随着国内外学者对于松辽火山岩地层不断的勘探开发,发现该地层岩石研磨性强、可钻性差、机械钻速慢、钻井周期长等问题较为突出,因此破岩效率较低。PDC钻头因其高耐磨性和高硬度等特点在该区域广泛应用。目前国内外对松辽火山岩地层的研究多集中于应用效果评价方面,而对于岩石破碎机理研究较少,因此有针对性的对于该地层PDC钻头切削齿的破岩机理研究不容忽视,这对提高该地层的破岩效率具有重要意义。本文通过对于火山岩地层岩石特性的研究,认为破岩效率低主要是由于火山岩地层具有高地应力,岩石软硬交错富含层理,井底温度高。综合以上三个特点,开展松辽火山岩地层PDC钻头切削齿破岩机理的研究,阐述PDC切削齿与岩石的相互作用关系,通过数值模拟,发现振动冲击载荷可以提高切削软硬交错岩石破岩效率,揭示了切削参数和井底温度对于破岩比功的影响,以及切削参数对于切削齿温度的影响。具体研究成果如下:(1)对PDC切削齿破岩过程中岩石受到的合力进行分析,推导了切削力的求解过程。对深部地应力场作用下岩石应力进行分析,得到了满足垂直井段及斜井段井底岩石应力分布情况的应力分量。以松辽火山岩地层典型岩石力学参数为依据,建立了PDC切削齿破岩模型,模拟了垂直井段和斜井段破岩时的应力分布情况,斜井段的应力的峰值比垂直井段的应力的峰值稍大。对比了侧倾角和后倾角对破碎比功的影响,找到了合适角度的后倾角和侧倾角,从而有利于破岩效率的提升。(2)提出了软硬交错岩石模型的想法,模拟了PDC切削齿切削软硬交错岩石的过程,并进行了切削层理岩石的室内实验,数值模拟仿真得出的切削力与室内试验得出的切削力误差很小,验证了模拟的可靠性。对比切削均质岩石和软硬交错岩石的切削力大小可以看出,软硬交错界面的存在加大了切削难度,并且切屑力波动较大。(3)对比了有无地应力场作用下,切削软硬交错岩石不同层理倾角、不同层理厚度的切削力,分析了振动冲击载荷对软硬交错岩石破岩的影响。对比了软硬交错岩石在有振动冲击和无振动冲击作用下的切削力大小时,对比了不同振动频率和冲击幅度对破岩比功的影响,得出了PDC切削齿在振动冲击载荷作用下可以提高破岩效率的结论。(4)分析了PDC切削齿破岩过程的热理论,建立了有地应力场作用下的PDC切削齿切削岩石温度位移耦合模型。分析了切削齿的齿刃上某一节点的温度变化情况,发现最高温度出现在切削齿与切屑的接触区。不同的后倾角、侧倾角、切削速度和切削深度会对切削齿温度的变化产生一定的影响。对比分析了不同井底温度下,不同切削参数对破岩比功的影响。