粒子冲击钻井技术为提高深部硬地层与强研磨性地层的钻进速度提供了技术支持,粒子注入系统是粒子冲击钻井技术的核心部分与实现前提。本文针对现有负压引射式粒子注入系统存在的缺陷和不足,采用理论分析、数值模拟与实验验证相结合的方法,对其进行了优化,设计了一套能适用于钻井现场的负压引射-平衡式粒子注入系统,解决了以往负压引射粒子注入系统压差难控、高压粒子罐下料口易堵塞以及粒子注入不稳定的问题,推动了负压引射-平衡式粒子注入系统的现场推广应用。采用离散元方法,引入液桥力计算模型,建立了高压粒子罐内粒子运动微分方程,数值模拟研究了高压粒子罐内粒子流动规律,分析了造成下料口粒子堵塞和粒子注入不稳定的主要原因。以粒子注入过程的脉动度为标准,数值模拟研究了高压粒子罐半锥角对粒子运动的影响,优选了高压粒子罐最佳半锥角。建立了负压引射-平衡式粒子注入系统数值计算物理模型,对粒子注入过程进行了数值模拟研究。研究了流态化喷嘴直径、节流圈直径、下料口直径这三个关键参数的比例关系对粒子注入流动稳定性和粒子体积分数的影响,并以粒子注入过程的脉动度和粒子体积分数为判断标准对结构参数进行了优化。依据粒子注入系统现场作业要求,结合粒子在高压粒子罐内的流动特性与数值模拟研究结果,对负压引射-平衡式粒子注入系统的高压粒子罐、防堵混合系统、压力平衡系统以及粒子重力调节系统进行了整体设计,同时进行了系统关键部件的设计与系统密封设计。对设计完成的负压引射-平衡式粒子进行了加工和组装,开展了室内实验研究,通过更换不同直径的节流圈进行了1.0mm、1.7mm、2.0mm三种粒径下粒子体积分数的标定实验。实验结果表明,本文设计的负压引射-平衡式粒子注入系统能连续、稳定注入粒子,并且能获得适用于钻井现场的粒子体积分数。