随着油气资源勘探开发的不断深入并逐渐向深部硬地层发展,岩石可钻性变差,现有的常规PDC钻头破岩效率慢、钻头过早破坏失效等一系列问题应运而生,直接导致了钻井周期延长及钻井成本增加,不能满足钻井提速增效的发展要求。PDC切削齿作为钻头的基本切削单元,其结构形状的不同直接影响了钻头的破岩效率及使用寿命,因此针对不同地层设计不同结构的切削齿具有重大意义,为实现硬地层钻井提速增效提供了新思路。目前,常规平面齿在硬地层条件下难以吃入岩石,牙齿过早崩断失效,促使PDC切削齿的形状研究逐步转向非平面化。基于此,本文开展了硬地层条件下,新型非平面切削齿的结构设计与破岩机理研究。论文的主要研究内容及成果如下:(1)论文通过国内外有关PDC切削齿结构设计、破岩仿真分析、试验分析及现场应用等研究现状的调研,提出了自主设计一种适用于硬地层的非平面切削齿的构想,并运用理论、仿真及试验三者相结合的方法综合分析新型非平面齿的破岩机理,研究其各项性能。(2)分别从岩石性能分析、切削齿破岩过程受力分析及破岩比功分析三个方面探究了 PDC切削齿的破岩过程,开展了影响PDC切削齿受力及破岩比功的因素分析进而得出了判定PDC切削齿性能好坏的指标:①切削齿在轴、切、径三个方向所受切削载荷平均值大小表征其三向的切削性能;②切削齿在轴、切、径三个方向所受向切削载荷方差大小表征其三个方向的切削平稳性;③切削过程中破岩比功平均值大小表征其破岩效率的高低,方差大小表征其效率的稳定性。(3)对比了几种成熟应用于工程上的切削齿的破岩机理,切削齿三个方向的载荷及破岩比功,得出:非平面切削齿的破岩效率及寿命明显高于常规平面切削齿,并提出将脊型切削齿与阶梯型齿的结构特点和工作原理融为一体,设计一种适用于硬地层的新型非平面切削齿的设计思想。(4)利用组合类比思想,设计出了 1号“一脊双阶梯”、2号“双脊双阶梯”及3号“三脊三阶梯”三种融合脊型与阶梯型优点的新型切削齿,对该三种新型切削齿在轴、切、径三个方向所受载荷平均值大小、载荷波动大小及破岩比功进行对比分析,得出3号“三脊三阶梯”齿破岩效率最高,切削过程最平稳,牙齿受冲击载荷致使其破坏的可能性最小,寿命最长。(5)开展了 3号“三脊三阶梯”新型非平面切削齿与常规平面切削齿单齿试验对比研究,结果表明:新型非平面切削齿所受切向载荷仅为常规齿的1/2,径向与轴向载荷仅分别为常规齿的1/3、1/9,因此所受载荷更小,切削性能更好,牙齿寿命更长;新型非平面切削齿轴切径三向所受载荷的方差仅为常规齿的1/4,1/2,1/10,因此其三向平稳性更好;新型非平面切削齿破岩比功仅为常规齿的1/3,因此切削效率更高。(6)建立了镶有新型非平面切削齿的全钻头与常规PDC钻头的有限元模型,开展破岩仿真对比分析,结果表明:新型非平面齿钻头岩石的应力水平低于常规齿钻头,更易在硬地层下进行岩石破碎;新型非平面齿钻头对井眼周围岩石的影响更小,更利于保障井壁的稳定性;新型非平面齿钻头加速度小于常规钻头,减小了有害的轴向冲击振动;新型非平面齿钻头具有更高的破岩效率。