塔里木油田库车山前地区中浅层普遍分布的巨厚砾石层是制约该地区丰富油气资源有效勘探开发的关键性难题之一。该地区地质条件极其复杂,砾石层最大厚度达5000m以上,且纵横向分布无规律,可钻性极差。常规PDC钻头在软到中硬的均质地层中机械钻速高、使用寿命长,但在钻进砾石层的过程中,切削齿受到砾石强烈的冲击载荷,很快发生崩刃、断裂和金刚石层脱落等先期损坏,导致机械钻速迅速降低,钻进效果极差。本文从常规PDC钻头破碎砾石层的机理入手,总结了常规PDC钻头钻进砾石层时切削齿的失效形式,研究了砾石层中常规PDC切削齿的损伤机理以及造成切削齿损伤的影响因素;分析了一种三棱锥形的非平面切削齿的结构特点和工作原理,并基于有限元显示动力学仿真软件LS-DYNA对非平面齿切削岩石的过程进行模拟,探讨了不同工作角度对其抗冲击能力的影响;分析了一种针对库车山前砾石层特性优化设计的新型非平面齿PDC钻头在博孜区块取得的良好试验效果,研究了该钻头在库车山前砾石层应用的可行性。通过以上研究,该非平面齿PDC钻头在库车山前砾石层试验的成功,为提高该地区巨厚砾石层的钻进速度提供了有效的途径和方法,更加拓宽了PDC钻头的适用范围。