目前,石油天然气的勘探与开发不断向深井、超深井方向发展。深井钻井技术在全球油气资源的开发中占有重要地位。随着井深的增加,岩石的抗压强度不断增强,可钻性变差。为了缩短钻井周期、节约成本,提高钻头在深部难钻地层的工作性能是钻井工程中亟需解决的技术难题。针对深部难钻地层钻头的钻速低、寿命短、能耗高的问题,本文提出了在常规固定齿PDC钻头上引入旋转模块结构,通过旋转模块齿交替轮流工作的原理使得切削齿能够得到及时冷却,减少切削齿的磨损,从而提高破岩效率,延长钻头寿命,同时由于模块的旋转,使得模块齿与固定齿存在复合刮切,在井底形成局部交叉的刮切轨迹,通过实验和数值模拟验证了复合刮切有利于提高破岩效率。本论文主要开展了以下内容:(1)旋转模块式PDC钻头基础理论研究。建立了旋转模块式PDC钻头的复合坐标系统,形成了针对性的钻头几何学、运动学基础理论,为后续钻头设计提供理论支撑。(2)开展了旋转模块单元刮切实验研究。研究了模块的轴倾角(0°～30°),侧转角(0°～25°),模块的直径大小,以及模块的布齿密度对模块的旋转状态,载荷和破碎比功的影响规律。(3)开展了复合刮切的实验和数值模拟研究。实验结果表明复合刮切有利于提高破岩效率:有限元仿真表明了复合刮切有利于平整的岩样产生凸起的岩脊,使得岩脊及岩脊周围产生拉应力,有利于切削齿的侵入,提高破岩效率。(4)研究了旋转模块式PDC钻头的切削轮廓线匹配设计、布齿设计理论及结构设计方法。基于模块不同的倾角时与固定翼切削轮廓线的匹配设计方法,以及轴承的设计和受力情况分析。(5)进行了全尺寸实验钻头样机的设计,并最终选定了一种设计方法,加工制造出实验钻头样机,进行了室内实验测试。本文的工作为后续旋转模块式PDC钻头的产品化设计提供了重要的理论依据和实验依据,并为后续实际工程应用提供了指导思路,具有重要的理论价值和工程意义。