随着社会经济的不断进步发展，特别是进入21世纪以来，世界各国特别是中国对各种矿产资源尤其是油气资源、铁矿石、煤炭等基础资源的需求量越来越大，与而同时我国的开发难度低的浅表层矿山资源的勘探开发已接近了尾声，而中西部边远地区因为复杂的地质与恶劣的自然环境条件一直没有得到充分的勘查。世界范围内资源的供应与价格问题对中国经济发展的影响逐渐的浮出水面，所以为了中国经济的稳定增长，应该立足于国内的资源自给，开发研究先进设备与钻探工艺技术以保障各种资源的供应显得尤为重要。我国自主研发的贯通式潜孔锤反循环连续取心钻探技术是集潜孔锤高效碎岩、流体介质全孔反循环、不停钻连续获取岩矿心三种先进钻探工艺于一体，效率可达常规钻探方法的6～10倍，全孔反循环对孔壁无冲刷，不停钻连续地排出岩（矿）心，不用水，不受季节寒冷、地层破碎或冻结、缺水等因素的影响，可以用于西部边远地区的矿产勘查工作。吉林大学现在该技术研究中处于国际领先地位，利用该技术解决了一大批钻探难题。但在推广该项技术过程中也发现一些问题：随着钻探设备尤其是空压机性能参数的大幅度提高，大风量高风压空压机应用一方面是加快了潜孔锤的钻进效率，但在地层条件特别复杂的情况（破碎、漏失）出现孔口返风、岩心采取率不够的情况。反循环潜孔锤钻头作为贯通式反循环连续取心钻进的关键技术，它的性能如何直接制约着这项技术的推广应用，因此需要对反循环钻进技术开展深入详细的理论与试验研究。在20多年的研究过程中，吉林大学设计了大批不同结构参数的反循环钻头，但是却没有一个定量的分析，说明这些钻头结构参数对反循环钻头性能的影响。如果反循环形成不畅、一般是在生产试验现场进行钻头结构参数的调整，这些都不能定量的分析反循环性能的好坏。所以本文对已设计应用过的反循环钻头结构进行分析，找出哪些局部结构参数改变是好的改进方向，哪些结构参数的改变是应该避免的，然后对反循环钻头局部结构进行试验设计优化，为高性能反循环钻头的设计提供理论与试验支撑。本文具体的研究内容与结论如下：1、本文总结了冲击回转课题组在过去20多年间设计的4个反循环钻头试验器的用途与设计特点。针对他们的不足（仅仅是用于特定的钻头规格尺寸，不能用来检验钻头实体的反循环效果），结合反循环钻头在生产试验使用过程中出现的新问题，创新地设计了多功能FZS-89-00反循环钻头模拟试验器。论文详细阐述了FZS-89-00反循环钻头模拟试验器的设计目的、原则以及它的各部分结构的详细组成与各自的功能作用。最后介绍了反循环钻头试验所用的各种设备、测试测量仪器、室内试验所用的管汇连接（更接近施工现场的管汇连接）等。2、总结了多引射器式贯通式反循环潜孔锤钻头的发展历史、结构原理、各次优化改进之处及它们各自的野外试验应用情况。根据各次野外试验应用过程中统计的反循环钻头使用效果特别是反循环效果不佳的花键内喷孔钻头，针对这个问题利用FZS-89-00反循环钻头试验台进行了室内试验，找出了问题存在的原因。根据钻头的结构形式与实际的生产试验情况，反循环钻头的优化方向筛选为：内喷孔部位采用双排螺旋型内喷孔布置形式，钻头底唇面的扩压槽则采用螺旋切边的布置形式。3、采用正交试验设计与EFD仿真技术方法，在数值模拟的理论基础上，利用FZS-89-00反循环钻头模拟试验器，研究讨论诸多钻头结构参数对反循环效果的影响，以寻找每个结构参数的最优水平值和钻头结构的最佳结构参数组合。优选出一个最优反循环效果的钻头结构参数，为后续生产试验应用提供数据和理论依据。经过理论与试验的验证，双排内喷孔与螺旋型扩压槽形式是有利于反循环钻头对外环空间隙内的空气产生抽吸作用，是反循环钻头未来设计的一个方向。4、引用引射器原理设计的大直径气力反循环钻头，被用于解决工程施工、排渣难题。在钻头结构参数优化设计过程中，采用正交试验设计对钻头结构参数进行优化，得到钻头6个结构参数的主次因素和最优水平，优选出最优的钻头理论参数组合。同时钻头6个结构参数显著影响目标值Q环空，L8(27)与L18(37)正交表中各因素的主次顺序一致，它们对目标值Q环空影响的主次顺序是：喷嘴直径Dn，喷嘴数量N，喷嘴偏转角度θd，喷嘴倾斜角度θs，引导段直径Dg，喷嘴长度L。最优的理论参数组合所获得的Q环空均大于L18(37)正交表中任意参数组合的Q环空，并且这组参数组合不在L18(37)正交表中。本文的主要创新点包括：1、FZS-89-00反循环钻头模拟试验器的设计接近实际反循环钻进条件，功能多样性，可以模拟多种地层条件下反循环钻进，可以检验多规格系列反循环钻头实物的反循环效果。2、设计的模块化钻头具有结构参数调整方便快捷，可作为1:1钻头的实物进行试验研究的特点。单因素试验下筛选出最优钻头结构参数后，对筛选出的各结构参数进行正交试验设计，并考虑交互项对结果的影响。经过FZS-89-00反循环钻头模拟试验器进行钻头实物的正交试验设计，得到钻头最优结构参数的结论与理论对比分析。3、创新的将引射器原理应用到大直径潜孔锤气力反循环钻头结构设计中，实现了稳定的反循环效果，这有助于攻克大直径钻孔在复杂地层条件下的钻进、排渣难题。并且利用正交试验设计原理对钻头结构参数进行了详细的分析，找到了一个最优反循环效果的钻头结构参数组合。4、正交试验设计与回归分析贯穿整篇论文，指导钻头的理论与试验研究。全面系统地研究各结构参数对反循环效果的影响，并且检查各因素之间的交互项，最大程度的保证正交试验设计的准确性。