随着油气勘探开发的不断深入,旋转导向钻井技术得到广泛应用,下行通讯技术作为旋转导向钻井系统的重要组成部分,承担向井下工具发送地面控制指令的工作。目前,有关旋转导向下行通讯系统基本理论、系统设计方法、信道传输特性等方面研究较少,开展其关键技术研究,具有十分重要的理论和现实意义。本论文针对国内外旋转导向钻井系统下行通讯技术存在的问题,提出了可重构旁通式钻井液负流量脉冲下行通讯的技术路线,通过周期性改变流入钻柱中钻井液流量,形成钻井液负流量脉冲,井下涡轮发电机感知该流量变化,实现下行通讯信息的接收,从而控制井下旋转导向工具。论文在基本原理分析的基础上进行了系统总体方案设计,制定了钻井液负流量脉冲下行通讯关键技术的技术路线。采用传递矩阵法建立了钻柱中钻井液下行通讯信道的数学模型,该模型描述了以钻井液负流量脉冲为输入的多边界条件下钻井液循环系统瞬态流动。通过与特征线法的结果对比和现场实验,验证了模型的正确性,分析了钻井液负流量脉冲的脉冲宽度、井深等参数对井下接收信号波形及信号强度的影响。表明该模型计算效率高、结果准确,能够适用于不同工况下的现场需求。根据钻井液负流量脉冲下行通讯技术的基本原理,建立了可重构旁通式下行通讯地面系统的设计方法,采用新型节流开关阀和可重构降压模块构建下行通讯地面装置,分析了其流场特性,设计了下行通讯地面装置控制系统,分析了下行通讯信息组成,建立了下行通讯信息的编码方案,开发了下行通讯软件系统。构建了“外旋转磁钢-内固定线圈”新型井下涡轮发电机结构方案,建立了旋转磁场发电机设计方法,设计了发电机定转子、永磁体和绕组,仿真分析了发电机电磁性能、多场耦合特性;设计了冲击式涡轮结构,仿真分析了涡轮受载情况以及机械特性。实验分析了井下涡轮发电机的负载特性、流量与涡轮输出转速、发电机输出电压及发电效率等之间的关系,结果表明:新型井下涡轮发电机设计方法合理,设计结果能够满足旋转导向钻井系统井下大功率供电需要。在研制了下行通讯地面系统和井下涡轮发电机样机的基础上,搭建了下行通讯系统实验平台,开展了室内实验研究,并进行了现场试验。结果表明:下行通讯地面系统设计方法正确、样机能够满足下行通讯信息控制需要,具有流量控制精确、现场调节方便、信息传输可靠等优点;新型井下涡轮发电机能够满足旋转导向井下系统供电需求,能可靠接收下行通讯信号,与类似产品相比,具有寿命长、功率大、效率高等优点。本文的研究成果已在捷联式旋转导向钻井系统现场试验中得以验证,取得了良好的效果,从而为旋转导向钻井技术的进一步发展提供了理论和技术的支撑。