随着油气勘探开发向深井、超深井发展,旋转钻井方法中破岩扭矩传输体制显露出薄弱环节,集中体现在机械钻速低、钻柱动态安全性差、钻井成本高等几个方面。我国钻井工艺技术水平与美国等钻井技术较发达国家相比还有相当差距,平均建井周期和钻头使用量约为美国的2倍。深井、难钻地层的钻井提速提效是制约我国钻井技术发展的重大难题。基于深井、难钻地层机械钻速低、衍生问题多等工程问题,针对旋转钻井方法的能量传输规律开展研究。结果表明:PDC钻头用于破碎岩层的扭矩来自钻柱扭矩传递链条的最末端;实例计算得知,5000米钻柱传递到钻头的扭矩只占地面输入扭矩的5.98%。若该扭矩≤破碎钻遇地层PDC钻头所需的临界扭矩时,就会发生PDC钻头的卡滑现象,即扭矩集聚和快速释放的不稳定、不连续的钻进过程,越是深井、难钻地层,卡滑问题越为严重。这种剧烈的交变应力容易诱发钻具断裂、落井等井下事故,使得钻井作业成本和风险大幅提高。基于此,本文提出建立近钻头冲击能量供给机制,从源头上寻求解决旋转钻井扭矩的传输问题,确保钻柱动态安全,避免因横向振动、自激震荡、卡滑等带来的危害。机械钻速是岩石特性、钻具性能、钻井参数等条件相互作用的结果,其核心是PDC钻头的整体受力分析,本文综合考虑了岩石特性、切削齿特性和破岩过程,提出了平均破碎角ψ的概念,修正了现行以切入点或滑移点定义的岩石破碎角;对比静载与动载作用下岩石破碎角的区别,得出结论:采用动载的岩石破碎角较大,其破碎岩石所需比耗能较低,这是采用动力载荷破岩的方式和能量更快速破碎岩层、提速提效的理论依据。推演得到PDC钻头整体受力的工程计算方法,获得破碎抗压强度σ_c=85~250MPa的岩层PDC钻头所需的临界扭矩,并以此作为设计和选择扭冲工具和PDC钻头的依据。提出扭转冲击动载扭矩、当量静载的工程计算方法。基于实验研究和数值仿真,实验装置与测试系统(能够测试冲击频率0-100Hz等性能指标),获得了部分性能指标关系曲线;运用Fluent流体仿真软件建立了扭冲工具的流体动力学模型;采用Adams动力学分析软件研究了工具运动与冲击的规律;应用Ansys有限元软件对扭冲关键部件进行了强度校核;验证并推导了工具部分性能参数的拟合曲线。针对旋转钻井系统能量传输的技术瓶颈,研制出近钻头系列扭冲工具,截至2017年底,已在东海、南海、四川页岩气、山西煤层气、新疆、胜利等油区成功应用191井次,累计进尺超68000米,创9项区块作业纪录。其增加冲击破岩能量、提高机械钻速的效果显著;更为重要的是,整个钻进过程扭矩平稳,钻柱的动态安全工况显著改善。工业应用证明,在近钻头端使用扭冲工具,使钻头在破岩方式和能量上都有了显著改变与提升,突破了原有旋转钻井能量传输的技术瓶颈,改善并保障快速钻进时系统的安全动态工况。综上所述,理论是基础,实验与模拟是方法,工程应用是目的,本文立足于此逻辑主线和系统思维,针对扭转冲击钻井提速的机理、方法开展了系统研究,相关研究成果也成功工业化应用。