石油钻井过程中,钻柱产生纵振、横振、扭振及耦合振动,这常使得钻具内力和钻压产生较大范围波动,不仅降低了钻井速度,还引起钻具的磨损和疲劳破坏甚至钻柱的断裂。钻柱振动分析及振动监测装置的研制对预防和减少钻柱损坏具有重要意义。本文根据钻柱纵振、横振、扭振的典型模型及振动方程,建立用纵振加速度、横振加速度及扭振加速度来描述钻柱振动状态的方法。选取整体旋转钻柱为研究对象,充分考虑钻压、扭矩及钻柱与井壁的碰撞接触的影响,建立钻柱耦合振动动力学模型。在该动力学模型基础上,用有限元法对钻柱进行非线性瞬态动力学分析,采用间隙元法模拟旋转钻柱与井壁的接触碰撞,从而建立钻柱振动分析的非线性动力学的有限元法。结合钻柱工作环境,设计钻柱振动监测装置。该装置主要分为测试、控制、执行三大单元,具有振动测试、智能识判、报警控制三大功能。并对装置主阀阀头的尺寸进行了设计计算,得到当阀头外径为30mm,阀头内径为12mm时,装置触发后能产生3.94MPa的压差,保证了泥浆压力信号的可用性与有效性。根据刚体运动学原理,推导钻柱实体单元截面六个加速度分量与描述钻柱振动的三向加速度之间的数学关系,确定振动监测装置加速度传感器的相对空间位置。通过对实体单元和梁单元钻柱振动动力学模型的分析,不仅验证加速度传感器空间位置的正确性,还得到不同工况下钻柱振动监测装置上加速度传感器的数量:在钻柱只有纵振和只有扭振工况下,一个加速度传感器就能满足测量要求;在钻柱横振时,可以通过两个加速度传感器进行测量;在钻柱耦振时,需要六个加速度传感器才可以测得钻柱全部的加速度信号。在钻柱振动疲劳失效理论基础上,以中和点下部钻具为研究对象,对钻柱振动动力学模型进行疲劳失效分析。得到在保证钻具安全的前提下,不同工况下的钻柱振动监测装置的安放位置:在钻压分别为9t、12t、15t、18t工况下,钻柱振动监测装置应安放在距钻头50m、23m、34m、50m处,并对在这些位置上的钻柱振动安全加速度值域做出规定。安放位置及门槛值的设定对钻柱振动监测装置的工程应具有借鉴、指导意义。本文研究成果对钻柱振动失效的防治以及井下振动测试工具的研究具有很大的推动作用。钻柱振动监测装置在油田井下钻柱振动实时监测上具有广阔的应用前景。