旋转自动导向闭环钻井技术是20世纪末期发展起来的一项尖端自动化钻井技术。我国目前还没有完全掌握旋转导向系统关键技术。综合分析与对比国外旋转导向系统,由于内偏置指向式旋转导向系统具有井身质量高,无螺旋井眼,较长的钻头使用寿命、受地层软硬程度以及井眼扩径等因素影响小、具有更好的钻进延伸极限等优点,已被油田技术服务公司以及油公司认可和接受。本文基于指向式旋转导向钻井系统模型,在对国外相关的旋转导向技术有限的技术资料调研基础上,系统深入地研究了机械式内偏置指向式旋转导向工具相关力学理论、与其相关的钻井工具机械结构设计方法以及基于导向矢量导向工具控制方法,提出了一整套机械式内偏置指向式旋转导向工具技术方案,给出了总体机械结构设计方案和导向工具导向矢量控制方法。同时,取得了一定的研究成果,归纳如下:1)以指向式旋转导向系统为模型,基于符合工程设计以及提高心轴使用寿命的边界条件,建立了偏置状态下的心轴力学模型,推导了心轴轴身的挠曲线方程、挠曲角度方程、弯矩方程以及支撑点处的力学方程。2)对心轴在最大工况下的弯曲强度、剪切强度以及弯扭组合强度进行了计算和分析,为心轴材料的选择、结构尺寸设计、加工精度等级、材料热处理要求等工程设计等提供了良好的理论支撑。3)通过室内偏置心轴静力学实验研究,较好地验证了基于指向式旋转导向系统偏置心轴力学模型的理论力学公式。通过偏置心轴旋转实验,检验了心轴上下轴承支撑位以及偏置单元施力装置及其轴承为的结构设计,暴露了一些关键性问题,为样机工程设计提供了良好的改进设计思路和依据。4)以偏置矢量为控制对象和设计思路,基于滑块斜面原理,创新性地设计出一套丝杠驱动的双对顶滑块斜面导向偏置机构,给出基于导向矢量最优控制的偏置机构方案设计。同时,给出了偏置位移矢量的控制方法。5)为解决井底高压动密封问题、电池电能消耗问题以及心轴悬臂端支撑轴承寿命低等问题,本文分别给出了旋转导向工具压力平衡系统设计方案、姿态稳定外筒防旋转装置结构方案以及提高悬臂端轴承使用寿命的技术解决方案。6)以内偏置导向机构偏置位移矢量控制方法为基础,通过井下井眼轨迹惯性测量单元,建立了大地坐标系与偏置导向机构控制平面坐标系之间的位置关系,从而通过导向工具自身安装的惯性测量单元实现对井底旋转导向工具的导向矢量控制。设计了基于机械同步器的均布四对顶滑块斜面组伺服驱动系统控制方案。给出了基于导向工具控制平面以及考虑惯性测量单元安装角的偏置位移矢量解算方法。