大庆油田井下勘探表明,在油田深处的某些区块内仍存在大量的油气储量。为了开发这部分能源,因此要在原有井眼的基础上进行钻井作业。由于大庆油田大部分油井采用5 1/2的套管,其通径为ф123.7mm,如果在此基础上进行钻井作业,其下一级的套管直径将更小,势必给油田的后期开发带来诸多不便。因此研制一种满足大庆油田钻井需求,随钻扩孔或钻后扩孔的一种小井眼条件下的PDC变径钻头,对发展油田生产具有非常重要的应用价值。本文是针对大庆油田老井改造而开展的一项研究工作。针对目前已有的扩孔钻头中存在的问题,本文参照钻井手册中的有关规定,结合现有的钻头设计方法和大庆油田的具体地质条件,提出了随钻扩孔或钻后扩孔的一种适合在小井眼条件下作业的PDC变径钻头,并对PDC变径钻头的水力学特性、喷嘴井底流场、布齿形式对钻头力学特性的影响等诸多领域进行了分析研究。PDC变径钻头的水力结构关系到钻头的工作性能的好坏和使用寿命的长短。针对这一情况,自行编制了PDC变径钻头水力学参数计算程序,该程序根据流体的流型,选择不同的计算模块,并且模块具有良好的参数输入界面,能够满足水力学计算的基本需要。并且应用FLUENT计算流体力学软件对PDC变径钻头的喷嘴进行井底流场模拟,提出合理的喷嘴形式、排屑槽的结构形式及钻井液的流场分布规律。并且根据图像对PDC变径钻头喷嘴流场进行了强度、压力、速度等方面的分析,结合水力学参数计算程序,提出了适宜的水力学参数。最后,重点讨论了PDC变径钻头的冠部形状设计、切削齿的径向布置、切削齿的周向布置及切削齿齿前角和侧转角的设计。并且在理论计算和经验设计的基础上,提出了合理的布齿尺寸。