美国的钻井工程师受到射弹冲击破岩的启发,用高速球形粒子模拟射弹破碎井底坚硬的岩石,提出了粒子冲击钻井技术(Particle Impact Drilling,简称PID)。该技术利用钻井液携带球形硬质粒子通过特殊设计的钻头,粒子以较高的频率和大约150m/s的速度迅速冲击破碎岩石,并附以切削齿机械破岩,解决深井和超深井硬地层钻井速度慢、钻井周期长等难题,提高硬地层钻井破岩效率。目前,美国PDTI(Particle Drilling Technology Inc.)公司已经进行了理论研究与现场应用试验,证明在硬地层中钻井速度是常规钻井的2～4倍,破岩效果特别明显。根据现场应用情况,粒子冲击钻井破岩机理及钻头优化设计等还需要进一步研究和改进。本文采用数值模拟与室内试验相结合的方法,深入研究破岩理论与破岩规律,为新型PID钻头结构设计提供理论依据,从而改善钻头的总体性能。主要完成了以下几方面的工作:(1)通过有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA模拟了粒子冲击岩石过程,找出粒子冲击钻井的破岩规律;(2)进行室内破岩试验,获得最优的破岩参数(粒子注入量、冲击速度、入射角度等);(3)分析粒子冲击钻井破岩机理,模拟优化喷嘴结构,设计PID钻头结构。