近年来，油气勘探发加速向深层及超深层延伸，但深部难钻地层存在破岩效率低下、机械钻速缓慢、钻井成本高昂等问题，严重制约了深部油气的高效开发。因此，提高深部硬岩的破岩效率已成为实现深层钻探突破的核心课题之一。冲击钻井技术被公认为是当前提高深部钻进效率、降低作业成本的有效技术手段。但现有的冲击破岩研究大多基于轻载或中载冲击条件，重载冲击下岩石内部裂的激活机制、裂纹从萌生到贯通的演化规律，以及不同类型岩石在重载冲击下的破碎特性目前仍不清晰；岩石本身的物理力学属性与所需冲击能量之间的适配关系也尚未明确。西南石油大学祝效华团队自主研发多模态冲击实验系统，开展单齿-连续冲击耦合实验，揭示了砂岩、灰岩、花岗岩在重载冲击载荷下的能量耗散机制和体积破碎演化规律，旨在为深部硬岩重载钻进参数优化提供理论基础。相关研究认识刊登在《石油学报》第47卷第8期。

（1）单次冲击实验表明:砂岩和花岗岩在50～150J冲击功下均可产生裂纹（花岗岩以坑周微裂纹为主），灰岩则需大于75J才能出现轻微裂纹；冲击坑的最大/最小直径均随冲击功线性递增，增速排序为从大到小依次为灰岩、花岗岩和砂岩；破碎坑体积演化呈岩性分化，灰岩呈指数增长，砂岩与花岗岩呈线性增长，且砂岩增速显著滞后；破岩比功揭示敏感性由大到小的排序为灰岩、花岗岩和砂岩，其中，砂岩比功与冲击功正相关（大冲击功时能量利用率低），灰岩与花岗岩则呈负相关（大冲击功时比功更小）。

（2）速度-频率耦合实验证实，岩石裂纹发育与冲击次数、频率、时间强相关。砂岩在冲击速度为2.41m/s和冲击频率为9Hz时发生劈裂；灰岩在冲击速度为3.17m/s和冲击频率为21Hz时发生裂纹；花岗岩在冲击速度为3.62m/s和冲击频率为24Hz时发生裂纹。这表明，低能冲击难以高效破碎高强度岩石。随着冲击参数的提升，砂岩大颗粒岩屑（d＞2mm）占比先增后减，而灰岩与花岗岩占比持续增加（更易体积破碎）。两类岩石破碎坑体积均随着速度/频率指数增长，且在单齿冲击功40～100J存在普适性效率峰值。

（3）岩石冲击响应受强度-能量-频率三元控制。砂岩等软岩适配小冲击功，而高强度灰岩/花岗岩适配大冲击功，本质规律为岩石强度越高，实现高效破碎所需冲击功阈值与频率临界值越大，提出软岩适配低能冲击（防能量耗散）、硬岩需高能冲击（促体积破碎）的能量适配准则。

论文链接：http://www.syxb-cps.com.cn/CN/10.7623/syxb202608009