在目前我国油气田勘探开发呈现出“深、低、海、非”的新趋势下,高效破岩技术显得尤为重要。轴向冲击载荷辅助破岩的过程是在常规旋转钻井的基础上,利用冲击器产生的冲击载荷对岩石进行破碎,从而提高破岩效率。该技术是当前油气钻井提速的主要途径之一,已得到了石油行业内的广泛认可。但由于前期对冲击钻井工况模拟实验的研究仍然较少且缺乏系统性,使得目前旋转冲击钻井工具和钻井工艺仍存在不足。为完善冲击钻井实验研究,结合国内外在该领域的最新进展,以室内实验为主,辅以破岩过程的数值模拟,研究轴向冲击载荷对PDC切削破岩的影响规律,揭示轴向冲击载荷提高PDC钻头破岩效率的机理,以期为该技术的进一步发展和优化提供参考。首先,根据冲击钻进实验目的和要求,研制了可施加轴向冲击载荷进行PDC微钻头破岩钻进的室内实验系统,对装置的不同系统进行了介绍。经测试,该实验系统能够顺利完成常规旋转钻进和轴向冲击钻进两种方式下的破岩实验。其次,利用冲击钻井综合实验系统进行实验研究,在轴向冲击钻进方式下,分析转速、钻压和冲击载荷参数对PDC钻头破岩的影响,明确不同工况下轴向冲击载荷对PDC钻头破岩的影响规律。对比常规旋转钻井和轴向冲击钻井,分析轴向冲击载荷对钻头粘滑振动的影响。通过岩屑粒径分析,探索旋转冲击钻井在不同岩性情况下的适应性。实验结果表明,与常规旋转钻井相同,提高转速、钻压有利于提高轴向冲击钻进时的机械钻速;轴向冲击载荷可以抑制钻头粘滑振动;增大冲击力,有利于提高破岩效率;硬脆性地层更适合冲击钻进。最后,在仿真模拟的前期,通过岩石的单轴抗压实验和有限元单元模拟实验,拟合选取模拟用岩石材料模型。利用LS-DYNA仿真软件,建立了轴向冲击载荷作用下的PDC切削破岩模型,然后进行了PDC切削破岩过程和冲击载荷作用下岩石损伤过程模拟,研究不同载荷作用下岩石内部裂纹的发展和破碎演变过程。研究结果表明,轴向冲击载荷可以促进岩石内部裂纹的产生、发展和贯通,增大破碎体积,提高破岩效率。本文通过室内实验和数值模拟的结合,明确了不同工况下轴向冲击载荷对PDC钻头破岩的影响规律,分析了轴向冲击载荷对PDC切削破岩的影响机理,对冲击钻井工况模拟实验研究作了补充,为下一步旋转冲击钻井提速技术体系的建立和该技术的优化提供理论支持。