在石油钻井中,涡动是造成钻具损坏、井斜、井眼质量差的主要因素之一。很多研究者对钻柱涡动进行了研究,并取得了不少成果,但是还有一些问题没有解决。本文主要以旋转的受压钻柱为研究对象,基于最小耗散功率原理分析钻柱涡动规律。结合两项国家自然科学基金项目的相关工作,本文的主要研究成果如下:调研了钻柱涡动研究现状及发展趋势,分析了钻柱涡动研究存在主要问题。指出钻柱动力学与动力润滑学相结合是钻柱动力学的发展方向。阐释了钻柱力学三原理:钻柱的任何一点、任何时刻,都必须满足油气井杆管柱动力学基本方程;若出现多解,先用最小势能原理判断;若还存在多解,则用最小耗散功率原理判断。建立了滑动摩擦力和钻井液作用力下的钻柱屈曲参数的数学模型。分析了钻柱材料内阻和最小耗散功率原理在钻柱运动状态转换中的作用,初弯曲钻柱的动力特性,以及受到扰动初弯曲钻柱的反向涡动稳定性。依据转子动力学理论,假设两端为稳定器的下部钻具为单盘转子结构,建立了单盘转子的涡动方程,给出了钻柱涡动状态判断条件。推导了基于径向滑动轴承润滑理论的钻柱与流体相互作用力及耗散能计算。针对目前钻柱涡动研究存在的问题,设计并建立了基于最小耗散功率原理,考虑钻井液动力润滑作用的钻柱涡动实验装置,研究钻柱涡动的影响因素。通过实验研究了初弯钻柱动力特性、材料滞后效应对钻柱运动轨迹的影响、井斜角对钻柱反向涡动临界轴向压力的影响、不同流体对钻柱涡动影响、井筒内径对钻柱反向涡动的影响、钻柱屈曲形态对反向涡动的影响,并对最小耗散功率原理进行了实验验证。发现钻井液的动力润滑作用可以减小钻柱正向涡动旋转幅值,并能阻碍反向涡动的形成;提高钻井液的动力润滑性、减小井径、增加井斜角,出现反向涡动的轴向压力增大;钻柱随轴向压力增加可能出现两次反向涡动;钻柱运动状态转换符合最小耗散功率原理。综上所述,在井筒中复杂的受力环境下,钻柱涡动形式多样,涡动状态可以通过钻柱力学三原理判断。钻井液的动力润滑作用力在减小钻柱旋转幅值,阻碍钻柱的反向涡动具有不可忽视的作用。研究基于最小耗散功率原理,考虑钻井液动力润滑作用力、钻柱材料内阻对钻柱受力变形和运动状态转换的判据的影响的钻柱涡动规律,对钻井施工中的井眼轨迹控制、井壁稳定性、钻具设计及损坏预防、提高钻速等方面均有重要理论和实践意义。