现代钻井工程的主题是努力降低钻井成本,提高探井的成功率。利用现代高新技术提高钻井速度、保证钻井质量、减少钻井事故是实现这一主题的关键。要实现现代钻井目标,就必须像汽车工业、化学工业那样,实现作业的自动化闭环控制,即实现闭环钻井,尽量把人力从钻井操作中解放出来,从根本上解决钻井作业过程中存在的各种问题,提高井眼轨迹控制精度和钻井整体经济效益。自动垂直钻井工具的研究在我国还属于起步阶段,研制自动垂直钻井工具,可以在许多难钻区域极好地完成垂直钻井的任务,同时大大节约了成本,进而有效地解决我国防斜打快的问题。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,以武汉科技大学机械自动化学院“垂直钻井的井下机电液系统闭环控制理论与技术研究”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.根据自动垂直钻井技术的要求和特点,本文分析了自动垂直钻井工具的结构及其导向原理,介绍了作为其纠偏机构的液压控制系统的结构和原理,并阐述了自动垂直钻井控制系统控制原理以及自动控制方法。2.利用武汉科技大学电液系统实验装置,进行了井下喷射模拟实验,并运用喷射流场模型对实验结果进行了分析和验证。最后,利用ANSYS软件中的FLOTRAN模型对喷射实验过程进行了数值模拟。3.基于井下电磁换向阀的结构,构建了换向阀整体数学模型,并用传递函数方框图加以描述。4.利用MATLAB/Simulink技术对换向阀系统模型进行了仿真和稳定性分析,并利用ITEA准则对系统进行了校正和参数优化。其结果令人满意。