随着石油勘探开发的不断发展,勘探开发转向深层油气藏,造成了钻井难度日渐加大。与其他钻头相比,PDC钻头通过剪切破碎岩石,有效地提高了钻井效率。因此,它在石油工业中得到了广泛的应用。然而,在深井或坚硬地层,使用PDC钻头钻进过程中,常常伴随着粘滑效应。这种效应是钻柱过早失效和钻井效率低下的主要原因之一。现阶段,削弱粘滑效应的措施主要是增加转盘转速和减小钻压。但是,当转速增加到某一个值时,会加大轴向和横向的振动;减小钻压会影响机械钻速。为了缩短钻井周期,降低钻井成本,急需透彻地了解粘滑效应产生的根本原因,寻找有效削弱粘滑效应的措施。本文从PDC的破岩机理出发,揭示粘滑效应产生的根本原因,研究轴向振动对粘滑效应的影响。该论文主要的研究内容以及研究成果如下所示:(1)基于井底岩石的应力分析,建立基于地应力的PDC单齿切削模型,分析了水平地应力、岩石自身强度、有效垂直地应力以及切削角对切削力的影响。并且通过文献中的室内实验和现场试验,证实模型的准确性,以及找到了模型的适应条件。(2)在PDC单齿切削模型的基础上,结合在实际钻进中单齿的运动形态,考虑了单齿在切削过程中,存在的轴向速度,对单齿摩擦力进行了修正。运用类比的方法,建立了钻头与岩石的相互作用模型。并且通过分析证实了钻头轴向运动与扭转运动发生耦合的根本原因是钻头与岩石之间的相互作用。(3)以研究的粘滑效应为中心,对钻柱系统进行简化,建立了二自由度的钻柱简化模型,通过对数学模型求解,得到了钻进过程中钻头的运动方程。并且,结合钻头与岩石相互作用模型,阐述了常规钻进过程粘滑效应产生的过程,证实了轴向冲击振动对粘滑效应具有削弱作用。(4)以调研的现场数据为依据,运用LS-DYNA软件模拟整个钻进过程。为了便于分析,利用快速傅里叶算法,运用优良降噪模型,将钻头的不稳定运动引起的钻压和扭矩数据中存在的毛刺进行降噪处理。并且,把钻头的绝对角位移、扭矩的频率和幅度作为描述粘滑效应的重要依据。通过有限元软件分析的结果,描述了粘滑效应产生过程中钻头的运动特性,分析了轴向速度、转速对粘滑效应的影响。并且,证实了轴向振动冲击对粘滑振动的频率和幅度都有一定的削弱作用。