大庆肇州油田位于大庆长垣以外肇州县境内,根据其储量具有丰度低、储层厚度薄的特点,普遍采用阶梯水平井开采。阶梯水平井是在常规水平井基础上发展起来的一种特殊水平井,其水平段可在垂直剖面上多次升降,穿越不同深度的油层,也可在同一深度的水平面内多次穿越不同方向的油层。为了解决该油田的水平井的轨道设计平滑性差,导致钻井摩阻力增加,和套管下入困难的问题提分两段设计的思想,用非线性数学规划理论对阶梯水平井第一靶点以上轨道建立了轨道设计数学模型。对于阶梯水平段轨道设计考虑了钻具造斜性能,根据钻遇油气层的特性,提出用两段空间曲线型轨迹形式分别对阶梯水平段进行铅垂面内的升降设计、水平面内的绕障碍设计或空间定目标设计建立设计模型,得到的光滑井眼轨道。着重考虑套管与井壁的接触问题,将套管下入时的管柱力学问题,归结为接触和几何非线性问题,建立了整体套管串力学计算的有限元模型,并编制了软件,进行了套管串通过能力评价和套管居中度分析。本文研究成果使阶梯水平井钻井设计更为科学、合理,钻井施工有了理论和技术上的保证,填补了大庆油田阶梯水平井钻井完井技术上的空白。