随着易开采油气资源的逐渐减少,定向井、水平井等导向钻井技术大量应用于开采埋藏复杂、储层更深的油气资源,因此井身结构变得日趋复杂。而造斜段作为定向井钻进过程中的变向部位,其导向过程的控制精度对于井下事故、钻井成本等具有重要影响。同时,相较于设计轨道,实钻井眼轨迹普遍存在的偏移现象亦给定向井钻井作业带来较大困难,如何实时、有效地控制井眼轨迹一直以来都是现场工程师和钻井工作者研究并致力于解决的关键问题。而PDC钻头作为钻井工程的排头兵,其切削齿直接与岩石接触进行破岩,钻头整体的造斜能力对定向井质量、风险、成本具有至关重要的影响。为提高PDC钻头在导向工具作用下的偏转性能及钻进效率,本文基于现有井眼轨道几何学、设计理论以及定向井PDC钻头研究现状,探究PDC钻头的心部轮廓、过渡圆弧半径以及过渡圆弧位置等关键几何参数对其导向性能及钻进效率的影响。根据现有井眼轨道几何学、设计理论以及井眼轨迹分析方法,在充分调研普通PDC钻头造斜钻进过程中井眼曲率过大、井壁不规整等问题的基础上,本文采用冠部轮廓几何学的研究思路,对影响PDC钻头钻井性能及偏转性能的关键几何因素进行定性分析。同时,基于对PDC钻头冠形曲线几何特性的解析,将普通PDC钻头心部锥形轮廓设计为圆弧过渡曲线,以增强PDC钻头在导向工具作用下的偏转性能。为研究造斜段PDC钻头的受力状况,在建立单齿切削力学模型以及剪切力作用下的岩石受力分析模型基础上,结合导向钻井工具柔性钻杆给予钻头的偏置力,根据空间力系静力学极限平衡原理,建立了 PDC钻头在增斜井段、降斜井段以及水平井段的受力分析模型。同时,对比分析不同类型钻头钻出的井底模式,探究PDC钻头井底模式的成型特点与切削岩石的过程,提出一种PDC钻头井底模式仿真切削的研究方法。该方法利用三维软件模拟出PDC钻头冠部轮廓及切削齿的出露量,再进行仿真切削,其对优化PDC钻头冠部轮廓的结构设计及切削齿的布置具有一定的参考价值。通过新钻头与普通PDC钻头的台架实验与水泥墩造斜钻进实验发现:新钻头由于心部变为圆弧过渡,其井底模式的“竖心”现象明显减轻;在导向钻进过程中,其实钻井眼轨迹与设计轨道的吻合程度较普通PDC钻头高,并在导向工具作用下表现出了较好的偏转可控性。