本文以整体钻柱为研究对象,考虑了钻柱结构与井壁的间隙和接触状态、井眼曲率等因素的影响,建立了整体钻柱非线性力学模型,它能够较为准确地描述钻柱的受力变形状态。同时,针对钻柱与井壁在不同井深和不同井眼圆周方向上的随机接触摩擦,应用“多向接触摩擦间隙元”和空间梁单元对钻柱非线性力学问题进行了有限元分析。根据整体钻柱力学分析的结果,结合钻具材料和钻具结构特性,确定钻具的有限疲劳寿命,建立了转盘极限转速的计算方法;研究钻柱非线性有限元迭代方法,提出了“结点位移耦合”的方法,对非线性有限元迭代加速收敛问题进行了有益的探索;考虑水平井动力钻具的造斜能力,以阶梯水平段起始点和终止点的井斜角、方位角为控制量,以垂深和闭合距为约束条件,建立了水平井阶梯水平段三维轨道设计的数学模型和计算方法。应用Delphi 软件编制了“阶梯水平井钻柱力学分析与轨道设计”软件,通过整体钻柱力学分析,可进行摩阻分析、钻柱本体强度分析,评估钻柱的通过能力;可计算转盘最大转速,直接指导钻井作业;可通过不同的钻具组合,设计出二段空间曲线,满足阶梯水平段的升降、绕障碍或空间定目标的要求。通过大庆油田八口阶梯水平井设计计算的结果表明,所设计的轨道闭合距短、钻井成本低,可评估用户所选钻具组合的钻柱通过能力,验证了所建立的模型和理论方法的正确性和可靠性。该软件为科学设计钻柱结构、计算转盘极限转速、设计阶梯水平段轨道,提供了一种实用的技术手段。