起下钻时钻柱振动是非常复杂的动力学问题,钻柱振动不仅会影响钻柱的寿命,而且还会严重影响无线随钻测量MWD和无线随钻测井LWD时钻井液泥浆的脉冲信号,产生信号噪声。该噪声会使模拟信号失真,使数字信号产生误差,并导致信道的传输能力发生变化,最终限制信息的传输速率。因此,分析起下钻时钻柱的振动情况,特别是起下钻时的井口钻柱载荷变化、波动压力大小、反压差存在以及钻柱固有频率特性等因素,一方面可以为有效减小起下钻时钻柱振动,减少噪声产生,增强钻井液泥浆脉冲信号的传输精确度和传输速率等提供理论基础;另一方面可以为预测井下工况、分析钻井事故以及开发井眼轨道三维可视化软件等提供必要的前提和基础,为新的钻井技术和工艺提供必要的理论支撑和技术手段。本课题来源于中国石油天然气股份有限公司钻井工程技术研究院项目“井下控制工程基础理论与旋转导向中的声波传输技术研究”子课题项目“井下多体系统动力学研究”(项目号2008C-2100),本文着重研究并下多体系统动力学中的起下钻时钻柱振动分析及井眼轨道设计软件开发应用。　　 论文首先阐述了钻柱振动的整体状况,分别对钻柱的纵振、扭振、横振进行了理论研究,分析了三种振动形式的产生原因、典型力学模型及数学模型的建立与求解。推导了三种振动形式下钻柱固有频率的计算公式及共振的临界转速,得出了钻柱共振的规律。　　 其次,在充分考虑钻柱内外钻井液情况下,着重探讨了起下钻液固耦合作用下钻柱的力学特性。分析了钻柱在起下钻过程及悬空状态下的受力状况,对起下钻时钻柱的结构动力学及波动压力进行了研究,建立了起下钻钻柱动态波动压力的微分方程;对钻柱起下钻过程中钻井液的动力学特性进行了分析,分别给出了钻井液流体在不同情况下的运动方程;推导了基于幂律流体下钻柱在不同状态的许用起下钻速度,给出了起下钻过程中的总体要求:建立了起下钻时钻柱的纵向振动方程和频率方程,并对三种不同振动形式进行了模态分析,分别探讨了相关参数对钻柱固有频率的影响规律。　　 最后,在以上钻柱振动理论研究基础之上,特别是对起下钻时钻柱振动深入研究基础上,以钻井目标实现为基本前提,以井眼几何学为理论基础,以计算机软件MATLAB为应用手段,以井眼轨道控制技术为制约条件,开发编制了一款井眼轨道设计的三维可视化软件,并应用现场钻井数据进行了模拟运算,达到了预期效果。