随着全球经济的快速发展,世界各国对于能源需求逐渐增加,尤其是石油天然气消耗量不断增大,导致石油天然气的勘探开发程度不断增加。随着石油天然气的不断开采,油气钻采逐渐向更深层油气资源发展,从而复杂结构井日益增多,包括超深井、水平井、大位移井以及大斜度井等。但在复杂结构井钻进过程中,尤其是水平井钻进,钻井摩阻大,钻井摩阻降低了钻井效率,在很大程度上限制了井眼延伸,进而影响油气资源的勘探开发。因此,为了减小钻井摩阻、提高钻井效率,发展水平井、大位移井技术,减摩阻技术成为了国内外学者和研究机构的研究重点。针对降低钻井摩阻问题,本文提出了一种射流式减摩阻工具,并从数值模拟、减摩特性以及实验验证等方面进行了以下研究:首先,结合应用背景,完成射流式减摩阻工具的结构设计,由减震器和射流振荡器两部分组成,扭矩通过螺纹副和滚柱向下传递,驱动钻头旋转,钻压来自上部管柱的重量,通过碟簧和减震轴作用在芯轴上,然后通过射流振荡器传递至钻头。钻井液通过射流短节作用产生压降变化,射流振荡器产生射流振荡,形成轴向冲击。在结构设计的基础上,进行减震器性能分析,建立减震器载荷位移特性、刚度特性与应力特性计算模型,在负载作用下,载荷—位移特性曲线呈线性关系,刚度-位移曲线则呈现非线性关系。通过FLUENT软件进行射流式减摩阻工具的内部流场研究,完成了射流短节的流场分析,在射流短节内存在附壁切换过程,得到流体的速度场、压力场以及分流中心点压力变化结果。出口流速随着入口流速的增大而逐渐增大,并且增大速度相对更快,随着入口流速的增加,出入口压力也逐渐增大,但入口压力增大速度更快。在分流中心点处,开始阶段压力波动呈现无规律变化,稳定射流后压力呈现周期性波动。通过建立水平井工况条件下的钻柱动力学模型,进行井壁摩擦随机性以及其对钻柱动力学的影响研究,并在此基础上进行振动减摩特性研究。首先进行水平井钻柱受力分析,建立钻柱动力学分析模型,进行井壁摩擦随机性研究,给出构建井壁随机场的步骤与方法,得到井壁摩擦随机行为的描述方法,并给出相关作用力的求解方法,然后考虑钻杆各点的接触情况,给出动力学模型的离散方法,进行模型求解,得到振动位移、振动速度、钻进效率的求解与分析结果。通过室内台架实验,对射流式减摩阻工具的工作压降、振动频率和振动位移等进行实验测试,并对比分析实验结果与理论计算结果,得到工作压降测试结果与压力仿真计算结果呈现相同分布规律,振动频率和振动位移测试结果达到预期效果。综上所述,本文结合射流式减摩阻工具的结构特征和工作原理,进行数值模拟研究,通过台架实验验证数值模拟的正确性,针对工具应用于水平井工况下的振动减摩特性进行分析,为基于井壁摩擦随机性的钻柱动力学以及井下钻柱的振动减摩研究提供参考。