油氣井鉆柱粘滑振動研究進展

馮程寶，賈曉麗，劉書海，鐘曉玲

(中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249)

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油氣井鉆柱粘滑振動研究進展

馮程寶，賈曉麗，劉書海，鐘曉玲

(中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249)

粘滑振動是造成深井鉆井井身質量下降、鉆具壽命減短、鉆進效率降低的主要原因之一，嚴重影響到鉆井成本和完井周期。復雜的鉆井環境也使得鉆柱粘滑振動的研究進展緩慢，突破性成果較少。從理論分析、現場及室內試驗研究和模擬仿真3個方面對鉆柱粘滑振動的國內外研究現狀進行闡述。介紹了當前關于鉆柱粘滑振動的主要研究方向、方法以及研究過程中存在的問題，為后續開展鉆柱粘滑振動的深入研究提供借鑒和指導。

鉆柱；粘滑振動；理論分析；試驗研究；仿真模擬

鉆柱系統由方鉆桿、鉆桿、鉆鋌、井下動力工具以及其他一些輔助動力工具組成，是形成井眼最重要的一部分，同時也是最薄弱的環節。鉆柱振動輕則導致鉆井成本增加，完井周期增長；重則導致鉆柱斷裂，鉆頭失效，甚至會引起嚴重的井下事故。鉆柱系統的振動成為了半個多世紀以來諸多專家學者的研究重點。

隨著石油工業技術的發展以及社會對油氣資源需求的加大，石油鉆采逐漸向深部地層和深海海域發展。在深井的鉆進過程中，隨著井深的增加，井底圍壓使巖層硬度增大，塑性增強；同時深井鉆井需要穿過多套地層，跨越的地質年代較多，相應地質條件錯綜復雜[1]。隨著鉆柱長度的增加，鉆柱的等效扭轉剛度降低，傳遞轉矩不足，在鉆柱、鉆頭與井壁、井底的摩擦作用下，鉆柱系統極易產生粘滑振動。當鉆柱發生粘滯時，鉆頭停止轉動；此時，鉆柱在轉盤的旋轉下繼續扭轉，當鉆柱內積蓄的能量足以克服鉆頭與地層之間摩擦轉矩時，鉆頭會以兩倍或數倍于轉盤轉速加速旋轉，底部鉆具振蕩加劇，鉆頭轉動轉矩也劇烈波動。深井鉆井過程中，井下巖性多變，非均質性嚴重，鉆頭在井底受到較大的阻力矩，間斷性憋跳鉆和鉆桿的縱向振動頻繁，這些因素都是造成鉆頭掉齒、斷齒、軸承失效、井下工具損壞的主要原因，嚴重制約了鉆井速度和完井周期[2]。

國外對鉆柱粘滑振動的研究始于20世紀80年代，該現象最初是在測量轉盤轉矩時發現的。經過數十年的研究，其總體研究進展緩慢，相對于鉆柱其它形式振動研究，創新性成果及實際指導性建議較少。國內早期對于鉆柱粘滑振動的研究近乎空白，直到21世紀初期，黃根爐、牟海維、呂苗榮、祝效華等相繼開展了鉆柱粘滑振動方面的研究，已取得階段性研究成果。迄今為止，鉆柱粘滑振動研究方法主要包括鉆柱粘滑振動理論分析、現場及室內試驗以及仿真模擬，本文將從以上3個方面綜述鉆柱粘滑振動的研究進展。

1 鉆柱粘滑振動理論分析

鉆柱系統粘滑振動理論分析的關鍵是建立合理的力學模型。20世紀80年代，由鉆柱扭轉振動引起的一系列鉆井問題吸引了許多專家學者對鉆柱粘滑現象的注意，該現象最初是在測量轉盤轉矩時發現的。隨后，研究人員通過建立多種鉆柱粘滑振動的力學模型，采用能量法、解析法以及有限元等方法對粘滑振動模型進行分析，并結合現場與室內試驗數據對其理論分析結果加以驗證。

1.1 單自由度集中質量扭轉擺模型

1982年，Belokobyl'skii和Prokopov[3]發現破巖過程中鉆頭與巖石間摩擦引起的自激扭轉振動在旋轉鉆井過程中扮演著十分重要的角色。文中將鉆柱看作上端以恒定角速度勻速旋轉的細長桿，桿的下端連接一個剛性圓柱體并受到一個摩擦轉矩，建立了后來廣泛使用的單自由度集中質量扭轉擺模型。文中作者將鉆頭與巖石間摩擦視為庫侖摩擦，給出了鉆柱粘滑振動的振動方程并計算了粘滑振動周期，這是有關于鉆柱粘滑振動的最初研究，但是該模型沒有考慮鉆井液粘滯阻尼的影響。

(1)

(2)

(3)

ε=M1/M0>1

(4)

隨后，Dawson等[4]采用與Belokobyl'skii相似的扭轉擺模型對鉆柱粘滑振動進行研究，但是Dawson將鉆柱與井壁之間的摩擦轉矩看成是隨鉆柱轉速變化的一個函數。因而得到一個重要結論：當轉盤轉速達到一個特定的臨界值時，鉆柱粘滑振動現象將會消失，此結論也與實際情況相吻合。

Kyllingstad和Halsey[5]在Dawson的研究基礎上，考慮到鉆桿與鉆鋌結構的不同，給出了鉆柱系統的等效轉動慣量，視底部鉆具組合為一個具有集中質量的飛輪，給出了鉆頭的運動方程：

(5)

J=ρI1L1/3+ρI2L2

(6)

S=GI1/L1

(7)

式中：J為鉆柱的轉動慣量；θ為鉆頭角位移；S為鉆柱的扭轉剛度；Ω為轉盤轉速；τ為底部鉆具組合受到的摩擦轉矩；ρ為鉆柱密度；G為鉆柱剪切模量；I1、I2為鉆桿、鉆鋌截面極慣性矩；L1、L2為鉆桿鉆鋌長度。

通過對該模型的研究分析，得出如下結論：

1) 鉆柱粘滑振動頻率比系統的固有頻率小，并且隨著轉盤轉速的降低粘滑振動頻率進一步減小。

2) 鉆頭滑脫時，鉆頭轉速大于轉盤轉速的2倍，通過控制轉盤轉速可以減緩甚至消除由井下摩擦引起的粘滑振動，這也與Dawson的結論一致。文中作者指出該模型忽略了扭矩波的傳播以及轉盤阻抗對鉆柱系統粘滑振動的影響。

Lin和Wang[6]通過建立單自由度扭轉擺模型，研究了轉盤轉速、鉆柱系統固有頻率以及鉆井液粘性阻尼對底部鉆具組合粘滑振動的影響。與Kyllingstad和Halsey模型的最大不同之處在于Lin等考慮了鉆井液粘性阻尼對鉆柱粘滑振動的影響。Lin和Wang認為鉆柱的粘滑振動是鉆柱與井壁之間非線性摩擦引起的一種自激振動，通過理論分析并結合現場數據，給出了粘滑振動的相關特性：

1) 當鉆柱長度小于粘滑振動發生的臨界長度或者鉆柱扭轉振動的固有頻率大于粘滑振動發生的臨界頻率，鉆柱則不會發生粘滑振動。

2) 鉆柱發生粘滑振動的臨界長度是關于轉盤轉速、摩擦扭矩及鉆井液粘性阻尼的一個函數，當鉆柱發生粘滑振動時，隨著鉆柱長度的增加，粘滑振動將更加劇烈。

3) 鉆柱粘滑振動的振幅隨著轉盤轉速的增加不斷增大，但是當轉盤轉速大于粘滑振動臨界轉速時，粘滑振動現象將會消失。由于受限于鉆柱的結構以及材料屬性，粘滑振動的臨界轉速將會很大，因此通過提高轉速來消除粘滑振動很難做到。通過增大鉆柱與井壁之間的粘性阻尼可以有效地減小粘滑振動，但是在提高粘性阻尼的同時，要想保證鉆柱的轉速不變，轉盤處需要提供更大的轉矩。

Rudat[7]等建立單自由度扭轉擺模型，通過給定一組鉆井參數預測鉆柱的粘滑振動行為，并通過優化鉆井參數(轉盤轉速和鉆壓)來減緩粘滑振動。Omojuwa[8]利用Rudat等建立的模型研究鉆柱在粘性阻尼環境中扭轉振動響應，其研究表明：

1) 鉆柱粘滑現象是由鉆柱與井壁間摩擦引起的。

3) 減小鉆壓雖然可以有效抑制粘滑振動，但是同時也會降低鉆進速度。

4) 粘性阻尼系數較大的鉆井液可以減小鉆柱扭轉振動。

2001年，黃根爐和韓志勇[9-10]通過建立單自由度扭轉擺模型對大位移井鉆柱粘滑振動機理進行分析，該模型認為鉆頭扭矩和鉆柱與井壁間摩擦扭矩是鉆柱實際角速度的連續函數。鉆柱系統粘滑振動模型及鉆頭轉矩和鉆柱與井壁間摩擦轉矩分別如圖1和圖2所示。

圖1 鉆柱系統粘滑振動模型

圖2 扭矩隨鉆頭轉速變化示意

通過對鉆柱勻速轉動平衡態穩定分析和鉆柱扭轉振動能量分析，發現鉆柱粘滑振動產生根源是鉆柱系統的等效粘性阻尼為負或是鉆柱系統從外界吸收了振動能量，同時給出了鉆柱是否產生粘滑現象的判別式：

k0cosU0e<1

(8)

(9)

(10)

式中：ΔM為靜轉矩和動轉矩之差；C為鉆井液粘性阻尼系數；K為鉆柱等效扭轉剛度；K0為鉆柱頂端恒定轉動角速度；J為鉆柱等效轉動慣量；k0為鉆柱扭轉振動固有頻率；e為鉆柱扭振衰減系數。

通過對鉆柱粘滑振動的影響參數分析，文中給出了粘滑振動的減振途徑和措施：

1.3.1 單一指標測定 從種子出芽開始，每天觀測記錄發芽情況，由于辣椒品種不同，發芽具有不整齊特點。因而，確定發芽觀察期為10 d，以胚根長超過種子長度的1/2作為發芽標準。

1) 增大頂部轉速。

2) 在保證作業正常進行的前提下，優化鉆柱結構，提高鉆柱等效扭轉剛度。

3) 降低鉆壓。

4) 增大粘性阻尼系數。但是考慮到實際鉆井作業中，鉆壓、轉速以及鉆井液性能調整的局限性，文中對頂部轉矩負反饋減振方法進行了重點分析，通過仿真模擬驗證，指出此法具有良好的減振效果。

1.2 二自由度集中質量扭轉擺模型

Brett[11]對Kyllingstad單自由度扭擺模型進行改進，建立二自由度集中質量扭擺模型，研究了鉆頭的結構與特性對鉆柱粘滑振動的影響。通過理論與試驗分析，對鉆柱扭轉振動的如下現象進行了解釋：

1) 為什么在摩擦轉矩較小的淺直井中鉆柱也會發生扭轉振動。

2)PDC鉆頭比三牙輪鉆頭更容易發生粘滑振動。

3) 鉆壓越大、鉆頭越鈍、轉速越小時鉆頭的粘滑振動越劇烈。

Jansen[12-14]在Brett建立的模型基礎上，考慮了驅動系統(電動機的轉動慣量以及驅動系統各組件的阻尼)對鉆柱振動的影響，建立鉆柱系統的數學模型，并分別給出了鉆柱系統粘滯階段和滑脫階段的運動方程。文中作者對鉆柱系統粘滑振動的動力學特性進行了分析，提出使用主動阻尼控制系統消除鉆柱粘滑振動的思想，即通過在鉆柱頂端通過施加阻尼以阻止轉盤處扭矩波的傳遞，從而消除鉆柱粘滑振動。

Navarro-Lòpez等[15，16]通過建立二自由度扭轉擺模型對鉆柱粘滑振動進行研究，與之前研究的最大不同之處在于該模型考慮了鉆壓(WOB)對鉆柱粘滑振動的影響，使用不同的摩擦模型對鉆頭與巖石的相互作用加以描述，給出了鉆柱系統的運動方程，并結合試驗分析了鉆柱長度、粘性阻尼系數、巖石特性以及鉆頭類型對鉆柱粘滑振動的影響。圖3所示為二自由度鉆柱系統扭轉振動模型。

圖3 二自由度鉆柱系統扭轉振動模型

鉆柱系統的運動方程如下所示：

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

Patil和Teodoriu[17]在不考慮鉆頭橫向振動的前提下，對垂直井眼中鉆柱的粘滑振動現象進行研究，通過假設鉆井泥漿阻尼系數與電機驅動轉矩恒定，建立了與Jansen相似的二自由度扭轉擺模型。其系統運動方程與Navarro-Lòpez建立的方程類似，但是在分析鉆頭受到的摩擦轉矩時，Patil考慮了鉆頭直徑對摩擦扭矩的影響。文中作者通過建立MATLAB/SIMULINK仿真模型詳細分析了轉盤轉速、鉆壓、鉆柱剛度和慣性以及巖石強度等參數對鉆柱粘滑振動時機械鉆速的影響，其得到的仿真結果與現場數據吻合。

Richard等[18]建立的二自由度集中質量模型從一個全新的角度對鉆柱系統自激粘滑振動進行研究，與前述模型的最大不同之處在于該模型根據鉆頭與巖層的切削和摩擦作用耦合分析了鉆柱的軸向振動和扭轉振動。Germay等[19，20]對Richard的模型加以修正，考慮了破巖過程中鉆頭的準螺旋效應，建立的動力學方程考慮了鉆頭破巖的狀態依賴時滯效應并引入了不連續摩擦項。其仿真模擬結果表明鉆柱系統存在軸向和扭轉粘滑振動、準靜態極限環以及鉆頭跳動等現象，同時指出鉆柱的自激粘滑振動與刮刀鉆頭的刀翼數量、轉盤轉速等參數有關。Germay等建立的模型如圖4和圖5所示。

圖4 鉆柱系統簡化模型[20]

圖5 鉆頭相鄰刀翼輪廓圖[20]

Kovalyshen[21]在Richard和Germay的研究基礎上，采用線性穩定性分析法對鉆柱自激粘滑振動根源進行了深入研究。結果表明，鉆頭的切削過程以及鉆頭刀翼切削平面與巖石的相互作用是導致鉆柱發生扭轉振動的主要原因；同時，作者認為鉆柱的自激粘滑振動現象是鉆頭在破巖過程中轉速的弱化效應造成的，并設計一系列試驗對其理論成果進行了驗證。

上海交通大學LiuXianbo等[22]通過建立二自由度扭轉擺模型研究1 000m鉆柱系統的軸向及扭轉耦合振動。文中作者假設井眼軸線垂直且不考慮鉆柱的橫向運動，同時假設鉆柱頂端的軸向運動速度及轉動速度恒定。圖6為鉆柱系統軸向-扭轉動力學模型。作者采用半離散化方法對鉆柱系統的線性化模型穩定性進行參數分析，分析參數有鉆頭角速度、切削系數以及名義切削深度。此外，作者采用最優反饋增益控制方法提高鉆柱系統穩定性，并使用該方法對非線性鉆柱系統的粘滑振動進行控制，取得良好的控制效果。

圖6 鉆柱系統軸向-扭轉動力學模型

并給出了鉆柱系統的軸向振動和扭轉振動方程：

(16)

(17)

1.3 多自由度集中質量扭轉擺模型

Navarro-Lòpez等[23]對之前建立的二自由度集中質量扭轉擺模型進行改進，單獨考慮每根鉆桿及底部鉆具組合，將鉆柱系統視為分段光滑的連續系統，建立了多自由度扭轉擺模型。并分析研究了鉆壓、電機輸出扭矩、轉盤轉速等鉆井參數對鉆柱粘滑振動的影響，并基于該分析結果，提出了鉆柱粘滑振動的控制方法。隨后，Navarro-Lòpez對多自由度模型進行簡化，考慮鉆桿與鉆鋌的運動行為，先后建立了轉盤-鉆柱-底部鉆具組合-鉆頭四自由度[24]和轉盤-鉆柱-底部鉆具組合+鉆頭三自由度[25]鉆柱系統分段光滑模型，如圖7～8所示。其研究結果表明，鉆柱粘滑振動現象與鉆壓、轉盤轉速和電機輸出轉矩密切相關，隨后作者采用動態滑模控制方法對消除垂直井鉆柱系統粘滑振動進行了深入研究分析。

圖7 四自由度鉆柱系統模型

圖8 三自由度鉆柱系統模型

2 鉆柱粘滑振動試驗研究

鉆柱粘滑振動試驗研究包括現場試驗和室內試驗兩部分。現場試驗即在鉆井現場通過隨鉆測量儀器以及其他測量工具對鉆柱運動行為進行監測，當鉆柱發生粘滑振動時，通過調節鉆井參數減小或消除鉆柱粘滑振動現象。室內試驗通過對鉆井系統進行等效、簡化，搭建合理的試驗裝置，模擬鉆柱的運動行為，進而對鉆柱粘滑振動的產生機理和影響因素進行探究。

1986年，Halsey等[26]采用隨鉆測量儀對1 000m垂直井中鉆頭處參數變化進行測量，進而對鉆柱系統的扭轉和縱向耦合振動進行研究，并使用現場試驗數據對其理論研究成果進行驗證。

Dufeyte等[27]在對鉆柱運動行為長達3 500h的監測過程中發現，鉆柱在鉆進過程中有50%以上時間伴隨粘滑現象。文中詳細分析了轉盤轉速、鉆壓、鉆井液性能、鉆頭類型、鉆桿類型以及井眼自身(巖石特性、井眼軌跡和套管)對鉆柱粘滑振動的影響。測量數據顯示，鉆頭處于滑脫階段時的最大轉速可達轉盤轉速的10倍，這一現象也與理論分析結果吻合。

Pavone等[28]應用井下高頻采樣測量技術對鉆柱粘滑振動進行研究。隨鉆測量數據顯示，在井深1 060m處，在不同的鉆壓和轉盤轉速下鉆柱均發生粘滑現象。文中通過對鉆柱系統數學建模，提出PID控制和井下“反粘滑”工具抑制鉆柱粘滑振動兩種方法，并通過模擬仿真進行驗證，控制效果良好。

Mihajovic等[29-30]認為井下摩擦誘發的負阻尼是導致鉆柱系統振動的主要原因。通過開展室內試驗研究鉆柱系統發生扭轉振動的原因，試驗考慮了鉆柱扭轉和橫向振動的耦合以及干摩擦和不平衡質量塊對鉆柱扭轉振動的影響。試驗裝置包括功率放大器、直流電機、上下轉盤、鋼軸和制動盤，如圖9～10所示。該裝置中鋼軸的扭轉剛度較低，使得下轉盤在制動盤施加的不連續摩擦轉矩作用下可以產生粘滑振動。

圖9 鉆柱系統簡化模型[30]

圖10 鉆柱系統試驗裝置[30]

Khulief等[31]通過室內試驗研究鉆頭粘滑、鉆柱與井壁接觸以及鉆井液對鉆柱運動的影響。該試驗裝置包括鋼架、直流電機、長徑比不同的不銹鋼軸以及容納鉆井液的有機玻璃管。使用磁粉張力制動器模擬鉆柱在受到軸向激勵時產生的粘滑振動，試驗裝置如圖11～12所示。試驗研究了轉盤轉速、鉆柱長徑比以及鉆井液粘性阻尼對鉆柱運動的影響，同時該試驗還對鉆柱不同形式振動之間的耦合關系進行了分析。

圖11 鉆柱粘滑振動試驗裝置[31]

圖12 試驗裝置結構簡圖[31]

Forster等[32-33]開展了通過向鉆頭施加軸向激勵減緩鉆柱粘滑振動的室內試驗研究，其試驗裝置的最主要特點就是在鉆頭處安裝了軸向激勵裝置，當鉆柱粘滯時，軸向激勵裝置通過施加外載荷讓鉆頭繼續轉動，試驗裝置如圖13～14所示。試驗結果表明，通過施加軸向激勵可以有效地減緩鉆柱的粘滑振動，當施加的軸向激勵頻率越高，鉆頭擺脫粘滯狀態越容易。

圖13 軸向激勵裝置裝配示意[33]

圖14 帶有軸向激勵裝置的底部鉆具組合[33]

美國Maryland大學Liao等[34]通過建立力學模型并結合室內試驗分析研究了鉆頭與巖石的摩擦因數、轉速等參數對鉆柱粘滑振動的影響。2014年，Kovalyshen[35]通過室內試驗對其早期關于鉆柱粘滑振動的理論研究成果進行驗證，其試驗結果與理論研究成果相吻合，即鉆柱粘滑振動是由于鉆頭轉速的弱化效應以及鉆柱軸向的自激振動造成的。

中國石油大學(北京)的賈曉麗等[36]通過搭建深井鉆柱粘滑振動試驗臺研究轉盤轉速、鉆壓以及巖石特性參數對深井鉆柱粘滑振動的影響，試驗裝置如圖15～17所示。

圖15 深井鉆柱粘滑振動試驗臺

圖16 系統控制輸入及上轉盤連接

圖17 下轉盤與井筒裝配

3 鉆柱粘滑振動仿真分析

經過近30a的發展，對于鉆柱粘滑振動的研究日趨深入，但是研究方向多集中在鉆柱粘滑振動的理論分析和試驗研究上，局限于鉆井過程中鉆柱復雜的工作條件，鉆柱粘滑振動仿真分析成果較少。

Patil和Teodoriu[17]將鉆柱系統分成地面輸入、鉆桿與底部鉆具組合、鉆頭與巖層相互作用3個子系統，并使用MATLAB/SIMULINK建立鉆柱系統扭轉振動模型。文中作者對鉆柱粘滑振動的影響參數進行了分析，其研究結果表明，增大轉盤轉速或減小鉆壓、提高鉆柱剛度和慣性質量均可以有效地抑制鉆柱粘滑振動，其中增大轉盤轉速或鉆柱剛度可以提高鉆進效率，但是減小鉆壓或提高鉆柱慣性質量則會使鉆進效率降低。同時文中指出，鉆柱粘滑振動現象的發生與鉆頭與巖層間摩擦因數及鉆井液的阻尼系數密切相關，而這些影響因素將會直接影響到鉆頭的鉆進效率，這也與理論分析和現場試驗結論相吻合。

Kapitaniak等[37]應用ABAQUS軟件建立鉆柱系統有限元模型，對鉆柱的彎曲變形和粘滑振動加以分析，并與試驗結果進行了比較。文中作者指出使用ABAQUS可以對變化參數下鉆柱動力學響應進行準確地預測分析，從而可以有效地減緩鉆柱粘滑振動，圖18所示的是ABUQUS中鉆柱有限元模型。

圖18 ABAQUS中鉆柱有限元模型[37]

西南石油大學的祝效華等[38-39]對深部硬地層鉆柱粘滑振動機理進行分析。從巖石力學角度對鉆柱粘滑振動成因加以解釋，當鉆頭作用于巖石上的力不足以破碎巖石時，鉆頭受巖石限制而停止轉動，由于井口持續向鉆柱提供轉矩，當鉆柱積蓄的能量足以使鉆頭破碎巖石時，鉆柱積蓄的能量瞬間釋放，使鉆頭繞軸向做不規則運動。鉆柱的粘滑振動的大振幅以及鉆柱的偏心轉動同樣會使鉆柱的橫向振動變得復雜并容易引起其他形式的振動形成耦合振動。作者提出了通過高頻扭轉抑制粘滑振動的設想，通過有限元方法建立全尺寸PDC鉆頭動態破巖的非線性動力學三維仿真模型，對高頻扭轉沖擊作用下硬地層鉆頭的動態破巖過程進行研究，如圖19～21所示。研究結果表明，采用高頻扭轉沖擊鉆進可以有效地減弱甚至消除鉆頭處的粘滑振動，大幅提高了鉆頭的鉆進效率，并對高頻扭轉沖擊工具進行了可行性試驗分析。

圖19 鉆頭破巖有限元模型[38]

圖20 扭轉沖擊鉆進[38]

圖21 常規鉆進[38]

4 結論

鉆井作業中一半以上的時間會伴隨有粘滑現象，鉆柱粘滑振動是造成井下鉆具和鉆頭過早失效的重要原因。同時，鉆柱粘滑振動會使井身質量下降，機械鉆速降低，進而使得完井周期增長，鉆井成本增大。目前，國內外專家學者對于鉆柱粘滑振動的研究主要在3個方面。①通過對鉆柱系統進行簡化，建立鉆柱粘滑振動力學模型，分析鉆井參數、鉆頭類型以及巖石特性等因素對粘滑振動的影響，進一步探究粘滑振動的成因和規律；②通過現場或室內試驗分析研究鉆柱粘滑振動現象的特點，對粘滑振動影響參數的敏感性進行分析，進而提出抑制鉆柱粘滑振動的方法；③建立鉆柱系統振動或鉆頭破巖有限元模型，采用軟件仿真模擬的方法研究鉆柱粘滑振動的特性及規律，進而對理論分析和試驗結果進行驗證。但是由于井下條件異常復雜，目前關于鉆柱粘滑振動的研究還存在以下問題：

1) 單自由度和二自由度鉆柱系統模型求解較為簡單，但與實際鉆井作業存在較大區別。相對而言多自由度扭轉擺模型和連續系統模型更能體現實際工況，但振動方程求解困難，當前粘滑振動理論分析模型一般為低自由度扭轉擺模型，不能對鉆柱粘滑振動現象進行定量分析。

2) 實際生產中為了提高采油效率和產量，目前勘探開采的井眼多為大位移井、水平井、多分支井等復雜結構井。但在室內試驗時，為了方便建模與搭建實驗臺，粘滑振動的研究對象基本上都是垂直井。

3) 局限于試驗條件，目前鉆柱粘滑振動室內試驗可分析參數較少，有關鉆井液流場、井底溫度場等因素對鉆柱粘滑振動的影響難以設計試驗。

4) 由于井下環境和鉆柱受力情況復雜，鉆柱粘滑振動有限元模型建立存在困難，目前關于粘滑振動的軟件模擬仿真分析結果較少。

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Advance in Research of Stick-Slip Vibration of Drill String in Oil and Gas Wells

FENG Chengbao，JIA Xiaoli，LIU Shuhai，ZHONG Xiaoling

(CollegeofMechanicalandTransportationEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)

Stick-slip vibration is one of the major causes for hole quality reduction，shorter drilling tool lifespan，drilling efficiency decrease，seriously affecting the drilling cost and completion period.The complex situations in the process of drilling result in the slow progress in this aspect，rare research breakthrough recently.The recent advances are outlined in stick-slip vibration of the drill string in three areas：theoretical analysis，experiment research and analogue simulation.The main research direction，methods and existing problem in the progress are introduced，which will provide reference and guidance for further research.

drill string；stick-slip vibration；theoretical analysis；experiment research；analogue simulation

2016-05-03

中國石油大學(北京)青年創新團隊基金(No.2462015YQ0401)

馮程寶(1992-)，男，安徽舒城人，碩士研究生，主要研究方向為深井鉆柱粘滑振動特性，E-mail：fengchengbaovip@163.com。

1001-3482(2016)11-0078-10

TE921.203

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.018