随着地质钻探深度的不断增加,钻遇坚硬致密岩层的可能性越来越大。孕镶金刚石钻头在坚硬致密岩层中钻进时,一方面由于岩石的强度大、压入硬度高,金刚石压入岩石的深度很小,导致孕镶金刚石钻头只能以表面磨损破碎的方式碎岩,钻进效率低;另一方面,岩石的研磨性弱并且钻头产生的细岩屑对钻头胎体的磨损小,导致钻头中的金刚石不能及时出刃,容易出现“打滑”现象。针对孕镶金刚石钻头在坚硬致密岩层中出现的“打滑”和钻进效率低的问题,通过单颗金刚石压入岩石全过程的室内实验,定量分析了孕镶金刚石钻头在坚硬致密岩层中钻进时的碎岩机理。从岩石单位体积破碎能耗、“自由切削面”和“局部体积破碎”角度出发,提出了利用岩石局部体积破碎以增加钻进效率的思路,并提出了掏槽式超前齿结构和低位齿结构相结合的唇面结构设计方案。然后,以钻头水口流速、掏槽齿强度、低位压头直径以及岩脊最优尺寸为设计依据,推倒出了相应的计算公式并做了相应模拟,最后设计了φ36-18孕镶金刚石钻头。然后,用COMSOL软件对所设计钻头的水口进行了流速模拟,验证了钻头尺寸设计的合理性。通过室内微钻实验平台,设计了对比试验,即平底钻头和新唇面钻头在花岗岩中以相同钻速0.5m/h、相同转速300r/min下钻进1m。结果表明:新唇面结构钻头的平均钻压约为平底钻头钻压的1/2倍;新唇面结构钻头在钻进中产生的岩屑粒径约为平底钻头产生岩屑粒径的2-5倍,说明所设计钻头唇面能在较小钻压和较小扭矩下实现体积破碎。最后对比了两种钻头的磨损状况并做了相应分析,为钻头的进一步设计提供了依据。