随着油气开采不断向深层扩展,高效破岩技术需要进一步的革新才能更好的为深井、超深井油气资源的勘探开发任务提供有力支持。本文采用理论研究、数值模拟与室内实验相结合的手段,从细观岩石内部裂纹的角度针对高效破岩技术之一的简谐振动冲击钻井技术进行研究。基于基础力学理论建立了简谐振动冲击作用下单齿切削含单一裂隙岩石单元的起裂数学模型,并分别开展了静载作用下和动静载联合作用下单齿切削含预制裂隙岩石以及球型齿轴向侵入地层的离散元模拟。论文的主要研究内容与研究成果如下:1.采用PFC中平行粘结本构模型来模拟砂岩,通过对本构模型中细观参数的敏感性分析,确定出主要细观参数对砂岩宏观力学特性的影响程度,并通过试凑法结合室内单轴压缩实验确定了砂岩离散元模型的细观参数取值。2.基于弹性力学理论,建立了简谐动载作用下单齿切削过程中地层的应力分布模型,并以其作为作用于含单一裂隙岩石单元表面处的远场应力,推导了两种情况下裂隙尖端的应力强度因子KII、T应力和起裂角模型。3.通过对理论模型数值计算和离散元数值模拟得到:简谐动载条件下,作用于裂隙处的远场应力比例系数λ会随着α+φ的改变呈抛物线形态波动;当旋转极角φ确定时,裂隙尖端的应力强度因子KII、T应力在简谐力的作用下均随时间呈现周期性增大和减小;裂隙在不同倾角下,动静载联合作用都会更容易达到岩石的断裂韧度从而使裂缝开裂速度比静载条件下更快。4.通过开展球型齿侵入地层的离散元模拟,从细观角度对比分析静载单独作用下和动静载联合作用下得到:两种情况下岩石都主要以剪切破裂为主;在相同进尺条件下,动静载联合作用下岩石形成的裂纹数目相对于单一静载作用下更多,且地层的断裂区域会存在更多的微小裂纹和新裂纹,断裂区域的连通性更好;在相同加载时间下,动静载联合作用下球型齿侵入地层的位移响应更大,简谐动载频率为200Hz的钻进效率明显优于频率为100Hz的情况,简谐动载作用下地层内颗粒位移响应范围比单一静载作用下更广;在相同加载时间条件下,加载频率在100Hz-300Hz区间内,加载频率取280Hz时破岩效率最高;在相同进尺条件下,动静载联合侵入下,球型齿下方地层颗粒之间的接触力和应力在大小和分布范围上都优于静载单一作用条件下,证明动静载联合作用下岩石响应更强烈,更容易使岩石产生断裂破碎。