水平井钻进技术在煤层气开发及瓦斯探测等方面优势明显,在当前煤炭开采领域得到迅速的发展应用。在水平井钻进过程中,钻柱与井壁的多向摩擦碰撞更为复杂,致使钻柱失效现象更易发生。目前,钻柱振动对水平井钻柱失效的作用机理尚不明晰,尤其是发生卡钻等井下事故时,推进力、起拔力、扭矩等预应力作用下的钻柱模态特性,以及钻进至不同深度时,钻柱系统振动特性的变化规律还有待厘清。基于此,论文以水平井钻柱系统为研究对象,分析钻柱结构参数和工况参数对钻柱系统模态特性的影响规律,探讨不同钻进参数下钻柱系统的瞬态动力学特性,并采用扭转冲击法对钻柱系统动力学特性进行优化。论文主要研究内容如下:(1)在对水平井钻柱系统进行合理简化的基础上,考虑外载荷及井壁约束对钻柱的综合作用,运用子结构法,构建岩石-钻头子结构和钻柱-井壁子结构,采用随机碰撞理论和动力间隙元法描述子结构内部的相互作用;通过界面协调条件,将子结构整合成完整的水平井钻柱系统动力学模型;(2)考虑水平井井壁对钻柱的支撑约束作用,分析钻柱长度、截面形状、钻柱壁厚等结构参数,以及发生卡钻等井下事故时,钻柱体内积聚的推进力、起拔力、扭矩等预应力对钻柱系统模态特性的影响规律,有助于选取钻柱结构参数和规避共振现象;(3)采用有限元法,对钻进过程中的钻柱系统进行瞬态动力学仿真,研究钻进深度、输入钻压、钻柱转速等钻进参数对钻柱系统纵向、横向及扭转方向振动特性的影响规律,为水平井钻进过程的工艺参数优化提供依据;(4)基于水平井钻柱系统动力学特性的分析结果,采用扭转冲击法对钻柱系统进行动力学特性优化,改善钻柱纵向、横向及扭转方向振动特性,提升钻具疲劳寿命和钻进速度。综上,本文研究对水平井钻柱系统钻进过程中的动态特性分析与优化、钻进工艺参数匹配、避免有害振动、提高钻具使用寿命等具有一定的指导作用。