随着油气资源不断的被开发,深井和超深井的数量也越来越多,随着井深的增加,钻头的卡滑现象、慢的机械钻速等都是需要解决的问题,提高钻井效率问题也成为油气开发的一大研究热点。在钻头上方安装扭矩冲击器,通过钻井液驱动产生持续的高频、低幅的周向冲击力,并传递、提供给钻头一个额外的切削力,使钻头能更快钻进岩层,加快机械钻速,提高钻进效率。本文对扭矩冲击下PDC钻头的破岩技术进行了研究,从扭矩冲击对钻进提速的理论分析到PDC钻头破岩动力学仿真,理论仿真相结合,为应用扭力冲击后PDC钻头的破岩提速机理提供了理论基础。主要研究内容和成果如下:(1)介绍了扭矩冲击器的结构,并根据四个关键状态(顺时针起振、顺时针撞击、逆时针起振、逆时针撞击)介绍了其液动工作原理,最后根据能量守恒原理对扭矩冲击器实现冲击的必要条件进行了理论分析,提出流体从入口流向出口过程中,流体损失的能量要大于撞击锤运动的动能才能使其正常工作。(2)分析了周向扭矩冲击对粘滑振动的减缓效果。基于已有的底部钻具总成模型,得到了周向扭矩冲击下的PDC钻头周向、轴向运动微分方程,并进一步对PDC钻头进行了受力分析,计算了轴向、周向上岩石破碎条件,建立了周向扭矩冲击下粘滑振动的卡钻-滑脱边界条件,通过给定工况参数进行了数值计算,对比了不同情况下PDC钻头在有无扭矩冲击作用时粘滑振动阶段中停滞时间的减少量,结果表明应用扭矩冲击减缓粘滑振动有较好的效果。(3)为更合理的分析不同工况下应用扭矩冲击对钻井过程的影响,需要进行PDC钻头破岩过程的动力学仿真。由于仿真软件中对于岩石材料的表现不理想,而且材料模型对于材料的失效准则定义缺乏,无法得到想要的仿真效果,同时为了贴合仿真工况,基于岩石的D-P模型、岩石的塑性失效,进行了自定义岩石材料本构的UMAT文件编写,并对所编写UMAT文件进行了单单元三轴压缩试算,验证了UMAT文件的正确性。(4)基于底部钻具总成模型、岩石材料本构UMAT文件,在LS-DYNA软件平台上进行了PDC钻头破岩过程的动力学仿真,以(2)中的力学模型为有限元模型的基础,设置了合理的有限元模型边界条件、加载,进行了多组参数下的对比仿真,得到不同钻压、不同扭矩冲击下有无扭矩冲击作用下的破岩过程,验证了扭矩冲击能减缓粘滑振动、提高机械转速的效果。通过上述分析研究,对扭矩冲击器和应用扭矩冲击器的破岩技术有了更深的了解。本论文从理论分析出发,研究扭矩冲击对粘滑振动的影响,然后编写岩石本构UMAT文件并进行扭矩冲击下PDC钻头破岩过程的仿真,考虑的因素逐渐增多,问题的研究由浅入深,研究的方法也具有一定的创新性,理论与仿真相辅相成,所得出的扭矩冲击对PDC钻头破岩过程的影响等一系列结论对以后相关方向的研究具有一定的参考价值。