针对深井硬地层机械钻速低、钻井成本高等问题,发展适用于深井硬地层的高效破岩钻井新方法是深部地层钻井提速的重要发展方向之一。自激振荡式旋转冲击钻井工具综合冲击振动和水力脉冲两类技术的优势,实际应用获得了良好的提速效果。为进一步增强工具的提速效果,提出了多级活塞式自激振荡旋转冲击钻井工具的设计方案,以期为深井硬地层的钻井提速提供一种更为有效的技术手段。首先,结合自激振荡式旋转冲击钻井工具的调制原理,应用显式动力学仿真研究了PDC齿在旋转冲击载荷作用下岩石的破碎规律,分析了冲击力幅值及冲击频率对岩石破碎效率的影响规律。研究结果表明,以冲击力幅值作为自激振荡式旋转冲击钻井工具结构优化设计的准则更具实际意义。其次,以提高冲击力幅值为目标,提出了多级活塞式自激振荡旋转冲击钻井工具的设计方案,通过大涡模拟方法验证了设计方案的可行性;探索了活塞级数对工具性能的影响规律,研究结果表明,随着活塞级数的增加,工具冲击力幅值显著提高,工具压耗逐渐增加;结合工具现场应用压耗要求,四级活塞式自激振荡旋转冲击钻井工具能够在满足工具压耗条件下获得更大的冲击力幅值。然后,采用大涡模拟方法分析了排量及结构参数对四级活塞式自激振荡旋转冲击钻井工具性能的影响规律,确定了工具正常工作的推荐排量及结构配比关系,在此基础上以冲击力幅值为优选准则,采用正交试验和大涡模拟相结合的方法完成了四级活塞式自激振荡旋转冲击钻井工具的结构优化设计,研究结果为工程样机的研制提供数据支持。最后,研制了四级活塞式自激振荡旋转冲击钻井工具样机并进行了现场实验。实验结果表明该工具可靠性好、提速效果显著。本文通过数值模拟及现场实验研究,验证了多级活塞式自激振荡旋转冲击钻井工具在原理上的可行性,为深井硬地层钻探效率的提高提供了一种更为有效的技术手段。