我国丰富的页岩气资源储量为大力发展页岩气产业奠定了强劲的基础,如何快速高效地进行页岩气开采是页岩气产业发展的关键。四川省是我国最早开展页岩气研究和勘探开发的省份。四川省页岩气的地质条件复杂,地层倾角较大,页岩储层具有强烈的各向异性。页岩气藏普遍埋藏较深,多分布于地下3000米以下,页岩更加致密,使得该类储层可钻性极差。钻头在钻遇这种高强度和较大地层倾角的页岩储层时,钻井综合成本较高,平均一口井的钻完井费用约7500万元,极大的制约了当下我省页岩气产业的发展。PDC钻头已经可以实现在非均质性强、研磨性高的砂岩、页岩储层中钻进,但PDC钻头破岩机理的研究焦点主要集中在各向同性的砂岩等岩石中。本论文源自四川省科技厅国际合作项目“基于钻柱系统动力学特性的各向异性页岩破碎机理研究”中部分内容。针对页岩储层中存在的复杂节理倾角,围绕节理倾角对钻压、扭矩等关键钻井参数的影响规律,开展微型PDC钻头破碎页岩的室内模拟实验。在此基础上,建立微型PDC钻头破碎页岩的有限元数值模型,通过对比室内模拟实验结果和仿真分析结果,进一步研究页岩节理倾角对页岩破碎机理的影响。本论文研究内容主要包括以下几个方面:(1)以龙马溪组不同层理倾角的页岩为研究对象,开展了岩石抗拉强度实验、三轴抗压实验,分析了层理倾角的变化对岩石弹塑性参数的影响,同时确定了页岩本构模型以及所需要的关键弹性参数。(2)开展钻柱力学研究,弄清钻柱轴向力、扭矩、弯矩等主要力学参数的基本变化,分析钻柱系统动力学平衡方程理论。运用相似准则,确定了实际生产中的钻井工艺参数与室内实验条件的对应关系。(3)开展基于钻柱振动特性的室内微钻头破碎页岩实验,包括实验装置的设计、微型PDC钻头-页岩室内钻进实验、钻柱-微型PDC钻头-页岩室内钻进实验。深入分析了不同工况下的钻压、扭矩、岩屑破碎重量随页岩节理倾角的变化特征。并基于钻柱振动特性,分析了各节理倾角下钻压、扭矩曲线的波动特性及钻头的位移变化特征。(4)对微型PDC钻头-层理性页岩进行有限元数值模拟建模及仿真分析,对不同节理倾角下PDC钻头切削破岩时的钻压、扭矩等参数基本变化特征进行分析。在此基础上,采用两结点空间线性梁单元模拟钻柱,并耦合至微型PDC钻头-页岩数值模型中,通过对钻柱上端受力特征、钻头本体运动特征进行分析,研究了钻柱振动特性对页岩破碎机理的影响。