我国深部地层的油气资源具有巨大的开采潜力。随着深井与超深井钻井数目逐年增多,“向深层要油”与钻遇深部硬地层(或硬夹层)和强研磨性地层时面临“钻速慢、周期长、成本高”的矛盾日益突出,严重制约着深层油气资源勘探开发的速度和效益。粒子破岩钻进技术利用粒子射流中的高硬度、高研磨性的刚性粒子高速、高频冲击地层破碎岩石,可显著降低射流破岩临界压力和破岩比功,提高深部硬地层和强研磨性地层的钻进速度。本文基于球面应力波在岩石介质中传播的波动方程,推导了岩石质点在粒子冲击作用下的应力分量,建立了粒子冲击应力波的数学模型。并综合利用光滑粒子流体动力学法(SPH)和有限元法(FEM)的优势,通过罚函数接触算法实现SPH-FEM耦合,采用随机算法建立了体现粒子射流中固相“大粒径、低浓度”特点的粒子射流力学模型,对粒子射流冲击破岩的过程进行了数值模拟研究。数值模拟结果与室内实验结果一致表明,岩石在粒子射流的冲击动载作用和应力波损伤软化作用下形成破坏:冲击压力产生初始裂纹→拉应力和剪应力综合作用形成环形裂纹→卸载引起岩石的拉伸破坏→水射流的协同作用使裂纹汇聚贯通形成破碎,同时应力波的传播又增加岩石的损伤范围。通过引入液桥力模型,结合离散颗粒方法,建立了粒子运动的微分方程,研究了高压罐内粒子运动的动态变化过程和粒子分布状态的特征,分析了粒子注入不稳定和粒子堵塞的内在机理,并建立了粒子注入稳定性的判断标准,形成了前混式粒子射流调制方法。依据前混式粒子射流中粒子均匀稳定控制机理研究揭示了漏斗流是造成下料口堵塞和粒子注入不稳定的主要原因,通过设计专门的调制元件实现高压罐内粒子的流动形态由漏斗流向整体流转变,从而有效解决粒子注入不稳定和粒子堵塞的问题。据此研制的前混式粒子射流调制系统工作状态良好,粒子注入稳定,未出现粒子堵塞的事故,表明本研究形成的前混式粒子射流调制方法具有可行性和可靠性。利用前混式粒子射流调制系统,开展了围压条件下的粒子射流冲击破岩实验研究,分析了粒子射流产生方式、喷嘴内流道结构、围压、喷射角度、喷距、喷射时间、粒子体积分数、粒子直径等因素对射流破岩效果的影响。研究结果表明,岩石抗压强度越高,粒子射流冲击对岩石抗压强度降低的幅度越大,但破碎孔眼的无因次深度和无因次体积越小;岩石破碎孔眼的无因次深度和无因次体积随喷射时间的延长先大幅增加,之后增长率明显降低,并随着围压的增大非线性的减小;射流喷射角度、喷距、粒子体积分数和粒子直径的变化都对破岩有明显的影响,存在最优区间,本实验的最优无因次喷射角度范围为0.62~1.31,最优无因次喷距为7.5,最优无因次粒子直径范围为0.35~0.5,最优粒子体积分数范围为2.5%~3.5%。另外,通过对比实验确定前混式粒子射流比后混式粒子射流具有更高的能量传输效率。根据相似理论,应用空间向量与立体几何计算方法,设计了一种连续可调角度的粒子冲击破岩全面钻进钻头,进行了钻头结构的优化设计,并开展了钻头的冲击破岩实验研究。研究结果表明,粒子冲击破岩可以实现非接触全面钻进的全井底破岩成孔的要求,钻头能够完全依靠粒子射流以较高的破岩效率在岩石中形成连续完整的孔眼;钻头的转速对粒子冲击钻头的破岩效果影响较小,而送钻速度对钻头的破岩效率和岩石破碎孔眼的形态具有较大影响。在实际工程中应根据所钻地层的岩性合理控制送钻速度,从而获得较高的机械钻速。本文综合采用理论分析、数值模拟和实验研究的方法,深入探索了粒子射流冲击作用下岩石的动态响应及其损伤演化和破坏的机理,分析了压差引射前混式粒子射流调制机理,研制了前混式粒子射流调制系统,并设计了粒子冲击钻头,验证了完全依靠粒子射流冲击破碎岩石进行全面钻进的粒子破岩钻井的技术路线,从而为粒子破岩钻进技术的发展及在深层油气勘探开发工程中的应用奠定了基础。