自动垂直钻井技术代表着钻井工程从经验钻井向科学钻井技术发展迈进的重要一步。随着钻探工程技术的不断拓展，各种高垂直度的钻孔越来越多，这就需要进行保直钻进。目前，国外在这个领域的研究已经有了很大的突破，许多国家已经研制出了垂直钻井系统，并且应用在实际钻井中，它是在无缆随钻测量系统的基础上，增加了自动纠斜装置的垂直钻进系统，从而使得钻孔保持垂直钻进。在我国，随钻测量系统的研究正在进行之中，垂钻样机的研制也处于试验和完善阶段，在自动控向垂直钻探这一领域，还有很多技术有待突破。 在垂直钻进过程中，电源是井下自动测斜和自动纠斜的闭环钻进工具工作时不可或缺的，目前采用的电源主要有三种形式： (1)利用井下浆液驱动涡轮式发电机发电； (2)采用可充电的电池作为电源； (3)利用钻杆直接驱动发电机发电。 本文研究的是采用钻井液驱动螺杆马达式发电机供电系统，它是井下供电系统的一种新型组合，目前的构想是主要应用于小口径自动垂钻系统。 小孔径自动垂钻供电系统采用的井下发电机，是一种永磁式三相交流发电机，额定功率为250瓦，电压必须满足测斜及纠斜等执行机构电子设备的需要。在我国，发电机技术的研究已经取得了长足的发展，已经能够自行设计制造各种需求的发电机。目前国内厂家的电机制造技术已经非常成熟，各种特种电机(如在航海中使用的水下电机等)都能够自行生产，从这个角度考虑，本文研究的发电机完全可以实现井底所需的电力及防水抗压要求，而且可以实现易于控制的目标。 此次对于螺杆马达驱动的小口径自动垂钻供电装置的研究，在国内尚属首次，由于国外技术资料的保密和控制，可供参考的信息很少。本研究改变了以往用钻杆直接驱动或涡轮驱动的井下发电模式，这种采取用螺杆马达驱动井下发电机的新型组合模式，既是一种尝试，也是一种创新。本供电系统的核心动力是螺杆马达，所以本研究的井下电源部分也可以算是螺杆钻具一种新型应用的扩展。目前国内的螺杆马达的设计制造技术已经很成熟，并且衬套新材料的应用水平也获得了很大的提高，大大延长了螺杆马达的使用寿命，螺杆马达尺寸规格也更加系列化，直径尺寸由54mm扩至286mm，都可以成批生产，螺杆一衬套副运动比值有3:4，4:5…9:10等多线单螺杆马达，各主要厂家如北京、天津、无锡、大港、德州、潍坊等地的产品己覆盖国内绝大部分市场。 本文在了解国内外自动垂直钻井技术的发展及应用概况的情况下，以中国地质大学(武汉)工程学院“电磁波随钻遥测式自动垂钻系统关键技术研究”国家863项目为背景，就自动垂直钻井系统的理论和相关技术进行了较为深入的研究： 1、通过研究自动垂直钻井技术的要求和特点，特别是小口径钻进的特点，主要根据小口径牙轮钻进的钻进规程参数确定了小口径自动垂钻供电系统外形结构参数和性能参数，初步确定了小口径自动垂钻的螺杆马达驱动井下发电机组合的结构模型。 2、通过研究螺杆马达的工作原理和结构原理，从钻进要求的钻进液流量和钻具口径尺寸等参数着手分析，选取了适合于本供电系统的螺杆马达基本参数，设计计算出了螺杆马达主要的结构参数和性能参数。通过研究发电机的工作原理和结构原理，结合垂钻电子设备的需求，初步确定发电机的性能参数和结构参数，提出了发电机的基本结构模型。 3、针对本螺杆马达的特点，设计了螺杆马达性能测试实验台，详细介绍了实验台的组成以及实验仪器设备；提出了以流量测量、压力测量、扭矩测量、转速测量和温度测量作为数据采集目标的实验方案，详细论述了螺杆马达空载实验、负载实验、连续运转实验和超载实验的实验要求及实验内容。 4、依据供电系统对发电机的要求，设计了发电机的性能测试实验的原理和方法，按照国标GB/T10760.2-89和GB/T10760.2-2003规定的要求具体介绍了电阻测试实验、启动阻力矩测定实验、空载电压测定实验、额定转速测试、效率测定以及负载特性实验的内容和方法，并简单介绍了发电机的温升实验和密封实验的内容。 5、最后，组合整个供电系统，对系统进行整体实验，主要介绍供电系统的空载实验和效率实验，目的是测定电源工作的最佳工况和整体工作效率，检验电源的电能输出参数(如电压、功率等)能否垂钻电子设备的需求，同时也可以测定供电系统整体运行的稳定性和可靠性。 本文提出的井下螺杆马达式发电机的设计构想，在理论上已经证实了其可行性，实际的应用有待于后续实验的正式检验。如果试验成功，它将对小孔径自动垂钻技术的国产化进程起到积极的促进作用。