本文的工作以机械振动、结构力学以及微分方程为基础,结合室内试验与有限元分析技术开展研究,论文的主要内容包括如下几方面:(1)调研了国内外关于钻柱粘滑振动的研究现状,主要包括粘滑振动的理论研究及粘滑振动的控制方法。将理论研究分为力学模型研究与试验研究,将粘滑振动的控制分为主动控制与被动控制。(2)结合钻柱系统的工作特点,建立了钻柱系统的集中质量摆模型,推导了钻头的运动微分方程并对其进行分段求解。结合现场常用钻井参数,以3000 m钻柱系统为研究对象,分析了钻头的振动响应特别是钻头的粘滑振动特性。为得到粘滑振动产生的条件,分别分析了钻头与地层无摩擦、静动摩擦系数相等以及钻压简谐波动等情形。(3)对于钻进中的钻柱系统,钻头与地层的摩擦作用及流体的阻尼构成耗散的振动单元、转盘的转动构成稳定的能量输入、连接转盘与钻头的弹性钻柱构成调节器,由此具备了形成自激振动的条件。为研究钻头粘滑振动的自激振动特性,分析了不同初始条件下钻头的运动。结果表明钻柱的粘滑振动仅与系统自身特性有关,与初始条件无关,是一种自激振动,钻头的相点在相平面上的相轨迹表现为极限环。(4)为得到参数对粘滑振动的影响,研究了静动摩擦系数的大小(保持差值不变)及差值(动摩擦固定)、钻压、钻柱长度、转盘转速与阻尼等参数对粘滑振动特性的影响。根据所得到系统的粘滑振动特性,解释了为何深井容易产生粘滑振动现象,为现场普遍采用增大转盘转速或降低钻压控制粘滑振动提供了理论依据。(5)建立了钻头破岩的仿真模型并开展了高频扭转冲击作用下钻头破岩的仿真研究,得到高频扭转冲击作用对岩石失效的影响。分析了扭转冲击作用下的钻头振动特性,得到了高频扭转冲击减缓粘滑振动及提高钻进效率的机理。(6)建立了钻柱扭转振动的连续系统模型,使用模态叠加法分别分析了冲击作用下粘滞状态与滑脱状态钻柱的振动响应,得到扭转冲击对钻柱振动的影响,结果表明扭转冲击钻进时钻柱的振动将减缓。结合钻柱振动及钻头的破岩效率,研究了扭转冲击频率及扭转冲击工具安装位置对钻进的影响。本文的研究工作系统地阐述了钻柱系统粘滑振动产生的机理、振动特性及操作参数对钻柱粘滑振动的影响,并揭示了扭转冲击减振提速的机理。所得成果有助于人们深入对钻柱系统粘滑振动的认识,以及在此基础上提出控制粘滑振动的方法。此外,文中关于扭转冲击作用下岩石损伤与钻头振动的研究揭示了该技术的提速机理,有助于我国研究人员与现场人员对扭转冲击钻井的认识,从而推动该技术的发展。