随着我国浅层油气资源勘探开发程度越来越高,深层油气已成为目前和未来我国油气资源战略接替的重要领域。针对深层油气的开发,超深井所占的比重越来越大。但是,随着超深井钻井数量增多,钻柱失效事故频率提高,钻井成本快速上升,使得许多专家和技术人员已经开始认识到我国超深井钻井技术还存在许多复杂科学问题和关键技术难题需要攻关。目前,国内在这方面的理论研究与国外相比相对落后,工程应用方面的差距更为明显。因此,开展与工程实际相结合的超深井钻柱动力学研究十分必要。通过超深井钻柱动力学特性分析,能够更好地了解钻柱在井筒中的工作状态,揭示钻具失效的机理,降低钻柱失效风险,提高钻井效益。钻柱动力学特性研究已经长达数十年,取得了非常丰硕的研究成果,并且许多成果已经用于钻井生产实践,但是仍然存在一些问题。如现有钻柱轴向振动、横向振动和扭转振动分析模型虽然已经考虑了相互之间的耦合,但激励模型没有完全统一,造成钻柱扭转振动和涡动特征的模拟必须采用不同的激励模型;通过瑞利阻尼模型模拟钻井液对钻柱振动的影响只考虑了钻井液粘性,对于钻柱内部和环空钻井液随钻柱一同运动的影响无法考虑;目前针对钻柱的疲劳失效的评价仅局限于静力学范畴,没有考虑到钻柱振动时导致的应力增加以及振动频率对钻柱疲劳的影响。本文以减少钻柱失效事故、提高钻井效益为目标,通过对超深井钻柱动力学特性进行分析,了解掌握超深井钻柱的运动特征和应力状态,对超深井钻柱的动态安全性进行评估。具体工作和成果包括以下几点:1)在重点考虑钻柱轴向、横向和扭转振动的耦合,以及钻井液与钻柱的相互作用的基础上,给出了钻柱动力学模型,并使用整体刚度矩阵法、节点迭代法和Newmark法对模型进行了求解。2)结合钻头-地层相互作用特点,提出了综合考虑钻柱粘滑-涡动特征统一激励模型,很好地反映了引起钻柱粘滑和涡动的激励机制,实现了两种振动形式的相互转换。3)开发了超深井钻柱动力学特性仿真软件UDCSP,并与理论算例和现场实测数据进行了对比,结果表明本文的理论和方法正确可靠。4)通过UDCSP软件,结合现场测量数据反演了钻头激励统一模型中的地层影响参数,发现钻进泥岩含量较多的地层时,钻柱较易发生粘滑振动,地层影响系数取高值;钻进砂岩含量较高的地层时,钻柱较易发生涡动,地层影响系数取低值。5)在对钻柱粘滑振动特性进行模拟后发现,越靠近钻头,钻柱的粘滑振动越明显;地面转速和钻压对粘滑振动的井下转速幅值影响较大,井深对粘滑运动的周期影响最为显著。6)结合UDCSP软件计算得到的动态应力,利用动态安全系数法对不同钻柱结构的动态安全性进行了评价,给出了对应的施工参数优选图版。7)提出了疲频系数方法,用以对钻柱疲劳失效进行快速评价。X井钻柱疲劳失效风险的评估结果表明,疲频系数法可以更为准确地评价钻柱的疲劳失效风险。