竖直定向钻向下打孔的工作原理主要涉及到钻杆的角度调节、方向控制以及特殊的定向系统。以下是具体步骤和原理：

钻杆角度调节：这是定向钻技术的重要环节之一。通过电子控制系统，可以调节钻杆的角度，使钻头能够垂直向下进入地层。在定向钻中，通常可以调节的角度范围在0~360度之间，但在这个场景下，我们关注的是将角度调整为垂直向下。

钻杆方向控制：通过陀螺仪、磁力仪等传感器来探测钻杆的方向，并通过电子控制系统来调节钻杆的方向，确保钻头始终保持垂直向下。这些传感器能够实时监测钻头的变化，以确保其始终处于正确的方向上。

定向系统：定向钻机中的定向系统是实现竖直定向打孔的关键。这个系统通常由磁力仪和电子控制系统组成。磁力仪用来测量方位角，可以准确地定位钻头的方位角，确保钻头竖直向下。电子控制系统则通过接收磁力仪发出的数据，精确地控制钻头的方向。

井口设备：在井口设备上安装控制系统，包括钻头、钻柄、钻杆、转向仪表、电缆、应变仪等。当钻头开始钻孔时，转向仪表会判断钻头的当前方位，然后传递控制信号给钻柄，钻柄再通过电缆和应变仪来调整钻头的方向，确保在竖直方向上进行钻孔。

数据监测：在钻进过程中，需要不断监测钻头的位置和方向。可以通过下放测向仪器来测量井孔的磁化、倾角、方向等数据，并将其反馈到定向人员手中。根据这些数据，定向人员可以调整底部钻杆、钻头和测向仪的转动，从而改变井孔的方向和倾角，确保钻头始终保持竖直向下。

总的来说，竖直定向钻向下打孔需要精确的钻杆角度调节、方向控制以及可靠的定向系统。通过这些技术手段，可以确保钻头在竖直方向上精确地打孔。