为保护储集层、降低钻井成本，气体钻井技术正被国内外石油界逐步认识和积极推广。随着钻井技术的发展，气体钻井技术与大位移井、水平井钻井技术相结合也成为钻井技术发展的一个重要方向。 然而在气体钻井时，气体密度低、滑润性差，因此钻柱的浮重及钻柱与井壁间摩擦系数都大于泥浆钻井，这不仅使气体钻井钻柱摩阻增加，而且使钻柱在转动过程中所受到的切向摩擦力增加，引起钻柱沿井壁偏转变形增加，进一步影响钻柱摩阻。特别是下部钻具的沿井壁偏转变形量增加加剧了井眼轨迹走向改变。同时，由于气柱压力低，钻遇含水地层时，地层水进入井眼，造成泥岩水化，引起井壁坍塌，导致下部钻具变形加剧，使气体钻井较泥浆钻井更容易发生井眼偏离设计轨迹。本文在前人的研究基础上，以钻柱力学分析为基础，对气体钻井钻柱摩阻及气体钻井井眼轨影响进行了深入研究。 首先，本文建立了考虑钻杆接头的三维钻柱力学模型，讨论了各个钻井参数对钻柱的接触力(大小和方向)、摩擦阻力及摩擦扭矩的影响，并对弯曲井段接头间管体与井壁是否接触进行了判断和分析。其次，为提高钻柱摩阻预测精度，本文引入考虑接头钻柱屈曲力学模型，分析了水平井段及弯曲井段钻柱受压屈曲时，钻柱接头上接触力变化及对钻柱摩阻影响。然后，针对气体钻井时钻柱所受到的切向摩擦力大，本文分别建立了斜直井、二维弯曲井及三维弯曲井中受压转动钻柱的瞬态力学模型，推导了转动钻柱变形微分方程，用数值方法求解此四阶微分方程，并系统地分析了钻井参数及井眼结构参数等因素对变形、接触力、摩擦扭矩的影响。随后，以白浅111H水平井为例对气体钻水平井段摩擦阻力进行了预测，其预测结果与实测相对误差小于5％，并针对上部井段存在螺旋弯曲的青西油田窿9井，分别对泥浆和气体钻井进行了钻柱摩阻预测，解释该井气体钻井产生扭矩过大的原因，并提出了减扭接头布置方案。最后，为分析气体钻井井眼更易偏移原设计轨迹，本文提出了井眼轨迹预测新方法，该方法考虑了切向摩擦力引起下部钻具组合沿井壁偏转变形，并将该方法用于阐述气体钻井井壁坍塌引起井眼轨迹走向改变。 在对以上内容的深入分析过程中，本文针对气体钻井的特点，如下方面对钻柱力学做了创新型性研究：①，在钻柱摩阻预测模型中考虑了钻杆接头的影响，包括管体与井壁是否接触的判断及分析，钻杆接头接触力大小及方向，考虑接头钻柱屈曲对变形、接触力及摩阻的影响，这些分析都提高了钻柱摩阻预测准确性；②，推导出了斜直井、二维弯曲井及三维弯曲井中钻柱受压转动瞬态力学方程，为钻柱力学分析中考虑切向摩擦力提供了有效方法，也为钻柱力学发展起到了积极的推动作用；③，将空间解析几何中的仿射坐标系引入三维钻柱力学分析，为建立钻柱力学方程及力学分析提供了新的研究方法；④，提出考虑切向摩擦力对下部钻具组合变形及钻头受力的新方法，并应用于井壁坍塌对井眼轨迹影响，为气体钻井井眼轨迹控制提供了理论依据。 本文在中国石油天然气集团公司应用基础研究计划项目“气体钻井技术相关基础研究”(合同号：03A20204)，和油气藏地质及开发工程国家重点实验开放基金项目“气体钻井井斜的岩性影响研究’’(编号：PLN0412)资助下完成。