作为非开挖施工方法的一种,水平定向穿越因其施工精度高,地面扰动小以及适用范围广而被广泛应用在石油天然气等相关行业的管道建设中。然而,在扩孔施工中,当所遭遇为难破碎的岩石地层时,所用的牙轮式扩孔器却常常出现牙轮脱落,牙齿磨损以及牙齿断裂等失效现象,严重影响到水平定向穿越的施工安全和效率。当前,针对岩石地层所用扩孔器的研究大多停留在对牙轮式扩孔器的结构改进和钻具组合优选等方面,而未从岩石破碎的机理进行全新扩孔器的研究。针对上述问题,本文对当前一种新型PDC扩孔器进行了系统分析。根据弹塑性力学和岩石力学,选用Drucker-Prager准则为岩石的本构关系,通过有限单元法系统分析了 PDC扩孔器及其钻齿的岩石破碎效率。在此基础上提出了双级PDC扩孔器,并分析了扩孔器结构参数对岩石破碎的影响。论文开展的工作和结论主要有:(1)对国内外关于扩孔器及PDC齿切削理论的相关文献进行了较为全面和详细的调研,分析并总结了所调研文献中的研究成果以及不足,确定了本文的研究目的、内容和方法。(2)根据PDC钻头的几何学理论,对PDC扩孔器的几何学进行了系统分析,并通过切削齿与岩石的相互作用分析,确定了岩石的切削载荷与岩石力学性质和切削齿参数之间的关系,最后得到了扩孔器的工作载荷关系式。(3)通过有限元软件建立了 PDC扩孔器的钻齿切削岩石的三维有限元模型,研究对比了两种典型切削断面在不同岩石岩性下,切削齿的切削深度、后倾角以及侧转角对其破碎岩石效率的影响。(4)建立了扩孔器在扩孔作业过程中破碎岩石的三维有限元模型,对PDC扩孔器与牙轮式扩孔器在扩孔破岩上的不同进行了对比分析。重点探讨了扩孔参数和地层岩性对PDC扩孔器扩孔破岩的影响。(5)利用开挖思想,建立了双级PDC扩孔器破碎岩石后的井底岩石应力场的三维有限元模型,并对常规井眼与阶梯井眼井底岩石应力状态的不同进行了系统分析。重点研究了双级PDC扩孔器的扩孔轮廓、扩孔级差比、切削距离以及扩孔尺寸对井底破岩的影响。本文的研究结果可为PDC扩孔器的结构设计以及施工过程中参数的选择提供指导,并为其推广应用奠定理论基础,其新型的双级PDC扩孔器可为扩孔高效破岩提供新的思路。