加快页岩油气、煤层气等非常规油气资源的开发对降低我国油气对外依存度,提高油气自给能力,保障国家能源安全具有重要意义。随着非常规油气资源开发的不断深入,以水平井为基础的相关复杂结构井的比例不断提高,进而面临机械钻速低且携岩困难的问题,对钻井技术尤其是钻头技术提出了更高的要求。因此,本文设计了一种既能利用射流负压抽汲原理降低井底压力,又能利用射流粉碎原理对井底岩屑进行二次粉碎的高效抗涡动射流磨钻头,从而在减小井底岩屑压持效应、提高机械钻速的同时,提高钻井液携岩效率、消除水平井岩屑床,这对提高水平井钻井效率、缩短钻井周期具有重要意义。借鉴射流泵特性方程理论,基于能量守恒定律,定义了射流磨钻头无量纲水力特性参数,推导了射流磨钻头水力特性方程,得出了水力特性曲线,进而从理论角度阐述了射流磨钻头内流道流场的流动与工作特性,给出了最优水力效率和最优压力比的优选方法;研究了摩擦损失系数、靶体倾角和机械钻速对射流磨钻头水力工作特性的影响规律,给出了每种参数的优选策略。将射流磨钻头的水力效果分为依赖于正向射流喷嘴的“冷却清岩”效果和依赖于反向射流喷嘴的“降压促返”效果,认为射流磨钻头水力参数的优化必须同时以最大“冷却清岩”效果和最大“降压促返”效果为优化目标;推导了射流磨钻头清岩水力参数的理论计算公式,提出了“最大携岩水力效率和最大清岩射流水功率”、“最大携岩水力效率和最大清岩射流冲击力”两种水力参数优化方法,建立了优化目标函数和约束条件,给出了具体优化流程,并进行了算例分析,形成了完整的射流磨钻头水力参数优化理论和方法。分析了岩屑颗粒从井底生成到通过射流磨钻头内流道的整个过程,得出岩屑在此过程中的二次粉碎机理分别为岩屑脱离母岩时的压力释放效应、射流对岩屑的冲击和水楔效应、岩屑颗粒与靶体的冲击粉碎效应;基于固液两相互作用理论,推导了岩屑在混合加速管中随钻井液加速运动的理论方程,得出了岩屑加速末速度,分析了钻井液流量和岩屑粒径对岩屑加速效果的影响规律;从功能角度,建立了岩屑加速末速度和岩屑粉碎功之间的关系,推导了岩屑粉碎过程的控制方程,从而得到了岩屑从喉管进入到从扩散管排出整个过程中的加速与粉碎理论分析模型,并给出了具体分析流程;利用CFD-DPM仿真模型,研究了含屑钻井液对射流磨钻头内流道的冲蚀情况,明确了内流道壁面受岩屑颗粒冲蚀的特点和规律。利用静力学仿真分析了射流磨钻头在现场工况载荷情况下的应力与应变情况,结果表明内流道结构并不影响射流磨钻头的结构强度安全;利用流场仿真研究了射流磨钻头的流场规律,阐述了射流磨钻头的水力工作原理;在流场仿真基础上,联合射流磨钻头起钻安全性实验,得出了射流磨钻头排屑槽内边界弧长的最小安全阀值,并给出了合理取值范围;联合射流磨钻头降压性能实验,检验了射流磨钻头降低井底压力的能力,分析了流量比和面积比对降压性能的影响规律,并结合射流磨钻头水力特性方程理论进行了对比验证。首次提出了“分区法”来区分固定刀翼式钻头切削过程中的不同切削阶段,钻头在每个切削阶段都具有不同的切削受力情况,对所有切削阶段依次进行研究,可以实现对钻头切削过程的精确分析。基于分区法提出了全阶段侧向力平衡方法,建立了以全阶段侧向力最小为目标,以所有切削齿周向角为优化变量的全阶段布齿优化模型。基于NSGA-II算法求出了优化模型的Pareto最优解集,给出了基于模糊综合评价法的个体解评价和最优解优选方法。以射流磨钻头布齿结构为优化对象,进行了基于分区法的全阶段布齿优化,优化结果显示所有切削阶段的侧向力与钻压比值都可以控制在5%以内,从而实现射流磨钻头的真正侧向力平衡。