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钻进效率低是影响油气藏勘探开发成本的主要因素之一,如何提高钻进效率、降低钻进成本是油气钻采过程中长期面临的一个难点问题。现阶段,机械破岩仍是油气钻井的主要作业方式,岩石在钻齿侵入和切削作用下的破碎机理直接决定着钻探效率和钻井成本。本文针对钻井过程中岩石塑-脆性破碎机理这一科学问题,以提高钻进效率为最终目的,通过理论分析、计算机数值模拟与室内实验相结合的研究方法系统揭示了岩石在钻齿作用下的裂纹萌生和扩展、损伤演化、岩屑形成、塑-脆性破碎转变、机械比功、塑性耗能比、岩石破碎效率以及井底岩石应力分布等问题。论文的主要研究内容包括以下几个方面:（1）国内外文献综述。对国内外关于钻齿与岩石互作用的相关文献进行较为全面和详细的回顾,分析和总结文献中的研究成果与不足,为后面章节研究问题的提出提供重要的铺垫和指导。（2）钻齿侵入破岩实验研究。基于空腔膨胀模型（Cavity Expansion Model）分析钻齿在侵入过程中岩石密实核、塑性区、弹性区的形成情况以及裂纹的萌生和扩展条件;并通过室内实验使用微机控制电液伺服万能实验机、声发射分析仪和材料应变三维测量系统研究三种不同类型岩石（软、中、硬）在钻齿侵入作用下的变形和位移、侵入力和侵入深度的关系、裂纹扩展、损伤演化、塑-脆性破碎转变以及破碎过程中的能量耗散情况和岩石破碎效率等问题,系统揭示岩石在钻齿侵入过程中的破碎机理;采用作图法计算岩石侵入破岩过程中塑-脆性耗能大小,提出塑性耗能比概念,并提出利用塑性耗能比大小评价岩石破碎效率的新方法,评价不同条件下岩石的破碎效率。（3）钻齿切削破岩理论和实验研究。基于岩石力学、岩石破碎学、能量耗散理论等提出以机械比功作为参量确定塑-脆性破碎转变临界切削深度的方法,并建立切削破岩塑-脆性转变临界深度和塑性耗能比的计算模型;设计并加工岩石切削实验装置,分析岩石在钻齿切削作用下的裂纹扩展、岩屑形成、切削力、机械比功以及岩石塑-脆性破碎转变等问题,通过实验验证所建计算模型的正确性以及确定计算模型中的相关参数（因变量、自变量系数等）,结合实验数据和计算模型对塑性耗能比进行计算和分析,评价不同条件下岩石的破碎效率。（4）钻齿侵入/切削破岩数值模拟研究。在单轴压缩和抗拉室内实验的基础上利用离散单元方法建立单轴压缩和巴西实验仿真模型,进行试错实验,反复标定离散单元颗粒细观参数;基于已获得的离散单元细观参数建立钻齿与岩石的互作用模型,分析在不同条件下（侧向压力、液柱压力、岩石层理、齿间距、切削深度、切削速度、前倾角、岩石脆性等）岩石的裂纹萌生和扩展、损伤演化、岩屑形成、塑-脆性破碎以及机械比功等问题,系统揭示岩石破碎的细观过程。（5）井底岩石破碎的其它影响因素分析。建立综合考虑上覆岩层压力、水平地应力、液柱压力以及孔隙压力和地层温差完全耦合作用下井底岩石的三维物理模型,借助有限元软件进行求解,研究井底岩石在不同液柱压力、不同井深、不同温差以及不同渗透系数条件下井底岩石应力分布的数值解,分析各参数对井底岩石破碎的影响。本文研究工作系统阐述了岩石在钻齿作用下的细观破碎机理,研究结果有助于人们更深刻认识石油钻井中的岩石破碎问题;研究还形成了岩石塑-脆性转变临界侵入/切削深度和塑性耗能比的计算方法以及岩石破碎效率的评价方法,为钻头优化设计或定制设计、钻井参数优选以及形成低成本的钻井提速技术提供了理论依据。