在石油钻井工程中,异形单牙轮钻头作为一种新型的牙轮钻头有着广阔的应用前景。该钻头在工作过程中无论是运动还是受力都有别于常用的三牙轮钻头、PDC钻头及球形单牙轮钻头,因而其破岩效率的评价及提高还缺乏深入研究。牙齿作为破岩的执行部件,其效率的高低将直接影响钻头的破岩效率,而齿冠形状是影响牙齿破岩效率的主要因素之一,并且不同齿圈组合不同齿形可最大程度发挥钻头的破岩效果,因而这就需要为不同齿圈优选牙齿。针对上述问题,本文结合异形单牙轮钻头的运动特点,在使用现有齿形单齿圈复合运动的破岩实验基础上,借助有限元仿真技术分析比较了各齿圈在不同齿形的情况下异形单牙轮钻头的破岩效率。优选了每个齿圈中破岩效果最好的牙齿,同时设计出了效率更高的新齿形。在研究过程中,研究内容大体如下：1)分析了岩石的力学特性,通过比较不同岩石模型的适用情况,确定采用JOHNSON-HOLMQUIST-CONC-RETE模型为本文的岩石模型,同时也讨论了钻头在破岩过程中的运动和受力情况；2)基于有限元分析软件LS-DYNA的功能特点,确定以此来作为本文研究的仿真软件,并建立了符合异形单牙轮钻头与岩石相互作用的有限元模型,这其中通过“试凑试验法”确定了岩石模型中的难测参数；在引入接触边界条件和失效准则的情况下,利用LS-DYNA软件对不同齿圈、现有的三种牙齿的破岩过程进行了有限元仿真；完成了异形单牙轮钻头单齿圈复合运动破岩实验,对仿真结果进行了很好的验证；3)在分析过程中,确定考虑破岩体积、齿坑深度、破岩面积及最大应力等指标,运用模糊综合评判方法对三种齿形的破岩效率进行了评价,并为每个齿圈选择出了现有三种齿形中破岩效率较高的齿形；4)依据牙齿在破岩时的运动轨迹及应力分布特点设计出了异于现有齿形的3种新齿形,并对这3种新齿形的破岩效率进行了综合评价。