PDC钻头(Polycrystalline Diamond Compact Bit,即聚晶金刚石复合片钻头)在软到中等硬度地层中具有很好的破岩性能,机械钻速高,寿命长,使得钻井工作的效率得到了大幅提升,综合经济效益显著,在钻井工程中得到了广泛的应用。但是由于PDC钻头对于使用地层和工作条件敏感性强,提升PDC钻头适用范围仍是一个难题。本文在综合国内外PDC钻头研究的基础上,结合含砾夹层地层特性,对PDC钻头的设计理论和钻头制造技术进行了研究。文中探讨了PDC钻头切削结构设计和水力结构设计原理。首先分析了切削结构的几何学特征,研究了PDC钻头冠部形状与地层的适应性,介绍了切削齿的布齿设计理论,对等切削原则、等功率原则及等磨损原则进行了理论论述,描述了刀翼式PDC钻头的设计流程。研究了喷嘴、流道和排屑槽的设计原则,分析了水力结构对钻头的冷却、井底清洗及辅助破岩等作用,对喷嘴形状、方位角等因素对水力作用的影响进行了研究,并研究了多喷嘴的组合原则。采用Fluent CFD软件对钻头喷嘴流场进行了分析。通过分析PDC钻头在含砾夹层中的工况,并根据鄂北地区实际情况,设计了适用于该地层的胎体四刀翼PDC钻头:采用浅锥轮廓、大刀翼、深水槽、全出刃结构;钻头采用混合切削结构,利用限切削原理,提高了钻头的稳定性和寿命,减小了切削齿的磨损;采用流线型可更换喷嘴,喷嘴采用不对称布置;使用金刚石孕镶烧结体作为辅助切削齿,便于根据地层特性调整。并介绍了使用Pro-E软件建立钻头三维实体模型的方法。在钻头生产过程中,采用软模具制造技术,降低了劳动强度,保证了钻头的一致性。采用自动控温的烧结和焊接工艺,保证钻头胎体烧结与焊接工艺参数的稳定。使用先进的黑冰齿复合片,保证切削齿的耐磨性和抗冲击性能。对钻头胎体、金刚石孕镶烧结体以及复合片材料性能进行了检测,并对不同复合片进行了台架钻进试验对比。最后进行现场试验应用,与同井段钻头对比,机械钻速提高,寿命延长,达到了设计要求。含砾夹层用PDC钻头的研制成功,对行业相关制造和生产单位具有一定的理论价值和实际指导作用。