旋转钻井是目前油气工业中最主要的钻井方式,其机械延伸极限的合理预测与控制备受关注。所谓“旋转钻井机械延伸极限”,是指针对特定的旋转钻井系统和井眼约束条件,在钻井系统机械性能上可以安全钻达的最大井深。通过深入分析旋转钻井系统的机械特性,探讨了井下管柱局部与整体力学行为,以及影响机械延伸极限的诸多因素,建立了一套旋转钻井机械延伸极限预测与控制的理论模型,可为旋转钻井优化设计与风险作业控制提供科学依据。以井下局部管柱作为研究对象,在两端轴向力和扭矩的作用下,并考虑边界条件及井筒径向约束的影响,综合采用梁柱方程、屈曲微分方程及能量法,深入探讨了任意三维井眼约束管柱的屈曲及后屈曲力学行为、边界条件分类新标准及其对管柱屈曲行为的影响,井下管柱接触-屈曲状态的相图及接头效应。为了克服井下管柱整体受力模型中部分假设条件的限制,通过引入局部力学模型的结果,建立了修正后的井下管柱整体受力模型。针对常规的二维井眼和任意三维井眼,分别给出了管柱上提和下入作业中的整体受力模型解析表达式和数值计算方法。基于井下管柱整体受力模型,进一步考虑地面和井下诸多约束因素的影响,并结合各种钻井作业工况,建立了旋转钻井机械延伸极限的定量预测模型,可预测管柱滑动或旋转上提/下放极限和套管磨损极限。针对各种井眼类型绘制了钻井机械延伸极限的预测图版,分析了其影响因素和对应工况,从理论角度解释了全球旋转钻井延伸极限包络线的统计结果。以扩大钻井机械延伸极限为宗旨,提出了相应的钻井优化设计原则和方法,主要包括井眼轨道、井下钻具组合及减阻工具的优化设计准则,可望补充常规钻井工程设计存在的不足。