提高钻速和降低成本是钻井工程需要解决的两个重要问题。通过研究单齿在不同载荷、不同地层条件下的破岩效果和效率,有利于指导钻头结构优化和钻井参数优化。国内外对于加载载荷、地层条件、单齿结构参数等因素对破岩效果的影响进行了比较全面的研究。目前来看,现有的理论对单齿作用下的裂纹产生和扩展机制、钻头的几何学和运动学有较为深刻的认识,但是关于破岩效果与钻压、转速及岩石力学性质等因素之间的关系的研究还有待加强,所以,本文进行了如下研究:(1)系统调研单齿破岩的影响因素。从破岩方式、破岩工具及破岩模型三个方面进行了调研,总结目前单齿破岩的研究现状和影响单齿破岩的关键因素,确定了本文的研究内容和技术路线。(2)建立单齿压入模型,利用电子万能试验机开展单齿侵入破碎实验。得到单齿侵入破碎下力-位移的典型曲线,定量评价岩石破碎指标并计算岩石弹性模量和硬度,测得破碎坑的的形状和大小,作为数值模拟的基础。(3)根据单齿侵入实验,利用Abaqus软件,建立单齿破岩的数值模拟模型。考虑在不同载荷下,单齿侵入不同内聚力、内摩擦角岩石的破岩情况,得到不同宽度、深度和体积的破碎坑。根据数值模拟得到的不同内聚力、内摩擦角、载荷与破碎坑的宽度、深度和体积的统计数据,采用无量纲化的方法,建立它们之间的定量关系式并求解。根据数值模拟的结果,分析单齿破碎过程所需的力,分析了内聚力、内摩擦角和深度对力的大小的影响,对正确认识破碎不同内聚力和内摩擦角的岩石,衡量不同载荷破碎不同性质岩石的效果提供理论基础。(4)进行单齿破岩实验,验证破碎坑宽度、深度、体积与内聚力、内摩擦角、载荷等因素之间的关系式。调试单齿破岩实验装置,现场取样并将所取的岩样加工成规则形状。利用破岩实验装置,在不同压力和转速下,破碎加工的自流井、吴家坪和金宝石层位的岩样,得到实验条件下的钻速和实验破碎体积。根据实验体积和理论计算体积的关系,建立钻速表达式。将已知参数代入钻速表达式计算得到理论计算钻速,将实验钻速和理论计算钻速进行对比,验证该关系式的成立。综上所述,分析破岩效果与钻压、转速和岩石性质等因素之间的关系,建立的关系式能够用于工程中计算在不同钻压、不同转速下破碎不同性质岩石的钻速,这对衡量钻头破岩效果有一定的指导意义。