煤层气作为一种未来新型清洁环保能源。近年来,各国都在积极的进行煤层气的开采利用,煤层气钻机在钻井开采中扮演着重要的角色,而钻机钻进参数则是影响和制约钻进速度、成本和质量等的重要因素。将钻进参数优化组合可以提高机械钻速、减少钻头磨损并降低钻井成本。因此,本文针对煤层气钻井开采过程中的钻井周期长、钻进效率低、钻井成本高以及缺乏模拟钻机钻进研究等一些问题,从岩石的本构模型入手,建立了 PDC钻头切削齿动态破岩仿真模型。建立了钻机钻进参数多目标优化模型,并采用智能优化算法来对钻机钻进参数进行优化,优化结果能够在实际工程中为钻机下钻提供理论依据。本文所做的主要研究内容如下:(1)根据岩石物理力学特性和损伤理论,建立了岩石分别在两种不同载荷形势下的本构模型,并通过比较验证了模型的统一性。求解出三轴等围压受力情况下岩石随着轴向力变化而破坏的全过程应力应变曲线。并基于此,建立了钻机钻头切削岩石机理模型,并对钻头切削岩石的全过程进行分析。(2)建立了 PDC钻头切削齿破岩过程动态仿真模型,对破岩过程中的温度场进行分析,得出了切削速度、切削深度、齿前角对PDC钻头温升的主要影响规律。基于上述模型,分析了 PDC钻头切削齿的变形规律。建立了切削力和温度耦合的热结耦合模型,仿真分析了温度、切削力对切削齿形变影响规律。(3)基于仿真结果,利用响应曲面法,建立了以切削速度、切削深度、齿前角为参数的PDC钻头温升数学模型及考虑温升及外力的钻头切削齿变形模型。并以切削齿变形量为优化目标,优化刀具结构参数及切削工艺参数。(4)基于经典的钻机钻井机械钻速、钻头寿命模型,以机械钻速、钻头寿命为优化目标,以钻压、钻头转速为决策变量,利用生物地理优化算法,实现煤层气钻机钻进参数的多目标优化。(5)论文获得了在钻头切削齿变形约束为0μm-0.1084μm条件下,切削速度、切削深度、齿前角的一组最优参数。机械钻速约束为0m/h-10m/h、钻头寿命约束为0h-100h范围的前提下,钻压和钻头转速的多组优化参数组合。