随着我国国民经济的高速发展,国家对油气资源的需求急剧增加,供需矛盾日益严峻,2015年原油对外依存度首次超过60%,要保障国家能源战略规划的顺利实施,必须不断寻找新的油气资源。钻井是当今世界获取油气资源的唯一最佳手段,钻头是旋转钻井中直接破碎岩石并形成井眼的重要工具,其寿命与工作性能直接影响钻井速度,进而影响油气资源的勘探开发效率。单牙轮钻头是介于三牙轮钻头和PDC钻头之间的一种切削型钻头,曾以独特的破岩方式和较高的机械钻速获得钻井界的青睐,并成为小井眼侧钻及深井钻井中的首选钻头。根据现场应用跟踪调研和统计分析:单牙轮钻头主要失效形式为牙齿的先期过度磨损和切削“死点”。目前使用的硬质合金齿单牙轮钻头,只能应用于较软地层,对于硬而研磨性较高的地层,其先期磨损相当严重,寿命较短。因此,研究设计抗磨性强、岩性适应性更广泛的单牙轮钻头具有重要的现实意义和发展前景。本文针对单牙轮钻头存在的问题,采用球形单牙轮钻头+PDC钻头设计理念及PDC切削齿在牙轮上缓慢交替工作的原理,设计出新型球形单牙轮PDC复合钻头;通过系统的理论与仿真研究,建立了球形单牙轮PDC复合钻头的系统设计理论。(1)在简要阐述国内外单牙轮钻头的研究现状与发展趋势、单牙轮钻头的应用现状及存在主要问题基础上,提出了本文选题背景、目的意义及研究思路和主要研究内容。(2)通过对比分析单牙轮钻头与三牙轮钻头及PDC钻头不同的破岩机理,并对现场调研的单牙轮钻头失效机理进行分析总结,根据提出的球形单牙轮PDC复合钻头的设计理念,完成了三种球形单牙轮PDC复合钻头的方案设计。(3)考虑PDC齿在牙轮上安装的前倾角与侧转角及齿形特征,建立了球形单牙轮PDC复合钻头PDC齿的几何学与运动学方程,切削齿刃上任一点的径向分速度、切向分速度和纵向分速度,以及径向加速度、切向加速度和纵向加速度计算理论,实现单牙轮钻头的结构参数、PDC齿在牙轮上的位置参数、以及岩石特性对各项速度和加速度的影响规律的定量分析研究,为确定钻头的最优结构参数提供理论依据。(4)建立了单牙轮钻头PDC齿在井底的运动轨迹方程,对球形单牙轮PDC复合钻头三种设计方案在不同轴倾角、不同吃入深度、不同时间的井底轨迹进行了仿真;提出了基于井底覆盖率和最大未破碎凸台评价指标,得到各方案钻头轴倾角对井底覆盖率及最大凸台的影响规律;确定了各设计方案最佳轴倾角的设计范围,为球形单牙轮PDC复合钻头轴倾角的优选及牙轮齿面结构设计的评判与优化提供理论依据。(5)基于接触力学,建立了单牙轮上PDC齿垂直压入和水平刮切岩石产生的互作用力(轴向力、径向力和切向力)的理论计算公式,通过建立的钻头牙掌与牙轮、牙轮与PDC齿之间互作用力的关系式,得到PDC齿与岩石互作用力对牙轮及钻头产生的合力与合力矩的理论计算式;研究了 PDC齿压入和刮切岩石时的接触力与压入深度、PDC齿在牙轮上的位置高度、前倾角和侧转角等因素的相关性;进而完成球形单牙轮PDC复合钻头全齿破岩数值仿真分析,得到钻头的速度和加速度随时间的响应曲线以及各个PDC齿与岩石的互作用切削力。(6)基于上述研究内容,系统建立了球形单牙轮PDC复合钻头的设计理论,据此完成了 0118mm球形单牙轮PDC复合钻头的结构设计,并对主要部件进行了强度分析,制造出球形单牙轮PDC复合钻头实体,属国际首创,为室内和现场试验奠定了硬件基础。本文的研究工作完善了小井眼侧钻井、深井钻井及难钻地层单牙轮PDC复合钻头设计理论,具有较大的理论与工程应用价值。