随着钻井新技术、科学技术的发展和油气勘探开发的不断深入,水平井、分支井等钻井新技术和旋转导向、地质导向等钻井新工艺的研究和应用得到了高度的重视和快速发展。如何科学有效的预测和控制井眼轨迹一直以来都是钻井工程领域的重点和难点。钻柱动力学的研究是整个钻井工程的基石,开展“水平井眼中钻柱动力学特性分析”十分必要。本论文的只要研究方式主要有两种,首先,通过室内模拟实验对水平钻柱的动力学特性有一个直观上的认识。其次,建立水平井眼中钻柱动力学特性分析的数值模型,对模型进行求解,并通过模拟实验的结果对数值分析模型进行优化调整。最后,利用本文建立的数值分析模型与实验模拟相结合,综合分析水平钻柱的动力学特性及钻柱的运动轨迹特性。运用量纲分析法推导了模拟实验的相似准则,在确定相似准则的基础上,按照几何相似比1:10的比例设计并建造了水平井眼中钻柱动力学特性的模拟实验装置。该装置可以实现不同钻进参数下,井底钻压、钻柱转速、钻柱横向振动、以及钻头侧向力的实时测量。在模拟实验装置的基础上,进行了水平井眼中钻柱动力学特性的模拟实验分析。主要研究钻柱横向振动位移、横向振动频率、钻柱中心在井眼中的运动轨迹和井底钻压波动规律的研究,对水平井眼中钻柱的动力学特性有了一个直观的认识。从机械振动的角度,应用转子动力学理论,综合考虑钻柱重力、井底钻压的波动、钻柱与井壁的碰撞摩擦作用和钻井液对钻柱运动特性的影响基础上,采用能量法建立了水平钻柱动力学特性的数值分析模型。利用假设模态法,对钻柱动力学特性的数值模型进行广义坐标离散,并采用Newmark—β法推导了钻柱动力学特性分析模型的差分迭代求解格式。初步数值分析了钻柱的动力学特性,结合实验模拟的结论,验证了数值分析模型的合理性。利用本文建立的水平井眼中钻柱动力学特性数值分析模型,首先,分析了钻压和转速对水平井眼中钻柱动力学特性及钻柱中心在井眼中的运动轨迹的影响规律,得到了水平井眼中钻柱动力学特性和钻柱运动轨迹的普遍规律。其次,综合分析了不同井眼参数,包括井斜角,井壁岩石的弹性模量和井壁岩石对钻柱的摩擦力;不同钻井液参数,主要分析有无钻井液的影响;和钻柱重力等因素对钻柱动力学特性和钻柱中心运动轨迹的影响规律。对水平井眼中钻柱旋转钻井时的动力学特性和钻柱的运动规律得到了充分的认识。实现了室内测量钻头处侧向力,并将钻头侧向力分解为方位力和井斜力。通过模拟实验,分析了水平井旋转钻井时,钻头处侧向力的变化规律。以钻头处侧向力的变化规律为基础,分析了水平井待钻井眼轨迹的变化趋势。