0 引言
在钻井过程中，钻柱在地面及井下设备的驱动下处于自转和向下的运动状态，受井下多种激励源的作用会发生一系列振动，基本形式为纵向振动、横向振动和扭转振动三种，现场通常表现为各种振动模式的剧烈耦合，如跳钻、黏滑等。钻柱适量的振动有利于提高钻头破岩效率、降低滑动摩阻，但过量振动则会导致MWD (measure while drilling)损坏、钻头、钻具提前失效等问题，不仅降低了钻井时效，还带来了巨大的安全风险。为此，围绕恶性振动识别技术和井下振动控制工具，国内外开展了大量的攻关研究和工程实践。本文回顾了钻柱动力学理论研究、钻柱振动室内实验与井下监测装置研究现状，介绍了国内外钻柱振动抑制工具的研发与应用情况。
1 钻柱动力学理论研究钻柱动力学理论研究始于20世纪50年代，60、70年代Lubiski等[1]对直井中钻柱的纵向振动和扭转振动进行了大量的实验和分析，80年代直井钻柱理论逐渐成熟。90年代之前，钻柱振动理论的研究对象主要是底部钻具组合(BHA)；90年代后，人们开始意识到要想得到BHA相对准确的运动状态，必须研究全井钻柱系统的动力学特性，但这些研究大多针对钻柱在单一振动模式下的动力学响应特征。而在实钻过程中，受井眼几何形态和钻柱屈曲变形的影响，在不同钻头结构形式、类型与不同岩性地层的复杂激振作用下，钻柱常表现出复杂的耦合振动，因此，钻柱的耦合振动分析对于指导钻井现场施工具有更大的意义和更高的可信度。
2002年，Elsayed等[2]研究了纵向振动和扭转振动耦合作用PDC (polycrystalline diamond compact)钻头的钻柱响应规律，指出扭转振动自然频率边带的频谱可用于在频率域识别纵向扭转耦合振动。2006年，艾池等[3]针对松辽盆地火成岩高研磨性地层对钻头、钻柱的破坏进行了研究，指出钻头和地层岩石的相互作用是导致纵向扭转耦合振动的诱因，同时推导出纵向扭转耦合振动方程及其对钻柱寿命的影响。2007年，Sampaio等[4]将钻柱视为柔性直梁，建立了直井眼中考虑大转角和非线性应力应变效应的钻柱纵向振动和扭转振动耦合作用模型，指出非线性模型更适用于模拟长时间周期的钻进过程和评价振动控制技术的可行性；Voronov等[5]采用非线性动力学模型研究了振动辅助破岩工具产生的纵向振动和扭转振动耦合作用对钻头破岩效率的影响。2009年，Germay等[6]也建立了钻柱的纵向振动和扭转振动耦合作用模型，用于分析纵向振动对钻头黏滑振动的影响。
1996年，Yigit等[7]将钻柱视为在稳定器上受横向约束的柔性梁，分析了纵向振动和横向振动耦合作用的影响规律，但是该研究没有考虑钻柱的旋转；为了弥补这个问题，随后他们又研究了旋转钻柱的纵向横向耦合振动规律[8]，模型中考虑了扭矩、钻井液黏滞力、钻柱与井壁的接触、钻头与岩石相互作用引起的轴向激振。2005年，Trindade等[9]将钻柱视为顶端被夹住、底端完全约束的垂直细长杆，建立了非线性纵向振动弯曲耦合有限元模型，采用Karhunen-Loeve分解算法求解钻柱与井壁相互作用的形态。2011年，Sahebkar等[10]采用多尺度摄动法研究了斜井眼中钻柱的纵向横向耦合振动效应，模型中考虑了转速、轴向压缩、钻井液非线性黏滞力和钻杆质量偏心等影响，分析了其激振频率和模态。2012年，以定向井钻柱为对象，闫铁等[11]考虑钻柱横向振动对轴向变形的影响，建立了钻柱耦合振动动力学方程，采用有限元法进行求解，得到了轴向和横向非线性耦合振动的共振频率。2013年，Ghasemloonia等[12]以旋冲钻井工具为对象，将直井眼中的钻柱视为多跨梁结构，考虑钻井液黏滞力、扭矩、旋冲工具激振力、钻具自重、钻压、大钩载荷、钻柱与井壁接触力、结构非线性等影响，采用Abaqus显式求解器建立了加装旋冲工具的底部钻具组合动态有限元分析模型，得到了纵向横向耦合振动的速度、位移、共振频率、接触位置等时域和频域特征信息；随后，他们[13]又给出了这一问题的基于扩展加辽金方法的时域解，预测了共振的临界转速。
1998年，Yigit等[14-15]发表了研究钻柱横向振动和扭转振动的耦合效应文章，随后他们又研究了受约束的钻柱横向扭转耦合振动情况，数值模拟研究表明，通过提高转盘转速可以缓解黏滑振动、但会加剧横向振动，据此提出了线性二次型调节器的黏滑振动控制算法；在此基础上，Al-Hiddabi等[16]又提出了非线性动力学反演控制设计方法来抑制非线性钻柱的横向和扭转振动。为了定性解释实钻过程中遇见的黏滑振动到涡动的转变过程，2002年，Leine等[17]建立了一个简化的充满钻井液的井眼中钻柱黏滑涡动分析模型，引入分叉理论解释了当涡动出现时黏滑振动消失的机理。2003年，Melakhessou等[18]考虑弯矩、扭转、涡动和井壁摩阻等影响，建立了底部钻具组合的四自由度动力学分析模型，数值模拟研究表明, 井眼中钻柱的初始位置对动力学研究非常关键，因此建议在动力学研究前先开展精确的静力学分析确定接触和钻柱形态。2011年，采用减缩积分的有限元模型，Liao等[19]建立了柔性钻柱横向和扭转耦合振动模型，忽略了钻井液的黏滞效应，可用于预测钻柱与井壁接触点的横向运动情况。
全井眼钻柱多种振动模式的全面耦合分析对于实时预测和分析井下工具的工作环境具有极大的意义；但是，考虑到高度的复杂性和非线性，虽然许多专家学者进行了大量探索，但尚无求解迅速、结果精确的可供现场应用的结果。2001年，Christoforou等[20]建立了纵向、横向和扭转耦合振动的分析模型，认为适量的纵向振动有利于消除黏滑，钻井参数需要精细调控以避免进入横向振动和纵向振动过渡区间导致钻柱不稳定。2002年，朱才朝等[21]基于能量法，建立了牙轮钻头纵向、横向和扭转振动耦合非线性系统动力学分析模型，并编制了相应的仿真程序；随后，祝效华等[22]又将钻柱视为多自由度的弹簧质量阻尼系统，依据汉密尔顿原理和有限单元法建立了直井眼基于钻柱、岩石相互作用的牙轮钻头系统动力学模型，采用Visual C++语言编制了相应的仿真软件，用来分析牙轮钻头的瞬时破岩过程、纵向和横向位移计阻力矩；随后又发展出考虑结构阻尼和泥浆黏滞阻尼的三维井眼钻柱纵向横向扭转耦合振动模型[23]。2005年，将钻柱视为弹性、均质、各向同性、12自由度的轴单元，考虑钻柱旋转、自重、扭转和弯矩耦合等影响，Khulief等[24]建立了钻柱振动的有限元模型；随后，又在模型中增加了连续的力位移准则描述钻柱井壁接触碰撞[25]。考虑到空间有限直梁单元在描述三维钻柱时所需的节点多、计算速度慢，胡以宝[26]在2011年采用空间曲梁单元开展了基于实际井眼轨迹的钻柱动力学有限元模型，开发出了钻柱动力学特性仿真程序DDCS，提出了钻柱动态安全性评价方法。
考虑到(半)解析法假设多、结果与实际工程差距较大，有限单元法难以描述井眼约束时的受力、变形和碰撞，求解速度慢等问题，研究人员在近三年中开始将多体动力学方法大量用于钻柱的动力学研究中。2011年，Shi等[27]采用多体动力学与有限元相结合的方法，建立了不考虑钻井液影响和钻柱细部结构特征的时间域动力学分析模型及软件。2012年，Pogorelov等[28]将钻柱视为用线弹性单元连接起来的均质柔性杆，建立了多体动力学时间域和频率域分析模型，探讨了模型参数对计算精度和运算时间的影响，研究结果表明，对于静力学分析、屈曲分析和共振频率分析而言，理论研究与多体动力学数值模拟结果一致，时间域的瞬态动力学研究对分析钻柱的工作状态意义更大；同一年，于桂杰等[29]利用ANSYS软件建立了直井眼钻柱振动多体动力学分析模型，获取了前5阶振动频率。2013年起，程载斌等[30-32]发表了多篇论文，报道了其项目组采用绝对节点坐标法建立的全井钻柱系统多体动力学模型，采用变步长、变阶的向后差分隐式积分算法求解，实现了纵向横向扭转耦合振动的数值模拟分析。2014年，Fallahi[33]在其硕士论文中建立了加装振动辅助破岩工具的底部钻具组合纵振横振扭振耦合的多体动力学模型，模型中考虑了钻柱自重、钻井液循环的影响、钻头破岩的扭矩变化，但没有考虑钻柱与井壁的接触。2015年，Elliott[34]基于MSC公司的多体动力学软件开展了钻柱三维非线性全耦合的时间域动力学数值模拟，并将其结果用于分析实钻中的失效问题，运算速度快且与实际测量数据、现场表现一致，同时大量的模拟也指出计算中最花费时间的步骤是斜井眼中钻柱与井壁的接触问题。
2 钻柱动力学实验研究钻柱振动是多因素综合作用的结果，其理论研究有很大的困难和不确定性。为了观测钻柱的真实振动状态，研究振动机理，校验理论研究的正确性，弥补理论研究建模过程中可能存在过度简化的不足，模拟试验成为钻柱动力学研究的一种有效方法[35]。实验室模拟试验具有简单直观、易于重复操作、模拟程度高、真实可靠的特点，主要用来观测钻柱的真实运动状态和钻头与地层、钻柱与井壁的相互作用，研究振动机理。初期的实验多用于研究钻柱的单一振动情况，总结实用性结论。相对于轴向振动和扭转振动，钻柱的涡动是一种混沌的非线性横向振动，其振动行为更为复杂，因此，后期的室内试验多集中在研究钻柱的横向振动、涡动规律上。
为了修正钻柱横向振动的理论分析结果，1996年Berlioz[36]研制出一套室内装置，可以模拟钻柱屈曲、钻井液性能、稳定器尺寸和转速等因素的影响，根据扭转横振、纵振横振耦合机理来改变钻头处的轴向激振，从而分析其横向振动特性。随后，美国桑迪亚国家实验室建立了一套硬岩钻进装置HRDF (hard-rock drilling facility)，Elsayed等[37]利用该装置开展了一系列的钻柱振动试验研究。2003年，Melakhessou等[38]建立了采用两个光电传感器实测横向位移的试验台架，用于验证考虑钻柱和接头与井壁接触的底部钻具组合涡动及横振扭振耦合振动规律。2006年，Mihajlovic等[39]建立了一台模拟钻柱黏滑振动的试验装置，可以研究扭振和横向振动的相互影响、摩擦系数和质量偏心对黏滑振动的影响。2008年，Raymond等[40]利用液压伺服控制器建立了一套模拟钻头钻柱系统振动的试验设备，分析了岩石类型、钻头设计和钻柱结构对纵向振动的影响，得到了减缓钻头钻柱系统振动的最优方法；由于试验中采用的是真实的岩石，因此直观再现了钻头和岩石的相互作用情况以及钻柱的振动情况。2009年，Khulief等[41]建立了一套实验装置，可以模拟钻柱与钻井液相互作用、钻压波动等引起的黏滑振动和激发的钻柱井壁接触，据此建立了考虑钻井液阻尼影响的有限元模型。2010年，Franca[42]建立了一套可以精确控制机械钻速为0.01~100 mm/s、转速为10~400 r/m的室内试验台架，其试验结果验证了三牙轮钻头的振动响应特征。2011年，Forster[43]为了测试新研发的非对称振动抑制工具性能，研发出两套分别模拟横向振动和扭转振动的室内缩微试验台架，采用1.25 m长的高抗拉线缆模拟钻柱，扭转刚度通过预应力来调节，激振频率为5~15 Hz。为了克服室内模拟试验装置大多不能直接测量模拟钻柱的实际钻压、转速和振动参数的问题，2012年，Esmaeili等[44]研制出一套全自动控制的室内试验装置(CDC miniRig)，该装置的模拟钻柱长0.524 m、直径40 mm，可施加800 N的钻压和360 r/m的转速，采用振动传感器短节直接记录钻柱动态响应。2015年，Westermann等[45]研制出一套新的钻柱横向振动试验装置，新装置增加了井壁与钻柱接触模拟、接触力测量等模块，能更好地反映钻柱与井壁碰撞对振动的影响；英国阿伯丁大学Wiercigroch等[46]研制出一套多功能振动实验装置，可用于钻柱动力学和钻头岩石相互作用机理研究，采用商业化全尺寸钻头和岩石样品，以清水为钻井液用来携岩和降温，采用刚性管模拟钻柱时可用于钻压、转速对机械钻速的影响研究，采用头型管模拟钻柱时可用于黏滑、涡动和跳钻等动力学现象研究，用LabVIEW图像交互界面来监控实时测量数据。
章扬烈等[47]在国内最早开展钻柱动力学研究，研制出国内第一套下部钻具运动状态模拟实验装置“旋转钻杆柱模拟实验装置”; 在此基础上，管志川教授团队[48]对其进行了改进：实验装置采用相似原理按照1:10建造，选用弹性模量和密度比为2.52、外径17.78 mm、内径5.7 mm、总长13 m的工程塑料, 模拟长130 m、外径177.8 mm的钻铤; 采用内径30 mm的透明有机玻璃管模拟井眼直径216~311 mm的井筒，安装钻压、转速传感器和3组位移传感器，可用于研究自重条件下直井眼底部钻具组合的钻压、转速、偏心位移等波动情况。随后，采用相同原理的出水平井井底钻柱动力学模拟实验装置也被设计出来[49]。针对上述装置没有考虑流体对钻柱运动状态影响的缺憾，东北石油大学建立了直井内钻柱与钻井液耦合动力学模拟实验装置[50-51]，实验装置按照1:5比例建造，采用内径50 mm、高度20 m的有机玻璃管模拟井眼直径235~250 mm的井筒；模拟钻柱外径为27 mm、内径21 mm、长度20.7 m，相当于94 m长的钻柱。在4个不同高度安装接触式位移测试装置测x、y方向位移，加装流体循环系统模拟钻井液循环过程。
随着国内外对钻柱动力学模拟试验方法的重视，将模拟试验和虚拟仿真试验结合研究较复杂的工程问题，已逐渐成为一种重要研究手段。
3 钻柱振动监测研究早期的钻柱振动监测主要在地面录井领域。1996年，马斐等[52]报道了一种用方钻杆悬重扭矩仪和数据记录装置组成的钻柱振动地面监测系统，测量方钻杆下端保护接头处的扭矩、悬重、钻压变化时域信号，现场测试表明钻柱顶部振动频率主要集中在10 Hz以内。考虑到钻柱振动信号可以反映地层岩性变化，高岩等[53]开展了一系列的研究，并于1998年报道了其开发的钻柱振动信号地面测量系统，其主要由压电式加速度传感器、电荷放大器、数据采集系统及计算机处理系统组成，并在华北油田固108井进行应用；研究表明，三牙轮钻头振动信号在0~25 Hz低频段反映钻头引起的谐波，25~200 Hz中频段反映钻头牙齿与地层相互作用、可用于判断钻头工作状态，200~10 000 Hz高频段反映地层变化。1999年该钻柱振动测量卡箍申报了专利[54]。2011年，刘瑞文等[55]利用三轴振动加速度传感器研制出利用频率小于100 Hz的低频段振动信号识别钻柱工作状态的在线监测设备，前端测量部件做成特制卡箍固定在方钻杆上部，采用无线通信方式传输采集到的信号，锂电池组一次充电后可连续工作100 h。
为了更准确地记录井下钻柱的振动参数，弥补地面监测间接识别振动工况的缺憾，井下的高频振动参数记录装置得到了发展。2002年，管志川等[56-57]研制出存储式井下钻柱受力实测接头，存储容量4 MB，纯工作时间数据记录时长1 h，最高采样速率为40样本点/s，测量参数包括钻柱轴向力、弯曲力、扭矩、轴向加速度、径向加速度、周向加速度、钻柱内外流体压力和环境温度，设计工作井深小于3 000 m、适用井眼尺寸118~119 mm、最高耐压65 MPa、工作温度小于85℃。为弥补传统单片机计算速度慢、精度低的缺陷，2006年赖欣等[58]采用TMS320LF2407A作为主控芯片，研发了随钻井下管柱参数测量系统，其测量参数、存储空间、适用井眼尺寸等指标与管志川教授的实测接头相同，但最高环境温度提高至125℃。2011年，翟小强等[59]采用STC12C2052单片机，测量范围-200~200 g、分辨率0.1 g的IEPE型三轴加速度传感器，及2 GB的SD存储卡，研制出存储式井下振动测量工具。考虑到井下振动信号采集时间长、容量大，2012年曾强等[60]以dsPIC33F128MC802数字信号控制器作为系统主控制器，采用带SPI (serial peripheral interface)接口的串行闪存M25P64V3P为关键存储芯片，采用多分辨率小波变化压缩算法实时压缩振动数据，设计出井下三轴振动信号采集和存储系统，采样速率1 kHz、采样精度16 bit、信号带宽0~200 Hz、存储容量可扩展至4 GB、耐温125 ℃以上、连续存储时间超过100 h。2013年，姚文彬等[61]选用ADuC7026单片机作为主控制器、PCB公司HT系列小型压电石英三轴加速度传感器作为测振单元，采用ADT7410温度传感器设计温度补偿电路，设计出井下振动实时测量存储系统，采样速率2~20 000 Hz、采样精度0.25 g、信号带宽2~8 000 Hz、工作最高温度150 ℃、存储容量为80 MB，且可并联扩展。
尽管国内开展了大量的样机试制和室内、现场试验等研发工作，但目前尚无实用的商业化井下钻柱振动测量工具，而国外各大油服公司均推出了自己的商业化产品。BakerHughes公司在钻柱动力学特性监测方面在国际上处于领先地位，其所开发的动力学软件系统和振动测量系统已在全球范围得到应用，形成了钻柱的纵向、横向和扭转振动水平分级表；其井下振动监测服务主要有两类：一是存储式多传感器动态测量系统(multisense dynamics mapping system)，测量参数包括三轴振动、转速、钻压和扭矩，采样频率500 Hz，测量时间可达200 h，通过计算对比井底和地面的机械比能对钻井参数、钻头选型等进行钻后分析和优化调整；二是CoPilot实时钻井优化系统，测量参数包括钻压、扭矩、弯矩、循环当量密度、环空压力、四轴加速度、磁通量、温度等14个参数，采样频率为1 kHz。Schlumberger公司则提出了OptiDrill实时钻井智能服务(OptiDrill real-time drilling intelligence service)，实时测量钻压、扭矩、弯矩、三轴振动、转速、环空内外温度压力、连续井斜等19个参数，采样频率10 kHz，井下存储容量为200 MB (低频)和1 500 MB (高频)，通过整合对比井下和地面实测参数，可以识别井下涡动、跳钻、黏滑现象和严重程度，可以连续计算井眼摩阻、狗腿度、钻柱失效。Halliburton公司开发出DrillDOC井下优化测量钻铤(DrillDOC drilling downhole optimization collar tool)，通过实时测量底部钻具组合和钻头上的钻压、扭矩、弯矩和振动，同时配合DrilSaver地面振动监测系统，可以计算出从地面到井底的能量传递情况，从而实现钻井参数的调整以降低振动和能量损耗。NOV公司推出了BlackBox井下参数测量系列工具：BlackBox井下振动记录仪是一个直径57.15 mm集成模块，体积小，采样频率400 Hz、存储空间8 MB，记录参数包括横向和扭转振动、温度和转速；BlackBox HD井下振动记录仪也是一个存储式的测量探管，可以放置在钻头或BHA的任何部位，采样频率400 Hz、存储空间16 MB，通过测量切向加速度和角坐标位置来反映三轴振动和转速；BlackBox EMS是一款增强型的存储式井下振动记录仪，测量参数包括三轴振动、环空压力、井底温度、钻头钻压和扭矩等，采样频率800 Hz、存储空间256 MB，锂电池寿命350 h。APS公司研发的VMS振动存储短节存储空间为32 MB，每4 s采集和存储一次最大横向加速度、最大轴向加速度、加速度的均方值、最大和最小角速度，每20 s自动存储记录一次最高振动的原始数据；但由于该仪器的采样频率和存储数据相对较少，用于监控井下钻柱工作环境略有欠缺。
4 钻柱振动抑制研究抑制钻柱恶性振动的手段主要有两类：一类是被动抑制，包括底部钻具组合结构优化设计、钻头优选与优化设计和使用井下抑制工具；另一类是主动抑制，包括钻井参数实施优化调整、采用主动控制系统等。
随着油气资源勘探开发转向深层和深海，采用PDC钻头实现硬地层提速的同时也越来越普遍地面临钻头和钻柱的黏滑振动，及其导致的钻头失效、钻柱疲劳损坏及钻进效率低下等问题；因此，抑制黏滑振动得到了广泛的研究。2014年，祝效华等[62]对该领域做出了详细的文献回顾，本文不再赘述。目前，在实钻过程中，扭力冲击器被广泛用于硬地层降低PDC钻头黏滑振动，其在新疆玉北沙井子组高塑性地层[63]、准噶尔石炭系火成岩[64]、四川元坝自流井组致密砂岩地层[65]、海上泥岩与砂岩互层[66]等地的应用效果表明，卡滑指数显著降低、平均机械钻速增加。20世纪90年代，Shell和NOV公司合作开发出软扭矩旋转系统(soft torque rotary system)，通过自适应控制顶驱转速来消除黏滑振动引起的钻柱过量扭转变形；自2009年起，部署应用超过60部钻机[67]。与地面调整不同，Tomax公司研发出直接加装在底部钻具组合上的系列化AST (anti stick-slip tool)抗黏滑振动专利工具，该短节通过适当调整钻压控制钻头对地层的侵入量降低钻柱扭转累积能量，维持扭矩恒定，在北海白垩纪高研磨性硬地层应用后，钻井周期缩短12 d、节约成本15%~20%[68]。采用类似的原理，北京石油机械厂研制出DTS (drilling torque stabilizer)系列随钻恒扭器[69]，在塔河油田12区TH121125井1 204.00~4 845.00 m砂岩、泥岩及砂泥岩互层段成功应用[70]，机械钻速提高20.56%~59.65%，钻井周期缩短21.08%~41.39%，仅使用1只PDC钻头一趟钻完成3 641.00 m试验井段，起出后钻头新度90%，舒善河组扭矩离散系数从45.2%降至11.7%。2015年，Neo Oiltools公司研发出一种新的井下扭矩控制工具NeoTork，通过在工具顶部装盘簧来预设门限钻压和扭矩，一旦井下扭矩超出预设值，盘簧就会带动钢丝绳系统收缩，即可减少钻头的吃入深度，减轻轴向和扭转振动；试验表明，这可使轴向振动降低25%、机械钻速提高40%。
钻柱减震器是目前常用的减弱轴向和横向振动的专用工具，主要分为液压式、机械式和气体减震器[71]。北京石油机械厂研制的液压机械式钻柱减震器采用硅油+碟形弹簧的组合减震介质[72]，能保证低钻压和高钻压时均有较好的减震效果。为了克服常用减震器入井后难以根据井下实际井况自动调整刚度以满足不同震动级别的问题，APS公司利用磁流变液在磁场作用下形态瞬间转变、屈服强度可控、变化可逆等特点研发出主动减振的短节[73]，现场应用得到了较好的效果。
随着定向井、水平井和大位移井的增多，钻井现场对如何用好减震器需求强烈，国内关于减震器合理安放位置的研究也逐渐丰富。将钻柱简化为集中质量和弹簧模型，建立钻柱纵向振动模型，以避开共振频率为目的，张晓东等[74]、何逸飞等[75]、王文龙等[76]探讨了减震效果与减震器安装位置、刚度、钻井参数等的关系；祝效华等[77]则系统分析了减震器对钻具纵向和扭转振动的影响，在确定减震器参数时考虑了振动的相互作用；针对简化的质量弹簧模型难以描述钻柱双重非线性特征和横向、扭转耦合作用的问题，沈子俊等[78]考虑井眼轨迹影响，使用有限元节点迭代对带减振器的整体钻柱动力学特性进行求解，研究减振器刚度和安放位置对减震效果的影响。
作为直接破岩的工具，保证钻头本身的稳定性对于降低地层对钻柱恶性振动的影响具有重要作用。结合井下近钻头高频振动测量数据和地层钻头相互作用的有限元分析模型，明确了PDC钻头的破坏形式[79-81]。利用IDEAS一体化钻头设计平台和锥形PDC齿，Smith公司开发出StingBlade钻头，与常规PDC钻头相比，横向振动降低53%、轴向振动降低37%。随后，中国石油大学和中国石化石油工程技术研究院联合设计出锥型PDC齿，并开展了锥形齿和常规齿的混合型钻头的台架试验[82-83]。为降低定向钻井过程中钻头反扭矩和振动，Ulterra公司采用切削齿成对错排的方式，设计出CounterForce PDC钻头，过去一年中在11个国家使用3 884井次，提速和减振效果显著。但是J. R. Jain等[84]通过对全尺寸试验井中不同类型钻头的振动参数实测，指出业界常用的5种钻头设计理论并不都能实现减振。
由于单项技术的应用难以达到满意的抑制效果，在井下高频数据采集和实时传输技术、钻柱动力学分析技术得到长足进步的基础上，国外油服公司逐渐推出了一体化的解决思路[85]：钻前收集邻井数据并建立底部钻具组合动力学有限元分析模型，确定合理的钻具组合形式和钻井参数区间，评价可能存在的振动类型和级别；实钻过程中实时获取井下和井口的钻井工程参数和振动数据，利用分析软件评价井下工况、预测可能出现的问题、提出对应的解决方案；完钻后收集LWD (logging while drilling)数据、评价钻头使用情况、校核钻前有限元分析模型，从而给出下一口井的钻井参数、钻头类型和底部钻具组合调整方案。
5 结论与建议1) 钻柱动力学理论研究对于钻前设计合理的钻具组合形式、钻井参数区间，实钻中预测井下钻柱的工作行为、制定恶性振动的控制措施等具有重要意义；但是受边界条件、接触假设等简化因素影响，理论研究难以准确刻画钻柱的实际运动状态。虽然通过室内实验修正可以提高精度，但是发展井下振动监测装置是最直观的方法。
2) 国外油服公司以智能钻井为目标，研发出商业化的实时传输和存储式井下振动参数监测系统，配合相应的钻柱动力学分析软件，实现了井下钻柱振动工况的有效识别和参数优化调整，且在实钻中得到了应用；但国内相关领域仅处于样机研发阶段，差距较大。
3) 抑制钻井过程中的恶性振动是实现安全优快钻井的重要保障，目前现场常用的加装减震工具或出现恶性振动后被动调整钻井参数的做法受现场技术人员水平限制而效果参差不齐；建议开展振动抑制的一体化解决技术，即钻前理论分析和合理设计、钻中实时监测与动态调整、钻后整体评价和提出改进方案。
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