油气井定向随钻扩孔钻井技术主要用于优化井身结构、提高固井质量及预防复杂地层缩颈卡钻等事故的发生,扩孔钻头是该钻井技术的主要钻头产品。对于随钻扩孔PDC钻头产品研发至关重要的设计技术、仿真分析技术以及现场应用技术仍停留在参考国外产品或基于经验设计阶段,严重制约着我国随钻扩孔PDC钻头新产品的研发能力。本文着眼于上述技术现状的不足,通过开展随钻扩孔PDC钻头的基础理论分析和钻头破岩仿真技术等方面的研究工作,为我国随钻扩孔PDC钻头产品开发提供一种重要且具有较高实用价值的设计、分析手段。本文主要研究内容及主要研究成果包括:第一、研究和发展了 PDC钻头数字化建模理论及方法,扩展了切削齿模型库。第二、研究了 PDC钻头保径块结构的几何模型和与地层岩石的互作用力学模型,PDC钻头数字化仿真分析技术得到了进一步地完善。第三、研究了球坐标系方法,与柱坐标系数字化仿真系统相比钻头切削结构与井壁井底互作用关系计算的精确度得到了提高。第四、研究了钻头的几种典型运动模式的建模方法。第五、开展了随钻扩孔PDC钻头性能分析及评价理论的研究。第六、在上述研究成果的基础上,开发了“随钻扩孔PDC钻头钻进仿真分析系统”,可以在理想钻进和导向钻进条件下计算切削齿接触量、切削量、切削齿工作载荷和钻头工作载荷及性能评价参量。第七、针对特定钻头研究了不同工况下扩眼体梯度对钻头工作性能的影响。