随着非常规油气资源勘探开发的持续推进和“降本增效”理念的不断发展,水平井、丛式井等复杂结构井日渐成为油气藏高效开发不可或缺的工艺技术手段。但复杂井眼轨迹设计衍生的摩阻扭矩大、定向托压严重等井下复杂问题,给水平井钻井设计及施工带来了严峻的考验。水力振荡器作为振动类减阻工具的典型代表,其良好的减阻效果已得到钻井工程界的广泛认可,但针对其减阻效果评价的研究却相对滞后。为此,本文以油气井管柱力学、摩擦学理论为基础,采用理论研究、仿真分析和实验研究相结合的分析方法,开展了水平井轴向振动减阻特性及减阻效果评价方法,取得的主要研究成果如下:(1)研制了轴向振动减阻模拟实验装置,利用该实验装置分别开展了不同润滑情况下的滑动摩擦实验、轴向振动减阻验证实验及轴向振动滑动耦合摩擦实验。滑动摩擦实验结果表明,流体润滑效果由强到弱依次为:OBM>WBM>干态,对应的平均摩阻系数依次为:0.27、0.36和0.41。轴向振动减阻验证实验结果表明,轴向振动减阻的前提是振动速度大于滑动速度。轴向振动滑动耦合摩擦实验表明,轴向振动-滑动耦合情况下的摩擦力呈现出周期性的渐变形态,从而使一个周期内总的滑动摩擦力降低。(2)鉴于经典Coulomb摩擦模型的准确性和适应性问题,有针对性的开展了轴向振动滑动耦合摩擦模型的研究。对比分析了不同动态摩擦模型的优缺点和适应性,优选Dahl模型对轴向振动滑动耦合摩擦现象进行表征,并借助Matlab/Simulink环境开发了仿真计算程序。结果表明:Dahl模型计算结果与实验结果吻合度较好,且明显优于Coulomb模型,验证了本文模型和方法的正确性。在此基础上,采用实验法进行Dahl模型动态参数识别。初步确定页岩与金属滑动摩擦时kt的取值范围为:35～40N/mm。(3)建立了水平井轴向振动减阻效果评价方法。考虑轴向振动作用下的钻柱变形,研究了轴向振动减阻工具的振动特性。研究表明,水力振荡器工作过程中产生的轴向振动不会造成随钻测量工具和钻头的冲击破坏。考虑动摩擦效应、黏滞力效应等影响,建立了钻柱纵向振动作用范围分析模型,对轴向振动减阻工具的作用范围进行了定量研究。在此基础上,将常规水平井摩阻预测模型和动态摩擦模型结合,建立了轴向振动作用下的水平井摩阻预测模型,并给出了相应的求解算法。该模型能较为准确的预测轴向振动作用下的水平井摩阻力,为轴向振动减阻效果评价提供了理论方法。(4)结合现场工程实际验证了水平井轴向振动减阻效果评价方法的合理性和可靠性。基于W204H10-1井水力振荡器现场应用资料,开展了水力振荡器应用效果评估,并对水力振荡器安放位置进行了优化研究。分析结果表明,水平井钻井过程中应用水力振荡器,滑动钻进摩阻由最初的261.33kN降低至231.33kN,摩阻降低了 11.48%。水力振荡器安放位置优化结果表明,水力振荡器的安放位置至钻头的距离应该大于轴向振动作用范围的一半,同时应尽可能靠近钻头。