全球经济持续发展以及人们生活水平持续提高的同时,人们对能源的需求也在不断增加,目前的常规油气田开发已无法满足人们对能源的需求,全球油气开采的重点正由浅层向深层、陆地向海洋快速拓展。然而随着油气开采深度的不断增加,地层结构将变得复杂多样,地层压力大、岩石可钻性差、不确定性的地质环境会导致钻柱系统产生周向、横向、纵向形式的振动,其中粘滑振动的危害最为严重,其极大地加快了钻柱与钻头的失效,并引发地面设备的故障,造成井下事故的发生,从而严重影响钻头的钻进速度,增加钻井成本。为了有效解决粘滑振动,本文首先提出了一种新型扭转振动工具,并对其结构进行了设计;其次对该工具的运动学进行了研究;随后建立基于该工具的钻柱系统的非线性动力学模型,结合该工具运动学研究结果,对工具的降粘效果进行了深入研究;最后对粘滑控制方法对新型扭转振动工具的降粘影响进行了研究,分别设计了滑模控制、PID控制、滑模PID控制方式,并对各控制器的控制性能及其鲁棒性进行了对比分析。主要研究内容如下:1)结合目前国内外液力冲击器研究现状,设计了一种新型扭转振动工具,分析了该工具的工作原理。与现有工具相比,该工具能够利用钻井液的能量驱动涡轮轴旋转,进而带动盘阀结构运转,根据盘阀结构、盖板的特点,一部分钻井液将周期性地从两者之间的过流面积进入冲击座内部扇形空腔,驱动冲击锤撞击冲击座,形成周期性冲击扭矩,并通过花键传递给钻头,使钻头破岩扭矩发生变化,这对钻头的粘滑振动现象起到了一定抑制作用,进而钻井效率得到了一定提升。2)对新型扭转振动工具运动学展开研究,根据新型扭转振动工具的盘阀结构扇形孔与盖板扇形孔之间以及冲击锤与冲击座之间的位置关系,建立了过流面积表达式、冲击锤运动学方程,得到了过流面积、冲击锤角速度与角位移随时间变化情况,同时通过冲击锤与冲击座的碰撞关系,得到了碰撞扭矩在不同入口流量下随时间变化情况,并在此基础上分析了碰撞频率。3)建立了有/无新型扭转振动工具时的钻柱系统动力学模型,对有/无工具时的钻柱动力学方程进行了理论推导;随后在给定顶驱转速下对有/无工具时的钻柱系统各部件角速度和角位移进行了对比分析;最后在不同顶驱转速、不同粘滞阻尼、不同钻压下对有/无工具时的钻头角速度进行了研究。研究表明增大转盘转速、适当增大粘滞阻尼、适当降低钻压可以在一定程度上抑制钻柱的粘滑振动,且在相同条件下与无工具对比,新型扭转振动工具具有明显的降粘效果。4)在含有新型扭转振动工具的钻柱系统模型基础上,对粘滑控制方法的降粘影响展开了研究。针对钻井参数存在摄动时,钻柱系统可能表现出脆弱性,从而产生粘滑振动这一现象,首先分别设计了两种滑模控制方式和两种PID控制方式,并在有工具作用时,结合理论方程、给定参数对四种控制方式的降粘效果及其稳定性进行了分析,结果表明四种控制方式均能有效地控制钻柱系统的粘滑振动现象;其次对各控制器的控制性能、鲁棒性进行了对比,分别从不同跟踪转速、转盘处存在干扰时进行了仿真分析,结果表明滑模控制方程U2和PID控制方程U4的总体性能均好于U1和U3控制方程,但通过对比滑模控制方程U2和PID控制方程U4可知,U2的鲁棒性则更强,U4的响应能力则更快;最后结合两种类型控制方式各自的优缺点,设计了滑模PID控制方式,并对其进行仿真分析,分析表明与单独的滑模、PID控制方式相比,滑模PID控制方式的鲁棒性和响应能力均更胜一筹。综上所述,本文根据新型扭转振动工具基本结构及其原理,通过建立工具运动学及动力学模型,对工具工作机理进行了研究,分析对比得出新型扭转振动工具对粘滑振动的影响,同时在含有工具的钻柱模型基础上,对粘滑控制方法的降粘影响进行了研究,研究结果为新型扭转振动工具后期室内及其井下实验提供了理论基础,并为抑制钻头的粘滑振动现象提供了一定的借鉴意义。