PDC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,使用寿命长,钻井工作效率得到了大幅提升,综合经济效益显著,因而在钻井工程中得到了广泛应用。但是由于PDC钻头对于使用地层和工作条件敏感性强,在砾岩层及软硬交错等非均质地层中未能取得良好的使用效果,因此有必要针对砾岩层的地层性质,研究其损坏机理以便于优化设计PDC钻头,进而提高其使用范围。本文根据含砾石层的实际地层性质,分析了在砾岩层PDC钻头的主要失效形式、损坏机理及影响钻头损坏的主要影响因素,提出了改进PDC钻头砾岩钻进性能的途径;结合室内实验及测井资料、钻完井资料,得到了渤北地区地层可钻性、抗压强度、研磨性与测井资料的关系模型及渤海湾北部地区地层特性数据库;通过单齿切削含砾岩样实验,研究了砾石直径、胶结强度、切削深度、切削齿尺寸及后倾角等因素对切削齿冲击载荷的影响规律,为钻头切削齿尺寸和后倾角设计提供理论依据;针对砾岩地层钻头的损坏机理,结合渤北地区地层特性分析及单齿切削实验结果,通过PDC钻头冠部剖面优化设计,梳状布齿及多重切削布齿结构设计,切削齿类型及参数优选,力平衡抗涡动设计等,优化设计了针对渤北地区底砾岩地层使用的直径为311.2mm的PDC钻头,为顺利钻进砾岩层及软硬交错等非均质地层提供了有效的途径和方法。