本文在分析钻头-岩石互作用力的基础上,建立了考虑钻头钻柱纵向、横向和扭转相互耦合的系统非线性动力学模型,对具体钻头系统进行了仿真.仿真结果表明,由于钻头的扭转振动,使其顶部的扭矩发生变化,并有一定规律性,相对来说较为平缓,但有时有负扭矩出现.钻头在井底作无规律的横向振动,有可能导致钻头与井壁碰撞.

随着油气田开发的需要，自本世纪５０年代以来，针对油气井杆管柱力学的某些特殊问题已进行了广泛，较深入的研究，但所有的研究工作都是基于某项特殊需要进行的，未形成统一的理论，文中通过对油气井杆管柱进行力学和运动分析，建立了用于对油气井杆管柱进行各各种力学分析的几何方程，运动平衡方程和本构方程，介绍了在油气吉杆管柱的拉和和扭矩计算，下部钻具力学分析，油气井杆管柱的稳定性，有杆泵抽油系统井下工况诊断与预测，

为了了解钻井管柱在井下的真实状况，本文设计了一种用于井下高温、高压环境的随钻井下管柱参数测量系统，解决了井下工作环境恶劣、对元器件要求高、节能等技术难题，并详细介绍了系统组成、主要技术指标、软硬件设计以及TMS320LF2407A数字信号处理器的特点。

针对海浪升沉运动对钻柱和钻压的影响,设计了一种海洋浮式钻井平台主动式钻柱升沉补偿装置,其以电液比例方向阀和变量泵为控制对象,实现了对液压缸活塞运动的实时控制,进而对海浪升沉造成的钻柱运动进行补偿。建立了主动式钻柱升沉补偿装置系统的数学模型,设计、搭建升沉补偿实验台实现了升沉运动和动态负载的实验模拟,并进行了阀控和泵控加阀控的主动升沉补偿实验。结果表明主动阀控方案具有较好的补偿效果,但消耗能量较大;泵控加阀控方案能耗较低,但控制策略要求较高,补偿效果稍差。

对钻柱在井眼内的受力情况进行了分析,得到钻柱在井下的几种屈曲形式。同时对国内外利用能量法推导的垂直井与水平井钻柱屈曲数学模型进行分析对比,分别考虑井眼中在内外流体压力作用下钻柱单位长度重量及钻柱与井壁的摩擦系数,推导出更适用于现场垂直井和水平井钻柱临界屈曲载荷的正弦屈曲临界载荷与螺旋屈曲临界载荷的新数学模型。通过屈曲载荷新数学模型的建立,为现场预测钻柱稳定性提供了可靠的理论依据。