定向钻井目前已成为油气田勘探开发极为重要的手段,鉴于旋转导向技术的经济和技术因素,定向井大多采用泥浆马达配合随钻测量系统(MWD)实施钻进。滑动钻进过程中由于井下摩阻的作用,钻柱易出现粘滑现象,导致马达失速和钻头损坏。国外研发了一种地面钻柱扭转摆动自动控制技术,可解决滑动钻进“托压”和快速工具面定向等问题。国内已研发出类似的顶驱滑动钻进自动控制技术,但是距离国外还有一定差距。因此,研究并明确地面钻柱扭转过程中井下钻柱的运动状态和载荷传递规律成为目前该技术的主要研究方向。首先,本文建立了水平段钻柱的有限元模型,通过数值模拟研究了不同地面扭转摆动作用下扭摆参数对井底钻压和工具面变化的影响规律。模拟结果表明井底钻压随扭摆角度幅值、扭摆速度的增大而增加,且井底钻压渐趋稳定。工具面随井底钻压波动而变化,一旦钻压突增工具面随后发生逆时针转动。其次,本文基于相似原理,建立了现场工况与室内实验的相似依据,优选并确定了实验钻柱、井筒的材料和几何尺寸,研制出了水平井模拟钻进实验装置,该实验装置由驱动系统、井筒—钻柱模拟系统、数据测量系统和实验控制系统组成,可模拟再现扭摆作用下水平段钻柱滑动钻进的运动状态。最后,通过施加扭摆、改变地面端扭摆角度幅值和扭摆速度,分别进行室内实验研究,对比分析了不同扭摆参数对井底钻压、工具面的影响规律,实验结果表明:模拟滑动钻进过程中,随着地面扭摆角幅值的增大,井底钻压增大的同时钻压波动减小,工具面变化渐趋稳定;随着扭摆速度的增加,井底钻压增加且减少了钻柱轴向粘滑运动。数值模拟结果与实验结果相互验证,有较好的吻合性。本文通过有限元分析及室内试验,系统研究了钻柱扭转摆动对载荷传递的影响规律,为顶驱滑动钻井控制技术的现场应用提供相应的理论支撑。