随着我国油气勘探开发逐渐向深井、超深井等硬地层和复杂难钻地层钻进,常规PDC钻头和牙轮钻头在破岩过程中出现钻进效率低、寿命短等问题,已经无法满足当下钻井提速增效的要求,因此提高深部硬地层的机械钻速、延长井下钻具寿命已成为目前国内外油气资源开采急需解决的首要问题。新型冲刮阶梯型钻头综合了冲旋钻头和PDC钻头各自对岩石的冲击作用与刮切作用,采用分级破岩的方式,为提高硬地层的钻井效率提供了新思路。于是本文基于岩石力学、弹塑性力学和有限元法等理论,结合仿真模拟分析的方法,研究了冲刮阶梯型钻头的钻进过程和破岩规律,对于掌握冲刮阶梯型钻头破岩机理以及对其技术的研发和推广提供理论依据。开展的主要研究内容和取得的成果如下:(1)开展了冲刮阶梯型钻头中冲旋切削结构和PDC刀翼切削结构单独破碎岩石的受力分析,在此基础上研究了两种切削结构复合作用下的破岩机理,得出冲刮阶梯型钻头提高机械钻速的力学机理,为后续章节开展仿真分析奠定了理论基础;(2)开展了阶梯井底应力场的研究。通过有限元模拟方法建立了阶梯井底受力模型,对比分析了不同领眼直径对阶梯井底应力状态的影响,结果表明:阶梯井底的扩眼井底和领眼井壁岩石应力释放明显,可钻性好,有助于扩眼PDC刀翼破碎岩石;而扩眼井壁应力释放不明显,形成的井眼井壁较为稳定;将不同领眼直径的阶梯井底的应力状态进行对比分析,作为优选领眼冲旋钻头直径的参考依据;(3)开展了冲刮阶梯型钻头与常规PDC钻头、双级PDC钻头在硬地层中的钻进破岩仿真结果对比分析,结果表明:冲刮阶梯型钻头主要以拉应力作用对硬地层岩石进行破碎;冲刮阶梯型钻头在硬地层钻进中能快速破碎岩石,机械钻速更快;冲刮阶梯型钻头的轴向振动情况较另两种钻头更平缓,说明其钻进过程更稳定,对钻头损伤更小;冲刮阶梯型钻头承受的反扭矩均值和波动幅度为常规PDC钻头的26.3%和45.2%左右,为双级PDC钻头的28.3%和39.8%左右;说明冲刮阶梯型钻头破岩过程中连续性好,扭转振动低,能量利用率更高,能有效减小粘滑振动,延长钻具的寿命;开展了 PDC钻头破岩台架实验,建立PDC钻头破岩有限元仿真模型,模型参数加载与实验加载参数相同,将实验测试和仿真提取的钻压和扭矩均值结果作对比,误差在8%以下,且随机械钻速变化的趋势一致,验证了所建有限元破岩模型的可靠性;(4)开展了领眼钻头尺寸与破岩结构相对高度对冲刮阶梯型钻头在硬地层钻进过程中的破岩特性影响。通过改变施加到领眼钻头的冲击载荷峰值和冲击频率,分析冲击加载参数变化对冲刮阶梯型钻头的破岩影响,结果表明:领眼钻头直径越小,钻头体承受的反扭矩就越大,扭转振动和轴向振动更为剧烈;而领眼钻头直径越大,需更大的冲击能量传递给领眼钻头,因此领眼钻头应作为辅助破岩,而不能作为主力破岩;破岩结构相对高度的变化对钻头体所承受的反扭矩和轴向振动影响不大,但相对高度越大,越易造成冲击能量的损耗;优选冲刮阶梯型钻头的结构尺寸,取扩眼结构直径311.2mm,领眼钻头直径120mm,相对高度40mm时,冲击载荷峰值取10kN以及冲击频率取12Hz的时候,该冲刮阶梯型钻头破岩效率最高。