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用极小半径径向钻井方法开采低渗油气藏、页岩气和煤层气等,是油气资源钻探发展的重要方向,水射流钻头是该技术的核心部件,其性能决定了钻进效率及钻孔延伸能力。直旋混合射流钻头作为射流钻头的一种,具有较简单的结构和较好的钻进能力,满足径向钻井技术的要求,但对于其流场特性和破岩机理等方面,目前还没有进行深入的研究。本文采用理论分析、数值模拟、3DPIV测试和破岩冲孔实验的方法,针对应用于极小半径径向钻井技术的直旋混合射流钻头,开展了直旋混合射流流场特性、冲蚀损伤岩石机理、钻头结构设计方法及钻孔延伸能力等方面的研究。取得的主要成果有:1分析了直旋混合射流的速度场特性,归纳得到了射流基本结构。射流在轴向上可分为过渡段和均匀混合段,在径向上分为直射流区、弱旋射流区、强旋射流区和外围射流区;得到了直射流区和旋转射流区的分界方程Rz,x=F（k,L）,以及射流速度沿轴向的计算公式vm F=（df,L,vo） 、径向的计算公式vr F=(r,R,Rz,x,vm) 。随着直旋混合比的增加,可逐渐消除射流中心低速区,此时轴向速度最大值在射流轴线处,随着径向半径的增加逐渐衰减;径向速度在射流轴线处接近于0,随着径向半径的增加,先增大后减小,并衰减至0;切向速度分布规律和径向速度相似,但对于同一质点,切向速度值远大于径向速度。2揭示了直旋混合射流冲蚀损伤岩石机理。通过测试直旋混合射流、直射流和旋转射流的冲孔形态及速度场,表明直旋混合射流可消除旋转射流的中心低速区和冲孔的中心凸台,且射流沿径向的分布宽度和破岩直径大于直射流。分析直旋混合射流不同射流区对应岩石的破碎特性,结合已有的破岩理论,表明直射流区对岩石主要为射流动压力作用下的初始破碎,并产生微裂隙,及准静态压力下岩石裂纹的二次扩展,最终形成宏观破坏;强旋射流区也具有动压和静压破岩效应,此外较大的径向和切向速度,对岩石的拉伸和剪切效应增强,且更容易在岩石表面产生大量微裂隙,破岩效率高于直射流区;弱旋射流区对应的岩体受周围直射流和强旋射流的共同损伤,在三向速度均相对较小条件下亦能有效破岩;外围射流区主要为反排流携带岩屑对孔壁的磨削效应。3建立了直旋混合射流钻头结构的优化设计准则。通过理论计算、数值模拟、3DPIV实验及钻孔实验优化钻头结构:直旋混合比和叶轮槽倾角设计原则为,使射流同时具有较大的轴心速度和旋流强度,冲孔的孔底形状应较为平整,直旋混合比Qz/Qs为0.8,叶轮槽倾角θs为45°;其它参数应不限制射流的扩散性,混合腔长径比Lq/Dq为0.67,混合腔角度比θq/2θs为1.33,前喷嘴直线段长径比Lf/df为0.56;外形尺寸受转向器结构的限制。4通过分析径向钻井系统的压力损失和水平段受力,建立了直旋混合射流钻头钻井极限深度预测模型。得到了水力参数和主要结构参数（前喷嘴直径、射流扩散角、叶轮中心孔直径、后喷嘴直径、后喷嘴倾角）对钻井极限深度的影响规律。分析了某一工程实例的压力损失与受力分布情况,并理论预测了钻井极限深度。本文研究成果为径向钻井技术的钻井极限深度预测、钻头结构设计方法提供了理论指导,丰富了直旋混合射流流场、破岩机理等方面的理论,具有一定的工程价值与理论意义。