微小井眼钻井技术是指井眼直径小于88.9mm的钻井技术,是石油工业的重要技术发展方向之一。本文的研究目的是结合国内外现有研究基础,针对微小井眼钻井特点,研究提高微小井眼钻头破岩效率的因素,确定满足钻进88.9mm井眼要求的微小直径钻头的设计方案,设计出适合在软到中硬地层中钻进的微小井眼PDC钻头,为提高微小井眼钻井破岩效率打下基础。本文首先在常压淹没条件下进行了高压泥浆流冲蚀人造砂岩室内实验研究。实验表明,破岩体积随射流压力的升高而增大;喷嘴倾角为30°时破岩效果最佳;射流压力和喷射角度不变时,存在着双优喷距,第一个峰值喷距出现在6～10倍喷嘴直径处,第二个峰值喷距出现在18～24倍喷嘴直径处。通过理论分析计算,得到了微小井眼连续管内流体紊流运动时压耗计算模型,环空内幂律流体紊流运动时压耗计算模型。以获得最大钻头水功率为目标函数对微小井眼钻井进行了水力参数优化设计,优选出微小井眼钻井所用钻井泵的最优排量为7.43L/s,微小井眼钻头喷嘴当量直径为6.4mm。利用Pro/E软件建立了简化的PDC钻头三维几何模型及微小井眼井底的物理模型,采用标准k ?ε紊流模型及壁面函数法,在钻头静止条件下对不同倾角的单喷嘴射流及多喷嘴射流进行了井底流场数值模拟。通过模拟分析可知,当α=30°时,射流具有最佳的清岩效果;α=30°时,喷嘴在微小井眼钻头上的最佳安放位置为钻头底面上距钻头中心的距离约13mm,17mm处;各喷嘴射流冲击井底后形成的漫流场对井底的覆盖面积大,能够全面的清除钻头冠部流道的岩屑,并及时清洗和冷却钻头刀翼表面的切削齿。在以上研究的基础上,通过理论计算和优化设计,优化钻头的水力结构,设计出了一种适用于微小井眼钻进的新型高效破岩PDC钻头。本文的研究对提高微小井眼钻头的破岩效率,提高微小井眼钻速,发展微小井眼钻井技术具有重要的工程实际意义。