水平井PDC钻头作为钻井工程中一个重要的工具,被广泛地运用于深层页岩气水平井的开发中,如何在泥页岩地层中高效钻进的同时达到最佳的井底清岩效果就对水平井PDC钻头的水力结构提出了要求。利用数值模拟仿真技术,研究水平井PDC钻头井底流场中岩屑运移的情况,可以协助和指导钻头水力结构的设计。现有的数值模拟方法多采用单相流和拉格朗日粒子样本追踪的方法,并未考虑高钻速情况下大量的岩屑与钻井液的双向耦合作用以及岩屑的大小和力学行为,存在一定的局限和不足。基于以上考虑,本文采用了 CFD-DEM(计算流体力学-离散元)耦合技术,针对高岩屑量情况下水平井PDC钻头的井底流场进行了岩屑运移的数值模拟研究。主要的研究工作有如下各方面:(1)以CFD-DEM耦合理论为基础,建立了考虑重力和旋转的水平井PDC钻头井底流场液固双向耦合的基本理论和数值模拟计算模型。(2)利用CAD软件建立井底三维流场模型,根据岩石切削量仿真理论提取各切削齿产生的初始岩屑量以及岩屑的初始运动速度和方向。(3)建立CFD-DEM耦合的水平井PDC钻头井底流场数值模拟研究方法;使用多面体网格划分技术进行计算模型的网格无关性验证;在不同条件下采用轨迹跟踪的方式对模拟结果中钻井液运动和岩屑运移进行分析研究;提出利用岩屑滞留量和岩屑运移比作为水平井PDC钻头井底流场携岩性能的两个评价指标。(4)针对水平井PDC钻头,依据评价指标分析对比钻头流道形状、喷嘴数量、喷嘴大小、喷嘴排布对钻头井底流场岩屑运移的影响研究,并提出水力结构的设计建议,现场结果表明,采纳设计建议后的水平井PDC钻头性能表现较好。本论文的研究成果丰富和发展了水平井PDC钻头井底流场的数值模拟研究方法,对进一步了解井底岩屑的运移状态和改进钻头水力结构具有工程实际意义。