冠部形状是PDC钻头的重要组成部分。PDC钻头的冠部形状决定着井底形状,而井底形状的不同会影响井底岩石的应力状态分布,进而影响岩石破碎的难度。对不同井底形状的岩石应力状态的研究可以为冠部形状的优化提供指导。本文创新性地从井底形状与井底不同部位岩石的破碎应力的关系入手,系统地阐述了PDC钻头冠部形状优化设计理论,提出了一般的冠部形状可以用典型冠部形状(鱼尾型、炮弹型和平底型)组合的形式拟合得到的观点,并以岩石可破碎强度来表征井底应力分布情况。运用LS-DYNA有限元模拟软件对单齿、单刀翼和单排齿的岩石破碎过程进行了模拟,得到了不同岩性条件下,切削角度、切削深度、切削速度对岩石可破碎强度的影响规律,以及典型井底形状的岩石可破碎强度分布规律。本文通过建立岩石可破碎强度与井底形状的表达式,提出了PDC钻头冠部形状优化设计模型。本文开拓了钻头冠部设计的研究思路,推动了破岩理论的发展。