浅层资源日益紧缺,能源勘查和开采逐步向深部进发是未来发展趋势。在钻进过程中,钻柱随孔深加深其长度在增加,受到的回转扭矩也随之增大,提前损坏的机率增高,极易导致井内事故的发生。为此,课题组提出自平衡钻进原理,钻具采用“双钻头”钻进模式,取消了地面钻机和孔内钻杆,进而消除钻柱回转钻进产生的反扭矩及其造成的危害,且双钻头双向回转碎岩能够减小钻头对孔壁的扰动,从而提高钻进的综合效率。本文在课题组以往研究的基础之上,研究单、双钻头碎岩过程,从钻头齿型结构、胎体材料等入手研究提高双钻头性能,试验对比研究单、双钻头分别对地层的扰动情况。主要研究内容及结论如下:(1)开展了双向回转条件下钻头碎岩过程的分析,分别以钻头和孔底与钻头接触的岩石为研究对象,进行理论计算和模拟分析。得出结论:双钻头相互逆向回转,近钻头扭矩平衡,上部钻具不回转,且只受到拉、压力作用,避免钻具对孔壁的连续扰动。(2)开展了孕镶金刚石钻头的齿型结构对其碎岩性能的影响研究,主要通过软件模拟和试验的手段开展孕镶金刚石钻头齿宽和齿厚对其碎岩性能的影响。得出结论:通过针对坚硬花岗岩,特定的胎体骨架材料配方,孕镶金刚石钻头的齿宽平均为14.42mm、齿厚为5mm时,钻头的碎岩效果更佳。(3)开展了低温浸渍金属配方对钻头综合性能的影响研究,通过制备含有Sn、Ga的低温浸渍金属配方,优选出能够降低钻头的烧结温度、改善胎体材料对金刚石的把持能力和提高钻头整体性能的低温浸渍配方。通过试验研究和相关的微观组织和形貌观察得出:低温金属与常规铜合金配制的低温浸渍合金,低温金属占铜合金质量3wt%时,使烧结温度下降120℃,胎体的综合性能得到较大提升,胎体硬度提高36%、抗弯强度提高28%、耐磨性提高41%。同时,增加浸渍金属对骨架材料和金刚石颗粒的润湿性,提高胎体对金刚石的把持能力,通过试验得出钻头机械钻速提高5%、寿命提高5%。(4)开展了内、外双钻头碎岩过程试验研究。通过单、双钻头钻进复杂人造地层室内试验,观察孔壁表面形貌,得出初步结论:双钻头双向回转钻进对地层的扰动较单钻头小。本文通过对单、双钻头试验和胎体材料的研究,明晰了双向回转碎岩过程,有效提高了钻头机械钻速和工作寿命,为后续自平衡双钻头钻进系统的深入研究和应用打下了坚实的理论基础。