如何实现地层岩石的高效破碎是油气钻井工程领域的核心问题,尤其是随着石油钻探工作逐渐转向深部地层,高效破岩技术显得更为重要。由于传统钻井方式给在深部致密性地层钻进时带来了机械钻速低、钻井周期长、钻井成本高等一系列问题,常规旋转钻井技术已经无法满足我国油气勘探开发对深井提速的需求,而冲击钻井技术是提高深井硬脆性地层钻井速度的有效途径之一。因此,本文基于深部致密砂岩的冲击破岩过程,完成了以下主要研究工作:在致密砂岩冲击动力学特性方面,基于岩石固有缺陷的损伤原理,获得了岩石动态破碎强度、破碎时间和应变能密度与应变率之间的数学关系,并通过室内SHPB冲击试验确定了符合深部致密砂岩的模型计算参数。研究结果表明,在与冲击钻井相当应变率范围内,致密砂岩的动、静态弹性模量之比在1.20~2.13之间,动、静态强度之比在1.31~1.91之间,且应变率越高,动态弹性模量和动态破碎强度越大;随着应变率的增加,致密砂岩的破碎时间减短,应变能密度增加;与浅层岩石的动力学性质相比,深部致密砂岩动力效应的应变率敏感性更强。因此,在对深层致密岩石的冲击破岩参数进行设计时,应充分考虑岩石的动力学特性,保证施加在钻头牙齿上的载荷大于岩石的动态破碎强度,牙齿与岩石的接触时间大于其动态破碎时间。在岩石破碎的能量耗散方面,以分形理论和断裂力学为依据,建立了岩石破碎的能耗密度模型,并以致密砂岩和花岗岩的SHPB冲击试验予以了验证。该模型将破碎能大小与岩石固有性质及破碎体粒度分布特征相结合,可以直接根据岩屑的分形特性和岩石表面能确定岩石破碎所需的能量值。在冲击动载条件下岩石破碎体的形成机制方面,从理论分析和二维离散元模拟两方面研究了不同井底压力条件下球形齿动载侵入破岩过程中的裂纹形成与扩展情况。研究发现,围压和液柱压力是阻碍径向/侧向裂纹朝自由面扩展和向破碎体发展的主要因素;液柱压力加剧了岩石内部的损伤,有助于侧向裂纹往岩石内部扩展,数值模拟结果形象地展现了岩石破碎体的形成过程。在冲击力幅值和作用时间对破岩效果的影响方面,利用三维离散元方法建立了球形齿动载侵入破岩的数值模型,研究了相同冲击速度和相同冲击能量两种工况下力的幅值和作用时间对破岩效果的影响。研究发现,当冲击速度恒定也即动载幅值相同时,存在一个最优的力延续时间(加载速率)可使破岩效果最佳,实际冲击钻井时可通过改变冲击器的冲锤形状来产生合理加载速率的冲击力;当冲击能量恒定时,短延时、高幅值的冲击力更有利于岩石的高效破碎。在旋冲钻井的破岩能量钻速方程方面,分析了冲击器钻进系统的动力学过程,获得了冲击器轴向冲击时的能量效率模型,研究了能量效率的影响因素,并通过分析旋冲钻井时的旋转功和轴向功大小,建立了破岩能量钻速预测新模型。研究表明,当岩石为线弹性体时,表征钻头无量纲质量的参数α和冲锤无量纲长度的参数β均接近2时,轴向冲击系统可获得高于90%的能量效率;当岩石为粘弹性体(无量纲粘度参数n=2)时,α和β均趋近0.5时可获得高于80%的能量效率;与钻头质量等参量相比,冲锤长度对轴向冲击系统破岩效率的影响更为显著;旋冲钻井过程中的机械钻速可根据钻头工作参数即钻压、转速和扭矩,冲击器工作参数即冲击功和冲击频率,以及岩屑的粒度分布直接确定。