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第44卷第2期振动、测试与诊断Vol.44No.2
2024年4月JournalofVibration，MeasurementDiagnosisApr.2024
DOI:10.16450/j.cnki.issn.1004⁃6801.2024.02.004
轴向振动对近水平孔管柱减摩及屈曲的影响∗
徐保龙，刘送永，李洪盛
（中国矿业大学机电工程学院徐州，221116）
摘要为了解决近水平长钻孔孔内管柱受压后摩阻增大甚至管柱屈曲变形的问题，提出了轴向振动减摩和防屈曲
方法。首先，建立了轴向振动减摩的力学分析模型，分析了振动减摩的内在力学机制；其次，建立了振动减摩的有限
元模型，研究了激振力、激振频率对于减摩效果的影响关系，并通过现场试验进行了验证。研究结果表明：单个振动
周期内管柱与孔壁摩阻存在方向变换现象，降低了单个振动周期内的平均摩阻；激振力越大，减摩效果越好；轴向振
动的幅值和频率达到一定门限值后能够有效防止管柱屈曲变形，降低管柱摆动；对于长为200m、直径为89mm的
通缆钻杆管柱，当激振力大于等于5kN时，能够大幅度减小管柱与孔壁摩阻，防止管柱屈曲；平均摩阻与振动频率
呈倒对数关系，随着激振频率的增大，平均摩阻先减小而后趋于稳定，当激振频率大于等于6Hz后减摩效果趋于稳
定。该研究结果对于减摩防屈曲钻具的研制以及钻孔工程施工具有指导意义。
关键词轴向振动；管柱；摩阻；屈曲特性；影响因素
中图分类号TH113.1；TD421.3
引言［5］
柱摩阻理论计算研究方面：Johancsik等采用柔索
模型研究了全井钻柱受力，但忽略了钻柱刚度和井
近水平钻孔是煤矿巷道或工程隧道掘进前探测［6］
眼弯曲；Sheppard等提出采用悬链线法降低钻柱
与治理瓦斯、水害等灾害的必要通道。近年来，近水摩阻的方法，但没有考虑钻柱屈曲及受压变形与井
平定向钻进技术在巷道（隧道）超前探中应用日益广［7］
壁产生的摩阻；Rocheleau等用传递矩阵法进行二
泛，钻孔深度也越来越深［1］。钻压通过采用孔口动［8］
维井眼内大变形问题的微分方程求解；赵洪激在
力头向孔内压缩钻杆的方式来施加，受压管柱在孔研究刚性杆模型时考虑了钻井液黏滞力和钻柱运动
内存在压缩变形，在重力以及定向孔弯曲等扰动下［9］
状态；帅建等在研究钻柱变形时将2个平面内钻柱
会发生屈曲变形，首先产生正弦屈曲，随着压缩程度与井壁的接触进行了耦合分析与计算；祖峰［10］以弯
的增加继而产生螺旋屈曲。屈曲行为会引起钻柱与曲圆管的钻柱摩阻力学模型为基础，对定向井的摩
孔壁摩阻的急剧增加，造成钻头钻压严重不够，产生［11］
擦阻力进行了分析研究；Gong等建立
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