随着国内高品质常规油气资源储量的不断减少,我国油气勘探与开发正逐步向超深、深水以及页岩油、页岩气、煤层气、天然气水合物等非常规油气资源领域发展。采用长水平段的水平井进行油气资源的开采,可提高油气藏的开发效果,在页岩油和页岩气等油气资源的勘探与开发中得到越来越广泛的应用。然而,在大位移井及水平井钻井过程中,岩屑容易在环空的低边沉积,形成岩屑床,从而造成井眼清洁问题。因此,开展岩屑运移相关理论研究,可为水平井安全高效开采提供理论依据和工程应用指导。近年来,人们在岩屑运移规律的指导下,通过调整钻井参数或水力参数来提高井眼清洁效果的方法的基础上,在工程实践中创新性地提出了利用井眼清洁工具来提高井眼清洁效果的方法。开展岩屑在井眼清洁工具作用下运移规律的研究,对评价该技术的井眼清洁效果并指导其在工程中的有效应用都有着深远的影响。本论文围绕水平井钻井过程中岩屑运移这一核心理论问题,以岩屑运移力学模型为基础,采用理论分析、实验研究和数值模拟等研究方法,以“沉降阻力系数模型构建→轴向起动力学模型理论架构→周向起动力学模型构建→颗粒临界起动旋流强度概念提出→井眼清洁工具清洁效果评价”为研究主线,开展了水平井岩屑运移力学模型及井眼清洁效果评价研究,提出了一套切实可行的岩屑运移力学分析模型。本论文的主要研究内容如下:（1）建立了颗粒沉降阻力系数的预测模型。采用实验手段,获得了172组球形颗粒和522组不规则形状砂粒在牛顿/非牛顿流体中自由沉降的沉降速度。针对具有不同流变模型的流体（牛顿流体、幂律流体和赫巴流体）,分别建立了基于Haider&Levenspiel五参数方程的阻力系数预测模型,并与现有的球形颗粒沉降阻力系数模型进行了对比,验证了所提出模型的有效性。通过引入形状描述参数（圆形度）,建立不规则形状砂粒的阻力系数预测模型,为后续构建岩屑运移力学模型以及评价井眼清洁工具有效作用距离奠定了理论基础。（2）完善了颗粒轴向起动的力学平衡关系,建立了颗粒轴向起动力学模型。针对滑动运移,滚动运移和举升运移这三种岩屑床面颗粒的起动模式,分析了颗粒在轴向起动状态下的力学平衡关系,引入Manning公式,根据井眼的几何信息、偏心度等参数计算岩屑床高度。通过参数分析,针对具有不同流变模型的钻井液（牛顿流体、幂律流体和赫巴流体）,分析了环空流态（层流和湍流）、井斜角、颗粒粒径、颗粒密度、钻井液密度、环空返速、流变参数、偏心度和井眼尺寸等因素对岩屑床面颗粒起动速度和岩屑床高度的影响。通过室内流动环路进行岩屑运移实验,观察岩屑沉积和岩屑床上方颗粒的运移行为,并对所提出模型的预测结果进行验证。（3）探索了颗粒周向起动的力学平衡关系,并建立了颗粒周向起动的力学模型。分析了颗粒在周向临界起动状态下的力学平衡关系,实现了颗粒周向起动力学模型的建立和颗粒周向起动速度的求解。将钻杆旋转施加给钻井液的周向剪切力简化为理想的Taylor–Couette流动,从而获得钻井液沿径向的周向流速分布规律,进而提出一种适用于层流条件,钻杆旋转作用下的井眼清洁效果定量评价模型,并用该模型预测不同井斜角、岩屑粒径、流变参数、偏心度、岩屑床初始高度和钻杆旋转速度下的井眼清洁效果,并通过室内实验验证了模型预测结果。针对钻杆旋转作用下的岩屑运移行为,采用CFDDEM耦合方法对岩屑运移进行了数值模拟研究,得到了钻杆旋转作用下岩屑运移过程中的部分流动细节。（4）提出了颗粒临界起动旋流强度这一表征参数,并建立了一种评价井眼清洁工具清洁效果的新方法。总结了现有的井眼清洁工具的类型及其特点,并将其分为直叶片和V型叶片式井眼清洁工具。采用CFD方法对叶片诱导螺旋流的衰减行为进行了数值模拟研究,得到不同转速、螺旋角和流变参数下,叶片诱导螺旋流的旋流强度沿流向的衰减行为。建立了颗粒临界起动旋流强度计算模型,用于计算工具诱导的衰减螺旋流的持续距离,并结合颗粒再沉降时间,对井眼清洁工具的有效作用距离进行了评价。通过3D打印技术打印叶片实体,并进行室内实验,观察颗粒在井眼清洁工具作用后的运移规律,并评价其有效作用距离。