钻柱力学中,钻柱系统的振动是研究者们所关心的的主要问题之一。钻柱振动会使钻井效率降低,造成钻井设备的失效,因而振动控制已经发展为钻井工程中不可忽略的因素。钻头的粘滑现象对整个钻井极具破坏性,由此提出了高频微幅旋振钻具。基于碰撞理论,利用机械、力学、数学以及相关软件等研究方法对高频微幅旋振钻具进行了以下相关研究:与现有的井下工具相比,该工具在旋转的同时能提供一定的周向冲击力,致使钻头在破岩过程中受周向的冲击载荷,导致钻头受到的扭矩发生变化。在纵向冲击破岩的同时也有周向破岩,达到提高钻井效率的目的。根据不同的运动关系,分别建立撞击发生器偏心环与撞击发生器传动轴的运动学方程,得到了各自角速度、角位移随时间的变化情况。同时,通过分析二者的碰撞过程和接触时间,得到了旋振钻具的平均扭矩和碰撞频率与入口流量、入口压强的相互关系。其次,研究高频微幅旋振钻具动力学时,分两种情况考虑。单独考虑旋振钻具时,假设旋振钻具中传动轴与偏心环的碰撞过程为理想状态下的冲量响应,并建立了单自由度无阻尼的冲量振动方程,得到了碰撞过程中旋振钻具角位移和角速度的振动特性。考虑整个钻柱系统时,建立相应的多自由度振动模型及扭转振动方程,通过考查有无高频微幅旋振钻具的钻柱系统振动情况和改变相关参数,得出各组件的振动角位移和角速度随时间的变化关系及其影响。为了验证理论计算的准确性,将高频微幅旋振钻具三维模型导入ADAMS,对旋振钻具的运动过程以及碰撞部分进行刚性多体动力学仿真。通过设定边界条件等,得到旋振钻具中撞击发生器传动轴与撞击发生器偏心环碰撞产生的扭矩、碰撞周期、偏心环角速度以及传动轴角速度随时间的变化关系,并与前文的理论结果进行了对比。综上所述,本文在设计并提出高频微幅旋振钻具的基础上,主要进行了旋振钻具碰撞系统部件的运动模型建立,研究得到关键部件的角速度、角位移、碰撞扭矩、碰撞频率;分单独考虑高频微幅旋振钻具和考虑整个钻柱系统,建立不同自由度的扭转振动模型,进行旋振钻具自身振动以及对整个钻柱系统振动的影响研究;同时,利用ADAMS仿真软件,对旋振钻具碰撞过程进行了多刚体动力学仿真分析,验证了理论模型及其结果的准确性,为后续的室内试验和井下实验提供理论依据。