本文分析总结了油气井钻头的使用情况,尤其是在油气井硬岩、强研磨性地层钻进中钻头出现的一系列问题,引出了新的研究思路:把仿生耦合理论与孕镶金刚石钻头设计紧密结合起来,将生物非光滑表面的耐磨、减阻等特性引用到钻头的设计中,使钻头也具有这样的特性,研究一种新型的油气井用仿生孕镶金刚石钻头,以此来提高钻头的效率和寿命。通过对典型生物耦合表面的的耐磨特性进行较系统的分析总结,为生物耦合表面与岩石接触的界面中的应用提供理论依据,是对该理论适用范围的一种有意义的拓宽。论文重点介绍了仿生耦合耐磨特性,对仿生钻头耦合耐磨表面形态进行优化设计,采用ANSYS软件对非光滑形态进行计算机模拟,建立仿生耦合表面三维模型,计算钻头底唇面非光滑度大小的最优值、非光滑凹坑自身的大小及排列方式,目的是在最优的非光滑度及排列方式的基础上使钻头胎体在相同的钻进工艺条件下磨损量最小。通过大量小直径仿生钻头(75mm、95mm)野外试验的数据进行整理分析可知,仿生钻头的钻进效率较普通钻头至少提高? 30%,钻头寿命提高? 30%;针对前期试验总结出不同的地层对应的仿生钻头的胎体硬度、非光滑度以及金刚石浓度等参数的影响;最后对四川须家河组地层的岩石进行测试分析,选择合理的钻头参数(金刚石浓度、粒度、胎体配方及硬度、非光滑度)设计并制造了?8?1/2’?(215.9mm)仿生石油钻头。钻头的烧结工艺打破常规工艺,首先热压法制造孕镶块,无压浸渍法制造钻头基体;然后采用二次镶焊工艺制造仿生钻头,将热压法与无压浸渍法紧密结合起来;合理的解决了大直径钻头热压烧结难度大、无压浸渍损伤金刚石强度等难题。本文的研究为提高油气井钻头性能提供了新的思路,将仿生学与钻探工程学结合起来,填补了仿生学在钻探领域应用研究的空白,由此可衍化出一门新的学科:仿生钻井工程学。