随着世界能源紧张、经济发展与环境保护矛盾日益突出、国家对石油战略储备的需要,全球进入管道建设高峰期。国家规划2025年油气管道建设总长预计达到24万公里。水平定向钻具有穿越距离长、污染少、施工效率高、经济性好等优点,成为大直径、长距离管道穿越的首选工程方法。但随之面临的问题也逐渐凸显出来,长距离水平定向钻进轨迹多为弧形孔多段弯曲孔,钻杆与孔壁摩擦较大,地面钻机通过钻柱传递给扩孔器的扭矩损耗大,从而发生扩孔动力不足的现象。钻杆在钻进过程中要受拉、压、弯、扭以及振动、冲击等载荷,时常发生堵卡钻、钻杆断脱等问题。针对以上问题,提出了一种水平定向钻新型动力集成式双级动力钻具总体方案。该方案将多个电动机分为两组进行动力集成,两组电机同时旋转反向驱动一级传动模块和二级传动模块,带动两级钻头同时反向旋转破岩,通过调节转速和钻压实现扭矩平衡扩孔。该方案将旋转动力置于井下,钻杆不旋转,能耗损失小,有效破岩动力得到提高,在输出同等动力情况下,动力扩孔能够扩直径更大的孔,同时对钻杆的要求大幅降低。一定程度上能够解决目前常规水平定向钻扩孔动力不足的问题。结合水平定向钻施工工艺,推导了双级动力钻具扩孔级差和扭矩平衡相关理论。根据目前水平定向钻的扩孔级差计算工艺,结合双级动力钻具的特点,推导出了双级扩孔级差的计算公式,并进行了相关实例计算;通过对双级动力钻具扩孔扭矩平衡及保证机械钻速相等的多参数优化,定性地推导出了保证扭矩平衡和两钻头机械钻速相等的关系式;分析了双级动力钻具处于四种工况的条件,并给出了相应的解决措施。设计了双级动力钻具的具体结构,对部分关键零部件进行了静力学分析、动力学分析。结构设计主要包括动力集成模块选择,传动模块设计,其他辅助模块设计;静力学和动力学分析主要内容包括主齿轮和轴的组合分析、二级传动联接器、一级钻头和二级钻头有限元分析,满足强度要求,在动力学方面对传动模块进行了相关分析,满足要求。根据设计的双级动力钻具结构,制作了模型样机。三组不同拉力实验,调整钻头旋转速度,测定双级动力钻具末端处钻杆的反扭矩。通过实验数据及分析,发现调整钻头旋转速度能够调节扩孔破岩时所产生的反扭矩,在钻头旋转速度合适的情况下,钻杆的反扭矩呈现一个动态平衡的过程,说明双级动力钻具在设计原理上是可行的。基于某穿越进行了双级动力钻具扩孔钻具组合分析,得出了最优钻具组合方案。对双级动力钻具扩孔施工时选择合适的钻具组合给予一定指导意义。