在油气藏开发领域,小井眼钻井技术作为一项重要的开发手段,不仅为生产井、低渗透井提供了一个降低成本的重要优势,还为老井、破损井的再次钻入提供了便利。然而由于小井眼尺寸较常规井要小,钻柱机械性能较差,由井下复杂工况引发的钻柱失效事故日益突出,成为制约油气开采中不可忽视的因素。作为钻柱中最薄弱的环节,钻柱接头要承受复杂的外力作用,在钻进过程中螺纹失效事故时有发生。因此,研究钻柱接头的力学特性,提高接头的承载能力便显得尤为重要。钻柱接头受力复杂,解析法无法准确获得其应力特征;而实验法周期长、成本高,复杂载荷难以加载,可操作性低。目前普遍采用数值模拟方法,考虑到钻柱接头三维模型复杂、分析效率较低,多数研究人员采用二维轴对称模型进行分析,导致其难以施加偏执载荷,极大降低了螺纹分析的可靠性。针对上述问题,基于钻柱接头材料弹塑性本构关系,建立①88.9mm钻柱接头三维数值仿真模型,通过接头胀扣实验验证模型的可靠性和仿真结果的准确性。深入分析连接螺纹在扭矩、轴向拉力以及弯矩作用下的连接强度和密封性能,模拟实际工况中载荷的加载顺序,计算载荷作用下的极限工作扭矩。建立二维轴对称模型、三维轴对称模型及三维实体模型,分析网格密度对计算效率和计算精度的影响,对比不同工况下研究三种模型建模方式相关性,以及讨论其在不同工况中的使用效果。采用二维轴对称模型,分析轴向拉力作用下,钻柱接头结构参数(螺距、锥度、承载角和导向角)对螺纹应力的影响规律,并利用正交优化方法,在不影响钻柱接头抗扭和抗弯性能的前提下,设计一种高抗拉钻柱接头,对比设计前后的两种接头,分析其在不同载荷作用下的力学特性。经实验验证,本研究所建立三维模型满足数值模拟要求。合理的紧扣扭矩能提供较高的连接强度和密封性能,过大的载荷容易导致井口位置和造斜处的连接螺纹出现失效事故。考虑接头服役过程中的随机扰动,井口处的接头在施加工作扭矩时应设定安全加载区域,避免螺纹连接失效。二维、三维模型有限元对比研究发现,三维轴对称模型可以近似替代三维实体模型,而二维轴对称模型在轴向拉力作用下具有较高的精度。通过钻柱接头抗拉正交试验,获得了优化参数组合为:锥度1:10、螺距7牙/inch、承载角20°、导向角14°。与原接头相比,高抗拉钻柱接头在力学性能方面具有较高的提升。