目前PDC钻头的使用量已占全部钻头使用量的60%以上,如何提高PDC钻头的使用寿命和破岩效率,是PDC钻头结构设计亟需解决的问题。提高PDC钻头的使用寿命和破岩效率,需要从钻头的材料、钻头的结构设计等多方面展开研究,其中对PDC钻头切削结构的优化设计是提高钻头使用寿命和破岩效率的主要途径之一。PDC钻头破岩机理是PDC钻头切削结构设计的基础,由于钻头与地层接触的过程中存在着许多不确定因素,因此在对PDC钻头破岩机理进行研究时往往存在着很多的假设和简化,从而导致PDC钻头破岩机理不够完善。本文在研究PDC钻头破岩机理时考虑了井底形状这一影响因素,通过数值模拟和实验的方法对基于井底形状的PDC钻头切削结构与岩石相互作用规律展开了研究,主要取得了以下成果:1.研究了井底形状对PDC钻头切削结构破岩效果的影响,通过对井底不同区域岩石应力状态的分析,得到了井底不同区域岩石破碎难易程度的分布规律。对于井底外锥区域,岩石的破碎难度较高。对于井底内锥区域,岩石的破碎难度较低。对于井底鼻部区域,岩石的破碎难度介于外锥区域和内锥区域之间。对井底形状进行了简化,将井底内锥区域简化为具有不同曲率半径的圆柱形,井底外锥区域简化为具有不同曲率半径的圆筒形,井底鼻部区域简化为曲率半径无限大或者无限小的圆柱圆筒形。2.提出了基于井底形状的冠部每转破岩比能的概念用来评价PDC钻头切削结构的破岩效果。通过对PDC钻头切削结构破岩过程的分析,建立了井底可破碎岩石应力的数学模型,通过建立井底可破碎岩石应力与基于井底形状的冠部每转破岩比能之间的关系,将井底形状对PDC钻头切削结构破岩效果的影响应用到PDC钻头切削结构的优化设计中。3.开展了基于井底形状的PDC钻头切削结构破岩实验,得到了基于井底形状的PDC钻头切削结构与岩石相互作用的规律。当PDC切削齿破碎井底外锥区域岩石时,随着曲率半径的增大可破碎岩石应力逐渐减小。当PDC切削齿破碎井底内锥区域岩石时,随着曲率半径的增大可破碎岩石应力逐渐增大。由于影响PDC钻头破岩过程的因素十分复杂,在对PDC钻头切削结构与岩石相互作用规律进行研究时,往往需要进行大量的重复性实验,因此采用数值模拟方法,在PDC钻头切削结构与岩石相互作用规律的基础上,建立了基于井底形状的PDC钻头切削结构与岩石相互作用规律的数学模型。4.提出了基于井底形状的PDC钻头切削结构优化设计方法,以基于井底形状的冠部每转破岩比能最低为目标对PDC钻头切削结构进行优化设计,利用PSO粒子群算法结合PDC钻头切削结构的清岩效果,得到了适合不同地层的PDC钻头最优切削结构。