钻头高效破岩问题一直是钻头设计与油气钻井技术的重要基础,解决这个问题有两种殊途同归的方案：研究钻头结构、制造以及动力学问题；研究岩石的物性、破碎特点及破碎方法。前者在油气工业发展的近两百年得到了广泛的重视和显著地发展,而后者有许多问题至今仍难以解决。作为钻头破碎的对象,岩石是大自然孕育的材料,具有多尺度的原生裂隙、孔洞、微裂纹、随机概率分布的物性参数、各向异性的力学特性以及在动静载荷下截然不同响应。本文以油气藏中广泛分布的砂岩为例,依托国家自然基金项目“单次冲击加卸载后岩石的全程动态应力应变关系研究与应用”,从砂岩的微观特性、随机特性和动静态力学响应出发,建立符合油气工业的砂岩宏观损伤本构模型,分别采用ANSYS和LS-DYNA对动静态损伤本构模型进行了二次开发,结合实验研究,应用自定义损伤本构模型深入认识砂岩在牙齿动静载荷下的破碎机理。本文在岩石力学、岩石破碎学、冲击动力学及有限元方法与二次开发方面做了许多开创性的工作,具体内容如下：(1)对解决高效破碎岩石问题的两种研究思路进行了总结,提出研究高效破岩的反方向出发点——研究岩石特性以达到高效破岩目的。首次对影响破岩的岩石特性进行了分类,并论述了岩石特性研究与钻头设计之间的多重关系。重点对岩石的损伤、原生孔隙、不同载荷下的应变率效应以及不同应力状态下的破碎形式进行了分析和总结。(2)基于岩石“孔隙-颗粒-胶结物”的显微图,提出含孔隙度的岩石骨架微元体模型,采用岩石弹塑性力学推导得到基于孔隙度的损伤演化和岩石静态损伤本构模型,利用某井砂岩对该模型进行了实验验证。采用ANSYS接口对该本构模型进行二次开发,采用单齿压入试验验证自定义损伤本构程序。提出了一种基于自定义损伤本构的破碎比功模型,使用该比功模型评价牙齿的多次破岩效果。(3)考虑实际钻井中岩石受到的冲击速度范围与应变率,提出了钻具破碎岩石是中低应变率响应。通过并联Bingham体、Maxwell体和损伤体建立了砂岩在中低应变率下的动态损伤本构模型,并利用实验对模型进行了验证。采用LS-DYNA软件接口,对将该动态损伤进行了自定义损伤本构模型的二次开发。通过与砂岩岩样的单轴实验数据的对比分析,验证了本文自定义动态概率型损伤本构模型的正确性。(4)分析了牙轮钻头、PDC钻头及冲旋转头三种典型钻具中的动载荷破岩机理,基于牙齿冲击破岩的实验现象,考虑牙齿冲击的中低速度和岩石围压效应,修正了球形空腔膨胀理论模型。利用相似理论和MATLAB软件对模型中的压实区、开裂区和弹性区分区求解,并得到了相应的理论解和数值解。采用LS-DYNA软件和自定义概率损伤本构模型,对单齿中低速度冲击破岩进行了仿真分析,得到了牙齿与岩石的动力学变化规律,分析了在牙齿不同冲击速度下的岩石破碎坑、应力、孔隙度和损伤的变化。