计加工时统筹考虑。从内部来看，控制管(10)内部是钻井液流道，直径相同。控制管(10)导向段与矿藏机械导向钻井工具中机械导向驱动装置配套使用，使矿藏机械导向钻井工具在不导向钻进状态下具备摆工具面功能。传动轴(2)下密封段、控制管(10)密封段和泄流段分别与下接头(5)密封段和矿藏机械导向钻井工具中密封座配套使用，使矿藏机械导向钻井工具具备导向钻进或不导向钻进功能。矿藏机械导向钻井工具结构不同，控制管(10)中导向段、管柱段、密封段和泄流段排列顺序和方式不同，具体在设计加工时统筹考虑。
组装时，首先，自传动轴(2)下端安装活塞(8)、弹簧(9)和弹簧座(6)；其次，金属球(7)放进传动轴(2)锁紧孔，把传动轴(2)安装进下接头(5)，安装过程中防止金属球(7)跌落；再次，密封圈(3)放进密封筒(4)密封槽，把密封筒(4)安装到传动轴(2)上，安装过程中防止密封圈(3)挤坏；然后，连接密封筒(4)和下接头(5)，上接头(1)和传动轴(2)；最后，从机械导向控制装置底部安装控制管(10)，且在上接头(1)外部划痕表示出控制管(10)上导向槽或导向键所在方位。组装环境或条件不同，机械导向控制装置组装顺序或方法不同，具体在组装时统筹考虑。
对于上接头(1)和传动轴(2)、密封筒(4)和下接头(5)之间连接部位，可加工防掉功能，或不加工防掉功能，具体在设计加工时统筹考虑。对于上接头(1)和传动轴(2)、密封筒(4)和下接头(5)、传动轴(2)和弹簧座(6)、弹簧座(6)和控制管(10)之间连接部位，可加工密封槽，或不加工密封槽，具体在设计加工时统筹考虑。对于传动轴(2)和弹簧座(6)、弹簧座(6)和控制管(10)之间连接形式，除螺纹外，可采用其他连接形式，具体在设计加工时统筹考虑。对于弹簧座(6)和控制管(10)，可为整体结构，可为分体结构组合而成，具体在设计加工时统筹考虑。
对于扭矩传动段，可以是传动轴(2)扭矩传动段相对较长，下接头(5)扭矩传动段相对较短，或者，可以是传动轴(2)扭矩传动段相对较短，下接头(5)扭矩传动段相对较长，具体在设计加工时统筹考虑。但是，传动轴(2)扭矩传动段长度和下接头(5)扭矩传动段长度差值等于控制管(10)行程。
对于传动轴(2)和下接头(5)之间锁紧形式，除金属球(7)外，可采用圆柱状锁紧块，或背斜燕尾槽锁紧块，或背斜t型槽锁紧块，或其他形状锁紧块，锁紧块形状不同，传动轴(2)锁紧孔、下接头(5)导向锁紧槽和不导向锁紧槽、活塞(8)锁紧槽形状也不同，但技术参数相匹配，具体在设计加工时统筹考虑。
传动轴(2)结构不同，密封筒(4)和下接头(5)结构和形状也不同，其中有可能个别部件需要分开加工，有可能多个部件需要合并加工，具体在设计加工时统筹考虑。当传动轴(2)外部结构自上而下依次调整成螺纹段、上密封段、锁紧段、限位段、扭矩传动段和下密封段时，密封筒(4)内部结构将调整成密封段、锁紧段、限位段和螺纹段，下接头(5)内部结构将调整成扭矩传动段、密封段和钻井液流道。
活塞(8)和弹簧(9)安装位置或方向不同，机械导向控制装置结构不同。进一步说，活塞(8)和弹簧(9)可从传动轴(2)内部上端安装，也可从传动轴(2)内部下端安装，安装方向不同，传动轴(2)和活塞(8)结构和形状将随之调整和改变，具体在设计加工时统筹考虑。
实施例
机械导向控制装置和矿藏机械导向钻井工具可为整体结构，可为分体结构。无论何种结构，通过机械导向控制装置，矿藏机械导向钻井工具可转变成矿藏机械旋转导向钻井工具。
停泵，上提钻具，传动轴(2)随钻具上行，传动轴(2)锁紧孔与下接头(5)导向锁紧槽对齐，传动轴(2)下密封段离开下接头(5)密封段，控制管(10)随传动轴(2)上行，控制管(10)导向段、密封段和泄流段分别离开矿藏机械导向钻井工具中机械导向驱动装置和密封座，开泵，高压钻井液推动活塞(8)下行，压缩弹簧(9)，将金属球(7)挤到传动轴(2)锁紧孔和下接头(5)导向锁紧槽空间内且将传动轴(2)和下接头(5)锁紧，同时，控制管(10)内高压钻井液通过控制管(10)泄流孔进入矿藏机械导向钻井工具中机械钻井导向装置，矿藏机械导向钻井工具具备导向钻进功能。
停泵，下放钻具，传动轴(2)随钻具下行，传动轴(2)锁紧孔与下接头(5)不导向锁紧槽对齐，传动轴(2)下密封段进入下接头(5)密封段，控制管(10)随传动轴下行，控制管(10)导向段、密封段和泄流段分别进入矿藏机械导向钻井工具中机械导向驱动装置和密封座，开泵，高压钻井液推动活塞(8)下行，压缩弹簧(9)，将金属球(7)挤到传动轴(2)锁紧孔和下接头(5)不导向锁紧槽空间内且将传动轴(2)和下接头(5)锁紧，控制管(10)导向段与矿藏机械导向钻井工具中机械导向驱动装置相关联，矿藏机械导向钻井工具具备摆工具面功能，同时，控制管(10)内高压钻井液无法通过控制管(10)泄流孔进入矿藏机械导向钻井工具中机械钻井导向装置，矿藏机械导向钻井工具具备不导向钻进功能。
以上对本发明专利的说明仅是优选范例，并不能被理解为对本发明专利技术方案内容的限制。以上内容在具体应用中，技术人员有可能需要根据具体情况作个别调整和改变，所述调整和改变均应落入本发明专利所附权利要求的保护范围之中。