中国是油气资源生产与消费大国。在油气资源的勘探与开采的过程中钻井技术的应用非常广泛。岩石中钻孔会破坏岩石原本应力状态,产生应力重分布,很可能会导致钻孔侧壁围岩发生破坏,造成钻孔崩落甚至钻孔失稳。因此了解钻孔崩落的机理对于优化钻井设计、保障施工安全是非常必要的。过去关于钻孔崩落的机理研究已经很多,但由于钻孔崩落的起始、演化以及最终破坏形成的机制非常复杂,因此对于钻孔崩落的机理还没有形成统一的共识。并且在以往的研究中大多假设岩石为均质材料而忽略了岩石本身的非均质性,而实际上,岩石的非均质性对于岩石力学性能以及钻孔崩落过程有重大影响。因此为了阐明非均质岩石中钻孔崩落机理,本文结合室内试验以及离散元与有限元数值模拟进行研究,具体工作总结如下:(1)采用湖南某矿山红砂岩为研究对象,根据国际岩石力学学会建议制取用于压缩试验的圆柱体以及巴西破裂试验的圆盘标准试样。根据试验结果,得到红砂岩基本物理力学性质。在圆柱体试样中钻取不同直径的钻孔,得到空心圆柱试样,进行静水压力下钻孔崩落试验。利用CT扫描技术得到试验后的试样的轴向与横截面扫描图,观察钻孔崩落的过程以及最终产生的V形破坏区。(2)根据通用离散元UDEC内置Voronoi程序可以将岩石表征为接触互相粘结的多边形颗粒的聚合体,生成UDEC-GBM模型。对模型接触参数进行敏感度分析,总结校准程序,获得一组能表现砂岩真实力学性质的细观参数,对比室内试验结果取得较好的一致性。(3)考虑岩石的非均质性,假设接触力学性质符合Weibull分布。分别研究接触刚度、接触内聚力、接触内摩擦角在不同的均质度系数下对裂缝产生及相应宏观响应的影响。假定接触细观参数均是满足同一均质度系数的独立分布,建立非均质UDEC模型。对参数再次校准后建立二维的砂岩钻孔数值试样,讨论了非均质岩石中远场应力、均质度系数以及钻孔直径对钻孔崩落的影响。(4)依据RFPA软件可以描述岩石非均质性以及能够模拟裂缝自主产生的特点,使用RFPA软件建立二维砂岩钻孔数值试样,系统的分析钻孔直径、远场应力、均质度系数对钻孔崩落的影响。结果表明,钻孔直径的减小显著地改变了拉伸裂缝与剪切裂缝的比值,提高了临界静水压力。远场应力各向异性很大程度上决定了钻孔崩落模式。岩石的非均质性影响加载过程中初始裂缝出现的位置,导致局部应力集中,从而影响钻孔崩落的发展过程以及破坏区几何形状。UDEC与RFPA模型均捕捉到了钻孔崩落的部分重要特征,两者的结果可以互相补充。