深部硬地层油气勘探开发面临着钻进速度慢、生产周期长、资金成本高等问题,对钻井技术提出新挑战。粒子冲击钻井破岩是以高速球形硬质钢粒子冲击破岩为主,以高速水力破岩和机械牙齿破岩为辅的一种新的钻井破岩方法,可用于钻探某些特殊岩层段,特别是因抗压强度极高而造成钻速下降的硬地层。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。以弹塑性力学、连续介质力学基本定律为基础,结合能量守恒方程与球面波基本特征,建立粒子冲击接触岩石的数学模型,推导出应力波在岩石介质中传播的波动方程,确定岩石在粒子冲击作用下的应力分量,通过嵌入抗拉强度与抗剪强度作为岩石破坏准则编写岩石质点应力计算程度,并通过光滑粒子流体动力学法(SPH)和有限元法(FEM)耦合算法进行验证,得到岩石在冲击作用下动态响应与破坏形式。在此基础上,通过采用ANSYS/LS-DYNA软件分别建立了粒子射流冲击岩石数值模型与粒子钻头冲击岩石数值模型,分析了粒子直径、入射角度、入射速度、围压、旋转速度以及喷嘴倾斜角度组合等因素对岩石应力场分布以及破岩形式的影响。分别开展了粒子射流冲击破岩室内实验与粒子钻头旋转冲击破岩实验,室内实验结果与数值模拟结果进行对比,进一步揭示岩石在粒子射流冲击作用下的动态响应特征与破碎机理。研究表明:在单粒子冲击作用下岩石呈现三种应力状态,即先压缩后拉伸、三向压应力状态、拉伸应力状态,岩石主要破坏形式为拉伸破坏、剪切破坏、拉伸-剪切共同破坏;岩石单元在粒子射流冲击作用下呈现四个变化阶段,即初始冲击阶段、定常稳定冲击阶段、冲蚀破坏阶段以及弹性恢复阶段,发生的破坏形式主要为剪切破坏、拉伸破坏、压缩破坏以及剪切-拉伸破坏;粒子钻头旋转冲击作用下,岩石主要呈现剪切破坏形式与拉伸破坏形式,喷嘴之间的角度组合对破岩具有较大的影响,而钻头的旋转速度对破岩效果影响较小;数值模拟结果与室内实验结果具有较好的一致性,能够较为准确地反映岩石在粒子射流作用下的动态响应特征。