钻头的设计包括剖面设计、布齿设计、流道设计等。由于开窗钻头具有独特的受力特性和切削要求，因此在参考常规地层PDC钻头的设计经验基础上，针对开窗钻头进行了个性化设计。采用三维辅助设计软件Solidworks进行三维建模和设计。通过三维实体的建模，可以形象、直观地实现设计意图。在钻头的设计、修改和优化过程中有效地利用三维建模软件来完成，使得设计过程更加快捷、直观和方便。将三维数字化模型直接用三维打印机打印，然后成型模具，经过烧结成型后焊接PDC齿，完成整个钻头的加工。

PDC钻头钻遇中硬及软硬交替地层时极易产生黏滑现象,导致钻柱扭转振荡、钻进过程不稳定,机械钻速急剧下降。为解决上述难题,设计一种高频液力扭转冲击钻井提速工具。该设备主要由扭转冲击元件、承载连接元件及相应附件组成,通过内部流道产生的节流压差驱动扭转冲击元件产生高频往复的冲击扭矩,减弱或消除黏滑振动对钻头使用寿命的影响。地面试验和现场应用结果表明:该工具通过水力循环可稳定输出高频冲击扭矩,在桃2-4-18A井、坨203井、延491井进行了现场应用,与邻井相比机械钻速平均提高30%以上。该设备具有较好的市场应用前景且为深井、超深井钻井提速降本增效提供了技术支撑。

随着深井、超深井逐步成为油气开采的一种趋势,提高破岩效率、钻进速度至关重要。为了提高PDC钻头在层理岩层的破岩效率,分别设计伺服液压夹持系统,液压钻进系统,液压高速旋转系统,高频径向冲击系统和高频轴向冲击系统,对钻杆在不同钻压、不同转速、不同冲击频率、不同冲击力下,对破岩效率、钻进速度进行了规律研究。

PDC钻头能钻进的地层越来越宽,已能钻进硬地层和复杂夹层,但在硬地层中其机械钻速普遍较低。针对上述现象开展了PDC齿正常磨损前后的钻头钻进能力对比实验和分析,并提出建议。P D C钻头能正常钻进的前提是P D C齿能有效地吃入岩石;钻头磨损后攻击性减弱,PDC齿不能很好地吃入地层,是钻头机械钻速下降和发生打滑的根本原因;钻头磨损后加大钻压能增加PDC齿吃入岩石的能力,改善钻速,但也加快了钻头的进一步磨损,当磨损到一定程度时,加压提速的效果并不明显。建议,作钻头分析设计时针对硬地层应充分考虑钻头的攻击性;应进一步开展磨损状态下的钻头分析。

定向喷嘴布置的方式对PDC钻头的井底流场将有很大的影响,尤其是能改变PDC钻头的水力性能,因而研究定向喷嘴布置具有重要的意义。本文分析了喷嘴的不同布置方法,并通过数值方法模拟其对PDC钻头井底流场的影响。结果表明：在不完全对称布置方案的冲击区,在射流刚开始从喷嘴处流出去,但还未接触井底,各喷嘴射流处于衰减地带之内,这样的话将对钻头的清洗和携带岩屑离开井底非常有效果;在漩涡区,喷射角大、距钻头中心远的喷嘴射流则对清洗和携带井壁附近的岩屑起主要作用,喷射角小、距钻头中心近的喷嘴射流则对清洗和携带井底中心的岩屑起主要作用;在刀翼上的附面层由于周围喷嘴的影响,刀翼切削面低速区明显减少,剪应力增大,更好地预防、清除PDC钻头的泥包。最终达到提高机械钻速的效果。