本文首先分析、研究了新型碳纤维抽油杆杆柱系统的组成、研究现状及特点，而后结合斜井井眼轨迹在空间上的变化特点，分析斜井井下抽油杆柱的动态受力和变形，建立了描述斜井井下碳纤维抽油杆杆柱系统动力学行为的非线性二阶偏微分方程，并据此分别提出新型碳纤维抽油杆杆柱系统优化设计与故障诊断数学模型。 在优化设计方面，首先选择适合的抽油机、抽油杆和抽油泵类型，确定其基本工作参数。在此基础上，以泵超行程百分比为优化设计目标，根据系统优化设计数学模型，结合采油系统的定解条件，采用有限差分法，对数学模型中的核心问题——波动方程进行求解，从而得到各级杆柱的长度、截面尺寸，并预测出系统的地面和泵示功图。 在故障诊断方面，首先根据所建立的数学模型，结合实际工况对应的定解条件，将采集到的地面功图转为井下泵功图。运用模式识别技术，提取泵功图的灰度统计特征参数，利用距离类分类器或费歇分类器，根据所建立的样本库，判别故障类型。 最后本文在理论研究的基础上，用Ⅶ语言开发了新型碳纤维抽油杆杆柱系统优化设计软件。通过软件计算表明：本文建立的新型碳纤维抽油杆杆柱系统优化设计与故障诊断数学模型是正确的，其研究成果能够成功应用在油田开发中。