深水钻井钻业环境恶劣,工况复杂、恶劣,深水钻井容易发生钻具失效问题,研究深水钻井管具的动力学特性对避免钻具失效至关重要。调研深水钻井钻柱动力学的方法(线性微元法、间隙元法、有限元法、纵横梁弯曲法等),优选研究方法提高准确度。针对国内深水勘探处于起步阶段,本文深入研究深水钻井钻柱横向、纵向、扭转以及相互耦合动力学机理和起因,并完成以下工作内容:求解深水钻井直井段管柱纵向动力学方程,研究了减震器刚度、平台悬挂刚度与固有频率的关系;求解水平段钻柱非线性有限元表达式,考虑了钻压等动态外载荷对固有频率的影响。求解水平段钻柱横振有限元方程,考虑钻井液附加作用力的钻柱固有频率随阶数先下降后上升;钻柱出现公转、自转时,计算发现钻铤与钻杆容易共振,且环空间隙、井眼直径越小,转速越高,横向迫振越剧烈,横向弯曲应力越大;钻柱反转条件下,距离中和点以下的钻具越长,横向共振越剧烈,中和点以上的钻具越短,横向共振越剧烈。扭转共振时,钻具长度越短,扭转振动的固有频率越大;研究了钻柱涡动与井眼直径、涡动角速度、钻具尺寸的关系;粘滑振动的周期一般长于滑动时间,周期随钻柱长度的增加而变长,钻铤的粘滑振动周期一般高于钻杆的粘滑振动周期。建立井下钻柱单元耦合动力学有限元表达式,随着阶数的升高,钻柱固有频率逐渐增大;分析了钻井液、钻柱偏心等因素对固有频率的影响,通过对比线性振动结果,发现非线性振动结果与现场施工结果更接近。通过实验分析发现钻压呈周期性波动,研究了钻柱振动剧烈程度与钻压、转速的关系。求解波动钻压下的有限元动力学方程,数值模拟不同转速、钻压、钻具长度对钻柱耦合振动频率的影响,发现转速越高,钻压越高,钻具长度越短,钻柱越容易失稳。根据深水现场数据,分析了转速、钻压对钻具振动剧烈程度的影响,并展开动态安全评价,优选转速最好在60~110rpm之间,钻压在80~120KN之间,为保证该井深水安全作业,建议转速不要超过110rpm,钻压不要超过120KN,为深水钻井钻具安全钻进提供了可靠性意见。