在石油勘探开发过程中,PDC钻头与井底岩石的作用是一个复杂的过程。在钻井过程中,钻井速度的快慢与PDC钻头破碎岩石的效率有很大关系,所以掌握PDC钻头上的切削齿破碎岩石的机理对提高钻井速度和经济效益有重要的意义。本文系统研究了离散元法的基本原理,在对PDC切削齿破岩理论分析、试验研究和数值模拟现状分析的基础上,提出采用离散元法分析PDC切削齿剪切破岩的工作过程。本文主要的研究内容如下:(1)根据砂岩的物理性质并结合离散元基本理论,通过数百组仿真和12组室内单轴压缩实验,系统的介绍了离散元仿真模型粘结键参数的标定方法,标定了砂岩颗粒与颗粒之间粘结键参数,给出了仿真模型单轴压缩动态破坏过程。通过与室内单轴压缩实验进行对比,岩石破坏的轴向变形量-试验力曲线几乎一致,证明了标定参数的准确性。(2)根据粘结键标定方法,建立了PDC单齿切削岩石离散元模型,分析了PDC切削齿的破岩机理,通过离散元模拟单齿切削砂岩,确定了最佳的PDC切削齿后倾角为15°、侧倾角为25°和切削深度为2mm,并通过室内单齿切削实验对仿真模型进行了验证,误差仅为3.7%,证明了模型的准确性,为提高破岩效率提供了帮助。(3)建立了PDC双齿切削岩石离散元模型,验证了PDC切削齿在破岩过程中双齿运动产生的两应力场存在相互干涉的现象,分析了这种现象为破岩处的岩石颗粒与其相邻的颗粒之间产生了相对的运动,说明了干涉处的颗粒会受到相邻颗粒施加的作用力。(4)建立了PDC钻头的单刀翼破岩离散元模型,并通过与现场试验数据进行对比,验证了模型的准确性和现场选用钻头的合理性。仿真分析结果与砂岩破岩机理基本相符,证实了采用离散元法分析PDC切削齿切削岩石的工作过程是可行的。