随着对地下矿产资源的需求和消耗的急剧增加,资源紧缺和矿产资源的供给与保障问题已经成为制约国民经济发展的“瓶颈”。钻探是深部地质找矿工作中不可替代的技术手段,而钻探工作中消耗在岩石破碎方面的资金和材料是一个非常巨大的数字。孔底岩石破碎机理研究是钻探(钻井)专业重要的基础理论研究方向之一,是设计高效、长寿命岩石破碎工具及制定合理钻进规程的理论基础。虽然国内外对金刚石钻头在孔底岩石破碎机理研究已做过大量的工作,但有关金刚石的碎岩机理及破碎过程至今尚未被彻底掌握,仍然没有一个较好的物理模型。前人在岩石破碎机理研究时,大都是以球形、圆锥形或圆柱平底压模压入弹性半空间体时的应力和变形结论为基础,考虑岩石在切削具静力作用下的应力分布等,以此来研究岩石的破碎问题。这对表镶或孕镶金刚石钻头钻进岩石破碎机理研究,是比较合适的。随着PDC生产技术的提高和PDC钻头设计制造技术的进步,国内外已经在油井钻探、煤田钻探和部分岩心钻探中大量使用PDC钻头,PDC钻头适应的地层也越来越广泛,但是理论研究尚远落后于工程实践。为了进一步扩大PDC钻头的应用范围,为实现PDC钻头的科学设计与应用,必需清楚了解PDC钻进岩石破碎的影响因素和规律,以便有效地利用和掌握它们。这就是本论文研究的目的。本论文在前人研究岩石破碎机理的基础上,采用理论分析与建模、实验研究和仿真分析相结合的方法进行研究。由于PDC斜镶入在钻头胎体或刚体上,因此PDC总是以斜向压入切削方式破碎岩石,其压头形状既不同于球形或圆锥形压头压入,又不同于圆柱平底压头压入。因此,PDC钻进岩石破碎机理的研究,不能单纯再以球形、圆锥形或圆柱平底压模压入的结论来分析,需要针对具体的斜镶PDC形状,结合具体的岩石破碎方式来进行分析。通过PDC压入切削岩石时的受力分析,运用接触力学理论,详细推导了单个PDC片与岩石之间的接触压力,建立作用荷载和压入岩石深度的关系模型；结合不同尺寸、形状PDC片和不同几何结构的PDC钻头与岩石之间的接触作用分析,建立相关的物理模型,分析了对接触压力的影响因素及其规律。在此基础上,基于相关岩石强度准则,研究了PDC在双向荷载作用下钻进岩石时,岩石破碎前的裂纹萌生与破裂面位置,建立PDC钻进岩石破碎条件的理论模型。以测定试验岩石和PDC的力学性能为数据基础,采用不同尺寸和数量PDC进行压入切削岩石的室内试验,并设计一款钻头进行台架试验和实钻试验。根据试验数据分析各项参数之间的相关性和规律,并与理论研究的结果进行对比。运用ANSYS Workbench中的Design Modeler模块建立各种不同形状尺寸PDC和不同结构PDC钻头压入切削岩石的几何模型,再由Static Structural及Transient Structural模块进行有限元分析,并对分析结果进行后处理。最后结合Design Explorer模块对各项参数进行相关性和优化设计分析。具体章节内容如下：第一章是概述性章节,主要介绍了本论文的研究意义和目的,综述了国内外对岩石破碎和PDC受力的理论研究现状及趋势,并阐述了论文的研究内容和方法。第二章是关于PDC受力分析的研究,目的是从理论角度搞清楚接触压力的影响因素,及接触压力与PDC作用力之间的关系。当整形PDC压入切削岩石时,PDC与岩石之间主要有两个接触面。从接触力学理论角度,对PDC与岩石之间各接触面的接触压力进行了详细地推导。再根据PDC受力分析,由极限平衡条件,得到作用于PDC的轴向力和切向力与PDC压入岩石深度的关系,表明接触压力与压入岩石深度是成非线性比例关系。通过对PDC钻头的受力分析,得出钻头轴压力和扭转力矩与单个PDC受力、钻进机械速度等的关系。第三章是关于PDC压入切削岩石破碎的条件分析。根据接触压力的理论计算公式,由岩石抗压的力学性能,分析PDC压入岩石的破碎条件。结合相关岩石强度理论,分析PDC切削岩石时,岩石初始裂纹的萌生、发展条件和宏观破碎的开裂面,得出PDC钻进岩石破碎的条件模型,并对PDC钻进岩石的破碎过程进行了定性分析。当非整形PDC压入岩石时,由于PDC与岩石之间接触面的形状和尺寸变化,必然影响其接触压力。仍然运用相关接触力学理论,对一种被切割小部分的非整形PDC与岩石之间各接触面的接触压力进行分析,并将分析结果与整形PDC的接触压力计算公式进行对比。结果表明,由于PDC压入切削岩石破碎的形式不变,PDC与岩石之间的接触压力计算形式不变,但相关系数与PDC的几何特性有关,并对影响接触压力的PDC几何参数因素进行了分析。第四章是关于试验研究和结果分析,目的是验证理论研究的结论。首先采用相关试验设备测试试验岩石和PDC的力学性能,将试验数据作为试验研究和数值分析的数据基础。设计了几种整形和非整形PDC压入切削岩石的物理模型,并进行微钻试验。根据各种试验结果,分析影响PDC钻进岩石破碎效果的各项因素。根据前期研究结论,设计、制造一款PDC钻头,并进行台架试验和生产试验,对试验参数和效果进行了分析。第五章是在理论和试验研究的基础上,进行PDC压入切削岩石的数值分析。设计了几种仿真几何模型：一是单个整形PDC压入切削岩石模型；二是单个非整形PDC压入切削岩石模型；三是分别由两个和六个PDC组成的组合PDC压入切削岩石模型。在仿真分析过程中,都考虑了切入角和扭转角等几何因素的影响。通过ANSYS分析结果,采用Design Explorer进行了各参数之间的相关性和优化分析。应力、变形云图和相关性曲线表明,PDC的尺寸和形状对岩石接触压力和变形都有较大影响,而且理论曲线与数值分析曲线比较符合,这也说明理论分析的正确性。第六章是结论性章节,对全文的相关结论进行总结,并分析和展望了今后继续本课题研究需要深入的问题。总之,本文通过理论推导建模,试验分析及ANSYS数值分析,围绕PDC压入切削岩石破碎的机理研究取得了一定的成果。