水下井口头系统是将海底地层中的石油引至生产平台的枢纽,其下端连接导管和各种规格的套管,上端作为防喷器组、水下采油树等设备的支撑,是整个水下石油钻采设备的关键组成部分。研制开发出适用于我国深水海域的、拥有自主知识产权的深水井口头系统具有重要的战略意义。本论文以18-3/4”-10000PSI水下井口头系统为研究对象,在深入剖析国外典型井口头系统结构的基础上,以参数化设计方法完成了18-3/4”-10000PSI水下井口头系统的结构设计。高压井口头是整个水下井口头系统的主要承载部件,工况复杂,受载恶劣。本论文首先针对钻完井之后的高压井口头进行了相关的力学分析,借助有限元分析软件ANSYS对设计完成的高压井口头进行了静力学分析,并对其局部结构进行了优化;然后对特殊工况下(如钻井船拖拽时)的水下井口头进行了抗弯能力分析。结果表明,设计的水下井口头结构合理,满足强刚度设计要求。整个水下井口头系统在外力的作用下会由于倾斜角度过大而引起整个井口的失稳,本论文系统地针对水下井口头的受力特点,从静态和动态两个方面对其进行了相关的稳定性分析,并建立了其在动载下的失效准则。环形密封总成ASA(Annulus Seal Assembly)作为水下井口头系统的关键部件之一,其密封性能的优劣和工作的可靠性直接影响并决定了整个海洋石油开采系统的安全性和可靠性。针对环形密封总成的典型形式——金属对金属密封进行了深入细致的研究。应用弹塑性接触分析基本理论并借助有限元分析软件ANSYS对特殊构型的金属密封环的密封性能进行了数值模拟仿真实验。探讨了密封性能随特定材料的弹性模量的变化关系,特定材料的材料性能参数的变化对密封性能的影响关系等等,并对密封构型进行了结构优化。最后,提出了遇水可膨胀式金属对金属密封的设计理念,以指导下一步新型密封总成的研发。