水平井钻柱轴向-扭转耦合振动模型的粘滑振动特性分析 中文标题：水平井钻柱轴向-扭转耦合作用下粘滑振动机理与调控研究

《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》：Analysis of Stick–Slip Vibration Characteristics of an Axial–Torsional Coupled Vibration Model in Horizontal Drill Strings

针对水平井钻井过程中粘滑振动严重影响钻头寿命和钻井效率的难题，研究人员通过建立考虑钻井液非牛顿流变阻尼的轴向-扭转耦合模型，发现地层刚度增至100 MN/m时粘滑振动加剧（滞后角位移达43.67 rad），而地层表面轮廓振幅为2 mm时可抑制振动，为水平井钻井参数优化提供了理论依据。

　　

在钻井工程中，由扭转振动引发的粘滑振动（stick-slip vibration）是钻柱系统中最具破坏性的因素之一，它会显著缩短钻头寿命并降低钻井效率。为攻克这一难题，科研人员开展了大量理论分析、现场试验和模拟研究，但针对水平井的研究仍较匮乏，且未充分考虑钻井液对钻柱的非牛顿流变阻尼（non-Newtonian rheological damping）作用。

本研究基于弹簧-集中质量原理，创新性地整合了三个关键因素：水平井钻头与地层间的摩擦相互作用、钻井液的非牛顿流变阻尼特性，以及水平段钻柱与井壁的接触摩擦。通过建立水平井钻柱系统的轴向-扭转耦合模型（longitudinal-torsional coupling model），系统模拟了不同接触条件下钻柱的粘滑振动特征。

数值模拟结果显示：当地层刚度从20 MN/m增大至100 MN/m时，钻头的粘滑振动强度显著增强，并在刚度达到100 MN/m时产生43.67 rad的滞后角位移；而增大地层表面轮廓振幅则能有效抑制振动，当振幅达到2 mm时粘滑振动现象完全消失。这项研究通过仿真手段解析了水平井粘滑振动的影响机制，为钻井参数优化和振动控制提供了重要工程指导。