在石油钻井工程中,钻头作为主要的破岩工具,其设计好坏在很大程度上影响了钻井成本和钻井效率。但是随着浅层石油的急剧减少,钻井开始越来越多的面临地层复杂、深井、超深井、难钻地层,于是对钻头的设计及使用也提出了越来越高的要求。近些年,随着PDC-牙轮复合钻头在国外钻探现场的成功应用,其取得的优异钻井数据为钻头的发展指明了一定的道路。对于国内,一些生产钻头的厂家也迫切希望获得高性能和实用的复合钻头,从而打破国外的技术垄断,建立起自己的复合钻头制造技术和体系。目前PDC-牙轮复合钻头作为一种新的破岩工具,在硬地层、致密地层、高研磨性地层以及定向钻井中有着钻井效率高、造斜稳定、钻头使用寿命长等优势。虽然国内针对复合钻头开展了一些研究,并取得了一定的研究成果,但是对于复合钻头的破岩机理及设计技术还需要深入研究、完善。为此,本文针对复合钻头开展了以下研究,主要包括:（1）开展了PDC-牙轮复合钻头结构及工作原理的研究,深入剖析了PDC-牙轮复合钻头的破岩机理和失效形式,以及相比常规钻头而言复合钻头的破岩优势;（2）提出了PDC-牙轮复合钻头的设计相关因素:两套切削结构的复合、牙轮外形轮廓、牙齿齿型、冠部轮廓、保径设计方法。并针对硬地层、不均质地层以及定向钻井对复合钻头的个性化设计进行了探讨。根据复杂难钻地层特性,设计了一款1211/4in的复合钻头,其结构为三刀翼+三牙轮布置的结构;（3）运用有限元动力学分析软件ANSYS,模拟PDC-牙轮复合钻头的动态破岩过程,得到PDC-牙轮复合钻头钻进硬地层的破岩效果、破岩效率,以及井底、井壁岩石应力场的分布情况;（4）根据牙轮的几何学、运动学以及PDC固定切削刀翼的几何学、运动学特性,讨论分析了PDC-牙轮复合钻头的几何学、运动学。在几何学研究基础上,由此编制了钻头井底轨迹仿真软件,绘制出钻头的仿真井底轨迹。本文所做的理论研究和设计技术研究,为PDC-牙轮复合钻头的设计、评价及对结构设计进行优化调整提供参考。