随着社会的进步和科学技术的迅猛发展,人类对于油气资源的需求日益增大,石油钻采逐渐向深部地层发展。随着钻井深度的增加,钻柱等效扭转刚度降低,在复杂井下地质条件和恶劣工作环境的影响下,钻柱系统极易发生粘滑振动,严重制约了完井周期,同时大大增加了钻井成本。因此研究深井钻柱粘滑振动特性对提高深层油气资源钻采效率,降低石油钻井成本等方面具有重要意义。本文通过对垂直深井中钻柱系统进行合理简化,建立二自由度集中质量扭转摆振动模型,在考虑转盘转速控制机制和钻头与地层间摩擦作用基础上,利用拉格朗日方程推导出钻柱系统粘滑振动控制方程。通过分析粘滑振动特性得知,钻头与地层间非线性摩擦扭矩是粘滑振动产生的根本原因。文中运用MATLAB编程对系统振动响应进行求解,详细分析了钻柱长度、钻压、转盘转速、钻头与地层间静动摩擦系数以及系统粘性阻尼对钻柱粘滑振动的影响,并得到以下结论:(1)随着钻柱长度的增加,钻柱系统发生粘滑振动的可能性增大;(2)提高转盘转速和减小钻压可以有效抑制甚至消除粘滑振动;(3)钻头与地层间静动摩擦系数差是产生粘滑振动的重要原因之一,且随着静动摩擦系数差值的增大,系统粘滑振动加剧;(4)增大系统粘性阻尼比可以抑制粘滑振动但同时会增加能量耗散。在对钻柱系统进行合理简化和等效后,设计并加工出钻柱粘滑振动试验台。实验台主要由支架、输入模块(伺服电机和电磁激振器)、输出模块(转盘和钻柱)和数据采集模块(摄像机)等组成。利用数字图像处理技术对下转盘转动图像进行处理,得到下转盘中心点运动轨迹和瞬时径向速度。由转盘转速和摩擦系数实验分析结果可知:提高转盘转速可以消除粘滑振动,同时钻柱粘滑现象发生在钻头与地层间摩擦系数差较大的情况下,这与理论分析结果相吻合。