高效破岩技术是油气钻井领域的核心,也是钻井工程理论研究的重点内容,在深井、超深井中,高效破岩技术更体显出重要作用。但随着油气勘探的不断深入,勘探难度日益增加,井深从中浅层向深层、超深层延伸,破岩难度加大。尤其在一些复杂难钻地层,旋转钻井的钻进效果并不理想,机械钻速低下,钻井事故频发,钻井成本高。本文针对我国当前深部地层钻井难点和钻井破岩技术的实际情况,提出应用谐振激励冲击破岩的钻井新方向,采用理论研究、数值模拟以及室内实验相结合的手段对谐振激励下钻头的冲击破岩机理展开研究。论文的主要研究内容及研究成果如下:1.研究了岩石介质冲击振动的力学模型。分别从作用介质、振动响应以及冲击系统三个角度介绍了岩石介质的力学模型、振动系统的力学模型以及冲击钻进系统的力学模型,给出了谐振激励下岩石介质稳态响应的幅频特性曲线。2.基于模态分析理论,开展了岩石介质共振特性研究。分别建立了单裂缝岩石固有频率的理论计算模型和多裂缝岩石的振动模型,并应用ANASYS软件进行有限元模拟,得出了裂缝走向、裂缝长度、裂缝宽度以及裂缝数量对岩石谐振频率的影响规律,证明了裂缝存在会降低岩石介质的固有频率。3.基于最小作用量原理,建立了谐振激励下岩石介质的微振动方程。在多自由度的振动运动方程基础上推导出单自由度的岩石介质微振动方程,并通过数值求解的方法分析了压头冲击力、冲击频率以及岩石质量对岩石介质振动位移的影响。研究结果表明岩石介质在谐振激励下的微振动位移曲线也呈类简谐函数形状。4.基于哈密顿能量方程,分别建立了无阻尼条件下和有阻尼条件下岩石介质的能量响应模型及相应的能量耗散方程。应用MATLAB软件对岩石介质的能量响应模型求解,得到了模型因素对岩石介质响应能量影响规律的二维曲线图和三维趋势图。研究结果表明:岩石的固有频率与冲击频率对岩石介质能量响应的振动周期起决定性作用,而冲击力、岩石质量以及阻尼系数主要决定岩石介质能量响应的最大幅值。5.基于接触力学理论,分别建立了动静载荷作用下锥形压头和球形压头在加载阶段和卸载阶段的破岩模型,推导出两种压头侵入深度与冲击载荷的关系式。一方面应用MATLAB软件进行数值计算并分析,得到模型因素对压头侵深的影响。另一方面通过ANASYS软件从岩石的位移响应和应力响应两个角度分析说明动静载荷冲击作用能够扩大岩石的响应范围和载荷的作用区域,加剧岩石振动的剧烈程度,促进岩石破碎。6.基于振动学理论,建立了高频谐波振动冲击系统的物理模型、数学模型以及相应的简化模型。应用MATLAB软件对冲击系统的动力学模型求解,分别得到钻头与岩石未接触、钻头与岩石接触但不发生钻进以及钻头钻进岩石三个阶段的运动方程。通过对运动方程分析可知钻头钻进岩石的效果受岩石刚度、阻尼、临界力,动态激振力与激励频率等因素影响。7.完成了谐振激励下钻头破岩的室内实验研究。应用三轴应力实验机测试了岩样的力学参数,应用超声波发射换能装置和声发射检测系统测试了岩样的共振频率,应用岩石振动激励模拟测试系统进行了谐振激励冲击破岩实验。结果证明:谐振冲击钻井时,谐振激励能大大提高岩石的振动幅度,促进岩石破碎,进而提高钻进速度。共振破岩是未来钻井技术发展的重要方向之一。研究谐振激励下钻头的冲击破岩机理,是共振钻井破岩技术实用化、现场化所必须解决的基础问题。本文的研究为我国钻井工程、矿山开采工程提速降本提供了科学指导和理论支撑。