冲击旋转钻井技术适合浅层非常油气地层和深部硬脆性地层,因为冲击旋转钻井是在旋转钻井的基础上对钻头施加一定频率的冲击能量,钻头不但有静压力和扭矩作用,而且附加了一种冲击动载荷。实际应用时与常规钻井相比,相同钻压下,机械钻速高,大幅提高钻井效率。虽然冲击旋转钻井技术已提出多年,并有诸多优点,但是并没得到推广应用,而且破岩速度不稳定,在同一地层、同一井况下钻速差别很大,所以针对冲击旋转钻井技术仿真研究及实验方案设计展开了以下研究:.(1)系统调研冲击旋转钻井的影响因素。从宏观方面的岩石破碎方式、破岩工具及破岩的比能耗;微观方面岩石的破碎发展;岩石破碎数值模拟等三大方面展开调研,总结影响冲击旋转钻井破岩的关键因素和未解决的关键问题,确定了本文的重点研究内容和研究思路。(2)从宏观和细观尺度进行单齿破岩实验研究,建立单齿侵入岩石实验仿真模型。为全尺寸冲击旋转钻井破岩仿真模型的建立及修正提供实验和理论依据。重点研究加载速率对岩石破碎过程中岩石性质的变化规律,并结合数值仿真方法探索单齿破岩机理。虽然前人从岩石宏观和微观破碎方面进行了大量研究,但是从冲击载荷作用下岩石宏观和细观多尺度破碎机理的研究较少,实验和仿真结果证明提高载荷加载速率会增大岩石的压缩强度,同时加快岩石损伤破碎速度,合理利用加载速度会大幅提高岩石破碎效率。(3)通过非线性接触有限元法建立全尺寸钻头冲击旋转钻井破岩仿真模型。根据单齿破岩实验和单齿仿真破岩所得规律建立了全尺寸破岩仿真数值模型,并且根据同区块和同地层现场钻井钻速、钻压及转速等统计数据对模型进行了校验。冲击旋转钻井影响因素和评价指标很多,本文重点从损伤力学角度并综合强度理论和实验结果探索岩石高效破碎过程,明确与动载荷相关的参数对岩石损伤破坏的影响规律,其中包括载荷组合形式、冲击频率、冲击波形、冲击载荷持续时间及冲击载荷峰值等因素。(4)系统设计冲击旋转钻井实验装置,初步构建了冲击旋转钻井实验方案。目前还没有一套系统考虑因素较全面的冲击旋转钻井实验装置和实验方案,很多前人的成果需要一套冲击旋转钻井实验方案验证和深入研究。本文主要基于前期系统地调研,单齿破岩机理研究及全尺寸钻头冲击旋转破岩的研究成果,并结合结构动力学、岩石动力学及物理实验方法,设计了冲击旋转钻井实验方案,方案中重点考虑了影响冲击旋转破岩的关键因素,重点关注各影响因素的动态信号特征及相互耦合作用对破岩的影响。综上所述,本文的主要进行了宏观、细观单齿破岩实验;建立了单齿破岩仿真模型和全尺寸破岩仿真模型;通过建立全尺寸钻头仿真模型分析了冲击旋转钻井破岩关键因素对岩石损伤破碎的影响规律;基于实验和理论研究系统设计了冲击旋转钻井实验方案,为冲击旋转钻井的深入研究提供基础。