钻头泥包是导致PDC钻头在泥质岩类地层钻进机械钻速下降的主要原因之一。泥质岩屑的粘附性和水力净化不良是造成钻头泥包的主要原因。本文主要针对泥质岩屑粘附机理和性能,PDC钻头水力参数和水力结构优化设计进行了深入研究。从微观层面、力学作用理论角度揭示了泥质岩屑粘附机理。结合摩擦和粘附理论,借鉴滑动摩擦力的表达形式,建立了泥质岩屑-PDC钻头界面粘附阻力计算模型。使用综合粘附系数作为表征泥质岩屑粘附性能的参数,基于直剪切试验原理,建立了粘附系数的室内试验测定方法。定量揭示了岩屑含水量、粘土矿物类型及含量、岩屑颗粒尺寸、PDC钻头材料类型及粗糙度、液体介质类型及水基添加剂对粘附系数的影响规律。建立了在使用水基钻井液情况下,考虑粘土矿物含量和岩屑粒径的常见泥质岩屑(粘土矿物为伊蒙混层和伊利石)的粘附系数计算模型。将泥质岩屑颗粒假设为等径圆球,基于ANSYS软件,利用数值模拟方法求取岩屑颗粒在钻头体表面的粘附接触面积,建立了考虑井筒静液柱压力和岩屑粒径的岩屑粘附接触面积计算模型。基于计算流体力学理论,建立了基于DPM模型的PDC钻头井底流场控制方程。根据现场常用的五刀翼、六喷嘴PDC钻头,考虑切削齿对地层的吃深,建立了符合实际情况的井底流场计算流域模型。将泥质岩屑建模为从切削齿表面射入流场的球状颗粒,考虑岩屑生成数量、质量流量与初始运动速度,对井底流场和岩屑输运轨迹进行了数值模拟。通过泥质岩屑受力和起动机制分析,建立了粘附临界钻井液流速计算模型。利用FLUEN T软件UDF定义了泥质岩屑撞击钻头体后是否发生粘附的判别函数。提出使用岩屑颗粒粘附率Ra(粘附岩屑颗粒数量与总岩屑颗粒数量之比)作为PDC钻头泥包趋势的评价指标。研究了钻井液排量、喷嘴尺寸、喷嘴数量、喷嘴组合方式、刀翼高度、导流板、钻头转速和岩屑尺寸对钻头泥包趋势的影响规律,使用前人泥包实验数据验证了部分数值模拟结果(喷嘴数量、刀翼高度、导流板对Ra的影响)的可靠性。基于数值模拟所得规律,在原钻头模型的基础上,进行了防泥包PDC钻头水力优化设计,优化设计后Ra值大幅度减小,钻头泥包趋势大大降低。