进入21世纪,油气资源开采由浅层向深层方向发展,深井、超深井的数量日益增多,随着井深的增加,井底岩屑清洗困难,钻井效率低、周期长、成本高等问题日益突出。本文在分析数据的基础上,建立了水基钻井液高温高压流变参数预测模型,并利用公开文献数据,对预测模型的适用性进行了验证,预测模型的拟合度达到了0.98以上。确立了超深井井底液固两相流基本控制方程,利用Solid Works软件建立了PDC钻头几何模型以及井底计算流域模型,基于DPM模型给出数值模拟计算的求解方法。考虑了高温高压钻井液流变性变化对携岩规律的影响,压持效应对井底岩屑颗粒启动的影响,利用数值模拟方法研究了钻头井底流场与携岩的关系,通过对超深井PDC钻头各喷嘴出口射流流动状况的数值模拟结果分析发现,流场中漩涡区普遍存在,不利于岩屑运移返排。通过对井底独立岩屑颗粒的受力和启动机制分析,建立了岩屑颗粒启动所需钻井液的临界流速计算模型。数值模拟研究中定义了岩屑颗粒临界启动运移的判别函数,提出了压持率Cp作为考虑压持效应影响的井眼清洁评价参数。使用压持率Cp作为PDC钻头井底清洗状况的评价参数,采用数值模拟方法,量化了钻井液的粘度、排量,喷嘴的尺寸、数量、倾角、组合方式等水力因素对钻头井底携岩的影响。模拟结果表明,随井深的增加,温度压力升高粘度降低,不利于井底岩屑运移;排量的增加和喷嘴尺寸的减小,提高了喷嘴出口射流流速,使井底岩屑得到有效的清洗;在钻井液排量条件一定的情况下,喷嘴数量、倾角、组合方式对井底岩屑运移整体影响较小;一个刀翼布置一个喷嘴、适当的增加内侧喷嘴倾角以及采用“外小内大”的喷嘴组合方式,更有利于井底岩屑运移。相同水力条件下,大尺寸的岩屑颗粒相比与小尺寸的岩屑颗粒更容易被压持在井底壁面。利用现场超深井施工数据,开展了超深井水力参数优化设计研究,以最大钻头喷嘴射流冲击力为标准优化出施工最优排量,确定了最优排量下的喷嘴直径。在水力参数优化的基础上,结合喷嘴水力结构对岩屑压持率的影响规律,对本文原有的PDC钻头的喷嘴布置进行了优化,优化后井底岩屑清洗效果改善明显。