粒子射流冲击钻井技术是近年来提高硬、极硬地层以及强研磨性地层钻井速度的关键技术之一,能够有效的提高钻进效率和降低钻进成本。粒子射流冲击钻井技术中,粒子射流冲击钻井钻头的设计和制造属于这项技术的重要组成部分。针对川庆钻探粒子射流冲击钻井项目,根据川西南地区须家河地层资料,设计出新型PDC钻头模型,对PDC钻头进行修正和优化,并通过数值模拟和实验研究的方法,对PDC钻头井底流场形态与规律进行了研究。首先,参考川庆钻探提供的实钻机械钻速和水力参数计算,设计出粒子射流冲击钻井PDC钻头:水力结构方面从喷嘴结构、喷嘴个数和直径、喷嘴角度和位置三个方向所得到的实验结果综合性设计;机械结构方面从加工方式,刀翼结构,径向布齿、布齿原则、后倾角侧转角等方面综合设计,并对初始模型进行结构优化设计。利用ANSYS CFX软件对粒子射流冲击钻井PDC钻头进行井底流场数值模拟,来求证钻头模型的可行性,两相流模型选取多相流DPM模型耦合,将流场整体结构分为钻井液流体结构图和粒子轨迹图分别进行区域划分并分析其对钻头本体的影响规律。分析钻井液粘度、钻头压降和内腔形状等因素对井底流场形态的影响规律,最终得出带扁圆柱台阶的流线型锥体内腔最适合粒子射流冲击钻井的内腔设计要求,并根据模拟规律对钻头模型进行优化设计改进,得到最终模型。最后采用该粒子射流冲击钻井PDC钻头进行全尺寸钻头室内破岩实验,在实验室条件下花岗岩的机械钻速符合预期要求,得到理想的破岩效果,具备设计可行性。