深层硬地层及强研磨性地层钻进速度慢,钻进周期长的问题严重制约着油气开采,粒子冲击钻井技术为这一问题的解决提供了技术支持,而钻头作为粒子冲击钻井中重要的组成部分,对其设计与优化及其井下工作环境研究尤为重要。本文针对传统钻头的缺陷与不足,通过三维建模软件,借鉴国外粒子冲击钻井钻头,运用理论分析与数值模拟的方法对钻头进行设计优化,并对井底流场规律进行研究。建立不同结构喷嘴的数值计算物理模型,对不同喷嘴内流场与外流场进行模拟研究,结果表明,流线型高度为40 mm,直柱段为20 mm,喷嘴直径为6.5 mm的流线型喷嘴的粒子冲击动能衰减慢,冲击井底动能大,破岩效率高,选取此喷嘴作为粒子冲击钻井钻头所安装的喷嘴。根据钻头水力结构参数对喷嘴角度组合及定位圆直径进行设计,通过数值模拟进行参数优选,保证井底的全覆盖。钻头结构设计方面主要包括钻头底部、排屑槽的设计、保径片的布置及钻头内腔结构设计,进行校核优化后,设计出新型“非接触破岩”PID钻头。采用控制变量的方法,通过FLUENT数值模拟研究井底流场形态,研究结果表明,当粒子直径为1.7 mm,粒子体积分数为3%、喷距为52 mm、钻头转速为90 rpm时,井底旋流较少,粒子动能损失较小,粒子破岩效率较好,并且粒子在井底滞留时间短,粒子能快速上返至地面装置,为粒子冲击钻井室内试验及现场实验提供理论依据。