随着我国浅层油气资源的日益减少,深层油气资源开发在油气井勘探领域占的比重越来越大,深井超深井层油气资源的开采越来越受到国家的重视。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中明确点明要重点发展深井超深井油气资源勘探开采技术。粒子冲击破岩技术作为一种新概念的高效破岩方法,具有人工成本低、适用范围广的优点,不过仍有许多问题制约着粒子冲击钻井技术的发展,需要我们深入的进行研究与探讨。结合国内外研究现状发现,对于PID粒子冲击钻头新型井底旋转流场相关的理论研究甚少、利用高频冲击激励引发岩石局部区域共振来提高粒子射流冲击破岩效率的方法也缺乏专门的文献报道、冲击过程中相关参数的最优取值范围也尚未有明确定义。因此开展粒子射流井底流场及岩石振动特性分析和冲击过程中参数的优选研究,探讨提高粒子冲击破岩效率的可行性方法,必将推动粒子射流冲击破岩理论的发展,为大型粒子冲击钻井装备的研制与应用奠定坚实的理论基础。本文主要的研究内容与研究成果包括以下几个方面:基于流体力学相关理论,通过fluent流体分析平台,建立了实验用PID粒子冲击钻头旋转流场的仿真物理模型,揭示了粒子冲击旋转射流的运动特性,探究了粒子射流的运动轨迹、冲击速度、井底压力分布等流场分布特性规律,并分析了钻头转速大小对旋转流场产生的影响。基于冲击振动相关理论,在开尔文组合模型的基础上建立了岩石微振动系统的力学简化模型,通过进一步分析计算得到了岩石微振动系统的幅频特性曲线。结合ANS YS workbench有限元仿真分析平台中的模态分析与谐响应分析模块的仿真模拟结果得出相关结论,当冲击频率接近于共振频率时,岩石的共振效应最强,振动位移响应幅值最大,岩石最容易破碎。阻尼会对岩石介质的振动响应产生一定的影响,随着阻尼系数的增加,岩石介质的振动响应程度会逐渐减弱。简谐力幅值大小只影响岩石介质强迫振动的振幅大小,共振频率是材料自身的特有属性,与外力大小无关。基于损伤力学相关理论,岩石的本构方程使用J-H-C模型来进行描述,利用ANS YS workbench有限元分析平台中的显式动力学分析模块对粒子冲击破岩过程进行了冲击动力学模拟,探讨了粒子射流入射速度、粒子直径、射入角度等相关参数与破岩深度之间的关系。并通过实验室自主研制的粒子冲击破岩室内综合模拟装置进行了相关的粒子冲击室内模拟实验,进一步验证了显式动力学仿真模拟结果的正确性。研究成果可以为粒子冲击破岩钻井工程提供合理的参数优选建议,为高效钻井工艺的工程应用和粒子冲击钻井装备的研制提供可靠的理论支持。