随着石油工业的发展,定向钻井技术在石油钻探工程中的应用迅速增加,定向井的数量也越来越多。在定向钻井中,通常采用旋转钻进与滑动钻进相结合的方式钻取所需的井眼轨迹。由于PDC钻头相对于牙轮钻头来说具有机械钻速高、使用寿命长的特点,因此被越来越广泛的应用于石油钻井中。但是PDC钻头在定向井钻进时会经常发生定向性能不稳定,工具面角变化剧烈,不易控制的现象,甚至于会造成井下动力钻具减速停机,损毁井下动力钻具。使得在使用PDC钻头在定向钻进时变得特别困难而又耗费时间。因此有必要对在定向井中使用的PDC钻头进行相关研究,找出在定向井中钻进时PDC钻头的冠部轮廓、切削齿布置与工具面角变化以及钻头的定向性能关系。本文首先系统地对PDC钻头的设计理论与特点进行了分析研究,包括冠部轮廓研究、水力学研究和布齿研究等。本论文利用有限元分析软件对PDC钻头在定向井中的受力特点进行分析,研究了不同冠部轮廓的PDC钻头在钻压的作用下与岩石相互作用时,岩石应力的大小和分布特点,总结出适合定向井的PDC钻头的冠部设计。对具有不同后倾角的切削齿与岩石相互作用,研究岩石与切削齿作用面应力分布特点,归纳出在不同的后倾角下岩石破碎的特点。对具有不同螺旋角度的PDC钻头保径进行流体分析,确定合适的PDC钻头螺旋保径的角度。根据以上分析结论,针对长庆油田的地层特点设计一种定向井PDC钻头,并对该钻头进行井底流场分析,对井底流场进行优化配置。