针对坚硬地层破岩效率低、钻具粘滑振动造成钻头寿命降低等问题，通过ANSYS有限元分析软件对全尺寸钻头复合冲击破岩机理进行研究。分析了冲击频率、钻压和转速对钻头破岩效率的影响，通过分析发现钻头破岩过程中，岩石内部既存在拉应力，也存在压应力，岩石破坏表现形式为“拉伸+压剪”的综合作用破坏。研究得出在扭转冲击频率为25 Hz条件下，此时轴向冲击的最佳频率为13 Hz，在这2种冲击频率的配合下机械钻速最快；钻压对机械钻速影响较大，两者呈线性正相关关系，并回归出有无冲击载荷条件下钻头机械钻速与钻压的变化关系式；转速对机械钻速的影响较小，两者呈微增趋势，分析认为是坚硬岩层使PDC钻头变切削为研磨状态导致机械钻速变化不大；复合冲击在地层钻进中能明显提高机械钻速。全尺寸PDC钻头复合冲击破岩机理研究对于钻进效率的提高和复合冲击技术的发展具有重要意义。

1 复合冲击破岩技术

2 复合冲击破岩模型

  2.1 钻头钻进岩石数值分析模型

  2.2 岩石模型参数及接触方式

3 数值模拟结果分析

  3.1 冲击频率的影响

  3.2 钻进参数对岩石应力的影响

  3.3 钻进参数对机械钻速的影响

4 结论