钻柱力学作为石油钻井工程中的一个重要研究内容,为钻柱在井下的受力、钻进方向控制、屈曲失稳以及振动损坏等问题提供理论研究基础。众多学者都投身到这项研究工作中并取得了很多成绩,他们从不同的井底工况对钻柱进行数学抽象并采用不同的计算方法来计算钻柱受力状态,形成了现在的一些典型的钻柱力学模型和钻柱力学的求解方法。这些模型和方法很好的解决了一些钻井工程上的一些问题,但是各自都存在一定的局限性,很少力学模型可以应用于全井眼三维钻柱力学的计算中。然而分析出钻柱钻进时所受的摩擦阻力不仅仅是某个部位受阻而引起的,而是整个钻柱的受力分析,本文基于前人的研究基础上,从静力学的角度,提出一套快速有效计算全井眼中三维钻柱的受力分析方法。接触力一直是钻柱力学分析中的难题,因为在三维井眼中,首先在井眼轴向上不能预先知晓钻柱于井壁的接触分布,再者在井眼截面方向也不能事先判断出接触发生井壁圆周的确切角度。由于状态的不确定就无法通过公式去准确计算出接触力及其他作用力。传统的处理方法都是基于软柱的弯曲理论,根据轴向力是否超过屈曲临界力来判断钻柱会呈现正弦屈曲或是螺旋屈曲,并假设接触上的地方会保持持续接触,以此确定接触形态来计算接触力。随着学者的继续研究并发现,基于软柱模型的分析结果与实际存在较大的偏差,从而提出刚柱模型。并且接触地方的假设也不再是连续接触,对此本文做了相应的类比实验进行验证。本文在接触力的计算上沿用了前人的柔度矩阵的思路:通过钻柱的形变位移反算出与井壁发生接触的作用力。而柔度系数矩阵则是利用基本的力学方程——钻柱的平衡微分方程和弹性微分方程,建立有限差分模型来进行计算。基于位移可以反算力的柔度矩阵方程,引入了粒子群优化算法,根据确定的接触分布直接随机初始化一些接触角度位置,一旦接触位置确定也就是钻柱的整个状态确定,由此形变位移变为已知,接触力也就可以由柔度方程计算出来。只是此时计算出来的接触力好坏需要根据理论和实际进行判断,而粒子群算法就是保证每次搜索出的接触位置尽量符合实际中的要求。虽然粒子群优化算法大大简化了接触角度位置的求解,但仍没有解决接触分布的预确定问题。所以本文提出了一种“松弛搜索算法”,通过逐步放松接触点来较快的搜索全部可能接触集合。由于这种算法的时间复杂度与钻柱节点总数的平方成正比,所以在长距离的计算上会比较耗时。本文根据粒子群算法可并行的特点加入了图像处理器(GPU)的并行计算,在大型数据量的计算中,其速度上远远超过CPU的并行计算,使得本文的计算方法应用于全井眼三维钻柱受力计算中变为可能。在本文的类比实验和算法研究分析中,本文得出如下结论:1)传统的软柱模型以及部分学者所采用的刚柱模型中对钻柱与井壁之间的接触假设为连续接触存在一定问题,经过实验现象证明井下钻柱于井壁之间并非呈现连续接触,而是点接触。且带有残余弯曲的管柱会加大钻柱钻进时的摩擦阻力,经过实验分析表明按照实际工况中的尺寸计算出增加后的摩阻是直接由重力估算出的摩阻的2.3倍左右;2)相对于FMDS算法来说,本文优化了柔度矩阵的布局安排,简化程序逻辑实现的同时,加快了算法对柔度矩阵的处理,从而整体加快计算速度;3)本文直接通过粒子群优化算法搜索可能的接触位置,优化了ABIS算法和FMDS算法中的迭代过程,将柔度矩阵的思想得到最大程度的利用;4)文中结合粒子群算法提出的松弛搜索算法可全局搜索钻柱在井眼中的所有可能状态解,并引入GPU并行计算考虑,加速全井眼三维钻柱状态的计算效率。