区别于传统的钻头和高压水射流的破岩机理,粒子冲击钻井是以高速坚硬球型粒子冲击破岩为主,联合高速水力破岩和机械钻头牙齿破岩为辅的一种新型钻井破岩方法,在地面筛选滤除装备的辅助下,粒子可以循环使用,对钻井液比重影响较小,并克服了磨料射流对钻井装备磨损严重的不足。金属粒子在高速流体的携带作用下与井底岩石瞬时接触时,产生较大的瞬时冲击接触应力,当瞬时应力超过岩石的极限抗压强度时,会造成接触区域直接产生冲击破坏,并在其边界产生拉应力和剪切应力。由于岩石的抗拉强度和抗剪切强度要远低于抗压强度,因此当产生的应力超过岩石的抗拉和抗剪极限强度时,会在接触区域附近形成显性裂纹和隐性微裂纹,同时撞击产生的应力波会以撞击点为中心向外传播,撞击点附近的岩石在强大的压力作用下呈现塑性流动的特征,应力波的传播使岩石受到拉伸应力作用而产生损伤裂纹。在高频粒子和高速流体的联合冲击作用下,产生大量的岩石碎屑,从而提高坚硬、耐研磨地层的破岩速度,在深井、超深井逐年增多的行业背景下,具有很好的潜在应用空间。本文主要从理论分析、数值模拟及室内模拟实验研究三个方面,对粒子射流耦合冲击破岩过程中的粒子体积、冲击速度、入射角度、粒子掺入比例等工艺参数对粒子射流破岩效果的规律进行了分析。基于LS-DYNA分析平台,开展了粒子冲击破岩的瞬态动力学分析,对粒子冲击破岩各项参数与破岩效果间的关系开展了数值模拟分析,确定了可行粒子冲击破岩参数的规范区间。基于牛顿第二定律,建立了粒子/流体在管柱、喷嘴和射流等速核的速度和加速度的一般方程;建立了锥直型喷嘴、等变速型喷嘴和流线型三种喷嘴的母线方程,开展了粒子/流体在三种喷嘴中的速度和能量转换率的研究,得出了等变速型喷嘴的能量转换率较高,喷嘴压降较小,需要的水功率也较小的结论,并在此基础上研制了等变速型喷嘴;通过数学模型的仿真计算和基于流体力学分析平台Fluent的数值模拟相结合的研究方法,验证了粒子/流体运动方程和解算方法的正确性,给出了粒子射流冲击岩石前粒子和流体的相对速度关系。基于动态球形空腔膨胀理论,建立了空腔区域半径、破碎区域半径、裂纹区域半径和弹性区的数学模型,确定了粒子射流耦合冲击破岩的边界区域,提出了多粒子射流耦合冲击破岩区域宽度的计算方法,并采用数学模型计算仿真和实验结果相互验证的研究方法,对模型解算结果进行了验证分析。基于赫兹理论建立了粒子冲击岩石的运动方程,通过粒子冲击岩石的最大压深、最大冲击力和冲蚀体积等关系,获得了粒子冲击破岩体积的计算方法,再结合水射流冲击破岩体积的计算方法,最终提出粒子射流冲击岩石破坏体积的计算方法,并分别给出了在相同流体速度的情况下,不同粒子直径和粒子单位体积与破岩体积间的关系,最后采用数学模型计算仿真、数值模拟和实验结果相互验证的研究方法,对模型解算结果进行了验证分析。在粒子射流冲击深度的数学建模过程中,提出了以稳定损伤状态下的破岩深度为粒子射流破岩深度的研究思路,分析了岩石损伤的演变过程并给出岩石在多次粒子冲击作用下的损伤模型,建立了粒子冲击未损伤岩石的破岩深度和第n次冲击损伤后岩石的破岩深度的数学模型,给出了破岩深度与冲击次数、粒径大小和冲击速度间的关系,采用光滑粒子流体动力学法(SPH)和有限元法(FEM)相结合的方法,对粒子射流耦合冲击破岩深度进行了仿真分析;最后采用数学模型计算仿真、数值模拟和实验结果相互验证的研究方法,对模型解算结果进行了验证分析。根据粒子射流冲击钻井工艺流程和冲击破岩工艺参数,确定了实验装置的总体参数和功能需求,研制了粒子射流耦合冲击破岩实验装置。该实验装置主要由泥浆泵动力系统、粒子循环系统、模拟钻井系统和控制与检测系统等组成,能够实现粒子按比例实时掺入高压流体中,能够实现粒子射流耦合冲击破岩和粒子自动过滤等粒子冲击钻井的工艺流程。实验装置采用了远程遥控启停和流量实时控制的操作模式,能够实现射流速度、粒子掺入比例、粒子掺入速度、钻头进给速度和钻压的实时控制,满足粒子射流耦合冲击破岩实验的需求。基于自主研制的粒子射流耦合冲击实验装置,开展了射流速度、粒子直径与破岩体积关系的实验研究,射流速度、粒子直径与破岩深度关系的实验研究,粒子体积百分比与破岩效率的实验研究,射流角度与破岩效率的实验研究,粒子射流耦合冲击破岩与机械钻头破岩钻压对比的实验研究和粒子射流破岩穿透能力等系列实验研究。实验研究结果除了为粒子射流冲击破岩体积、破岩速度和破岩宽度的理论研究提供数据支持外,还提出了粒子冲击速度、粒子直径、粒子掺入体积百分比、粒子喷射角度与破岩效率间的关系,给出了粒子射流破岩与机械破岩钻压的比例关系,分析了粒子射流耦合冲击破岩的穿透能力,分析了粒子射流耦合冲击的岩石破碎机理,提出了可以根据单位岩石面积上受到的粒子冲击频率和单个粒子的冲击动能相结合的方式来确定粒子掺入比例的方法。