深井钻井在我国有着广阔的发展空间,深部井段的钻井速度低对建井周期和钻井成本造成了严重影响,现有钻头在深部小井眼钻井中存在明显不足。深入分析现有钻头的优缺点,结合单牙轮钻头的结构特点和在深部小井眼中的优势,针对其牙齿不耐磨的致命弱点,提出刮切方向能自调整、自适应的旋转齿单牙轮PDC钻头新技术。新型钻头地层适应性强,寿命长,破岩效率高,能明显提高深部小井眼的钻井效率。论文从破岩机理及设计方法等基础研究入手,开展旋转齿单牙轮PDC钻头新技术研究。以切削单元破岩能耗比最小为准则,利用结构创新,提出能实现刮切方向适时随动自调整、自适应的旋转齿结构,为PDC齿应用在单牙轮钻头上提供条件。介绍新型旋转齿单牙轮PDC钻头的结构特点和工作原理,建立新型钻头的几何学、运动学基础理论,为后续新型钻头技术的深入研究提供基础理论支持。开展旋转齿单牙轮PDC钻头运动特性研究。包括:进行新型钻头的钻头轮体速比分析及预测方法研究;研究钻头牙轮与井底的接触关系,分析切削齿的井底工作状态及轮换工作时间;深入分析钻头切削齿的运动轨迹及运动特性,进行切削齿运动规律的影响因素分析。通过上述深入分析,掌握了新型钻头的运动特性和规律,建立了新型钻头运动特性分析方法,为新型钻头后续研究分析建立了基础。开展切削齿刮切破岩单元实验研究。包括:PDC齿和硬质合金镶齿(楔形齿和锥球齿等)的单齿刮切破岩实验测试分析,PDC齿的交叉刮切测试分析;并进行了切削力探讨。通过单元实验掌握了各切削齿的破岩机理和特性,同时建立了大、小倾角下的切削力计算模型。基础单元实验与理论分析相结合,为深入了解新型钻头的破岩机理提供了手段。开展全尺寸钻头破岩钻进实验研究。包括:新型钻头的旋转齿旋转原理验证及轮体速比测试实验研究;开展新型钻头及普通单牙轮钻头和PDC钻头的破岩钻进对比实验,进行各钻头的工作特性及破岩效率分析。通过全尺寸钻头实验研究了解各钻头的破岩工作特点,掌握新型钻头的破岩工作特性,发现新型钻头钻进工作中的问题,为新型钻头的后续设计开发及应用提供直接有益的参考。进行新型钻头设计方法研究,包括:钻头牙轮轴倾角的确定与选择,布齿设计,旋转结构设计与分析,钻头水力结构设计优化,钻头保径设计等。建立了新型钻头的设计方法,为新型钻头的设计开发提供方法指导。进行新型钻头的产品钻头设计,为新型钻头的产品化及应用做好准备。论文研究能为形成具有自主知识产权的钻头新技术提供基础理论支持,新型钻头如成功应用,可望为深部地层钻井效率低的技术难题找到有效的解决途径。