随着石油资源的逐渐耗竭,页岩气作为一种新型绿色能源进入大家视野。据国内外专家对页岩气开采经验发现,水平井钻探技术对于页岩气开发尤为关键。但是水平段的加长使连续油管经常出现屈曲而自锁;并且当钻头遇到地质交错的地层时,会导致出现卡滑现象,使得钻井作业失败。基于上述现状,本文针对页岩气水平钻井中的托压、自锁、粘滑、卡钻等问题设计了一种小直径水平井恒扭矩提速钻具。研究内容包括对钻具整体结构的创新设计以及结构性能的尺寸优化改进;对钻具滚珠螺旋结构进行强度校核以及不同工况下的模态分析;创建滚珠螺旋机构的运动学和动力学模型,对其工作原理进行仿真验证;设计一套基于恒扭矩提速钻具的压力检测系统,并对井下环境检测技术进行了分析。主要研究内容如下:1)其结构的设计运用了TRIZ创新原理。整体结构由由Φ73水力振荡器和Φ90恒扭矩提速钻具组成,利用钻井液使水力振荡器产生轴向振动降低连续油管受到的摩阻,从而缓解钻井过程中的托压和自锁问题;恒扭矩提速钻具可以通过轴向收缩和展开来降低钻头扭矩的波动,从而解决水平井作业中的粘滑、卡钻问题。2)通过MATLAB软件对碟形弹簧和滚珠螺旋机构进行了性能和寿命参数的结构优化,优化后的碟簧储能和滚珠螺旋机构的额定动载荷有了一定提高,从而一定程度上提高了钻具的性能。3)通过ABAQUS软件对滚珠螺旋结构进行了静力学以及不同工况下的模态分析,其最大应力为328Mp,在许用应力范围内;同时其正常工作下和不同工况下的一阶固有频率远大于自身的激振频率3Hz以及水力振荡器7～7.2Hz,可以确保恒扭矩提速钻具在作业时具有良好的平稳性和安全性。4)建立了恒扭矩提速钻具滚珠螺旋机构的运动学与动力学模型简图,通过ADAMS软件进行了运动学和动力学分析,结果表明,仿真曲线均符合恒扭矩提速钻具的理论运动趋势,符合恒扭矩提速工具的工作原理。5)设计出一套基于恒扭矩提速钻具的压力检测系统,包括硬件的选择和软件的开发,通过PROTEUS软件仿真验证,结果表明,在压力信号发生变化时,检测系统可以实时检测出压力数值,并且测试性能稳定,达到了压力检测的预期效果,同时针对现在油田开采的情况指出,多传感器融合技术将是未来井下环境检测的趋势。上述研究在一定程度上优化和改进了水平井恒扭矩提速钻具的结构和工作性能,为解决水平井快速钻进问题贡献力量。