优化井底水力特性是提高钻井速度的有效途径之一,基于这种认识,对旋转射流的结构特性进行了深入剖析,提出了将旋转射流引入到PDC钻头的技术设想,并采用理论分析和试验研究的方法探索了旋流PDC钻头井底流场辅助提高钻井速度的机制,为相关的实际应用寻求理论支持。首先,在分析旋转射流结构特性的基础上,基于较少假设,采用重整化群RNG k ?ε模型,对旋流PDC钻头井底流场进行数值模拟,结果发现,旋转射流和直射流的配合比常规的直射流可获得更大的漫流速度,有利于清除井底岩屑;钻头外围喷嘴采用旋流喷嘴时,可获得更好的清岩效果;钻头旋转和喷嘴旋转射流联合作用,会在井底形成有序的高压区和低压区分布,改善井底岩石和岩屑的受力状况,从而提高钻井速度。其次,开展了切向注入式旋流喷嘴的携岩实验,结果表明,切向注入式旋流喷嘴的携岩能力优于直射流喷嘴;随着喷距的增加,喷嘴携岩能力呈先增大后减小的趋势,本文实验条件下的最佳携岩喷距为(1-3)L/d;当切入孔个数为3个时,携砂量最大,是同样条件下直射流喷嘴携岩量的1.5倍。最后,依据理论分析和实验研究结果,以易于实现、可靠性高为主体技术思路,设计了切向注入喷嘴式旋流PDC钻头和钻头腔内定子调制式旋流PDC钻头,并探讨了实际应用的可行性。系统的理论分析和试验研究证实,调制井底旋转射流,优化井底水力特性确实有利于提高钻井速度,研究结果对新型、高效破岩工具的研制和应用具有重要的实际意义。