在深井、超深井、深水钻井等复杂钻井作业中，复杂的地质环境和工作条件使得钻柱的连接完整性和密封完整性面临巨大挑战。作为整个钻柱中最薄弱的环节，钻具接头需要承受很大的拉伸/压缩、弯曲、扭转、内压、外压等载荷的复合作用，在钻进过程中失效事故时有发生，造成巨大的经济损失。提高钻具接头的使用性能和根据钻具接头承载能力选择合适的钻井参数是保障钻井作业安全的关键。由于钻具接头受力特征复杂，解析法无法求解复杂载荷作用下钻具接头的真实受力情况。全尺寸实物实验虽然能直观、可靠的评估钻具接头的性能，但是实验费用昂贵，实验周期长，而且由于设备所限，复杂载荷很难施加。数值模拟方法是分析钻具接头受力的有力工具，然而目前普遍采用的二维轴对称分析由于其忽略了螺纹牙的螺旋升角，难以反映复杂载荷作用下钻具接头的三维应力特征。本文在深入研究三维弹塑性有限元分析方法内在机制的基础上，充分考虑接头的几何非线性、接触非线性和材料非线性，实现了复杂载荷作用下钻具接头的三维应力特征分析，同时讨论了影响钻具接头计算的关键参数，深入分析了复杂载荷作用下单台肩钻具接头、双台肩钻具接头的受力特征，得出了一些重要结论，并优化得到具有更高性能表现的特殊螺纹钻具接头，同时给出了适用于钻井现场安全施工的钻具接头极限工作扭矩图版。本文的主要研究成果如下：1）在深入研究钻具接头三维非线性有限元分析方法的基础上，对影响计算精度、计算效率的关键参数进行探讨，探索形成了钻具接头在拉/压、弯、扭等复杂载荷作用下的三维力学特性分析方法。结果表明，螺纹牙的螺旋升角对钻具接头的受力特征有重要的影响，研究复杂载荷条件下钻具接头的受力特征必须采用三维分析方法。2）深入分析了单台肩钻具接头、双台肩钻具接头在复杂载荷作用下的受力特征，揭示了双台肩钻具接头的工作机制。结果表明，副台肩结构改善了钻具接头的受力，双台肩钻具接头具有更加均匀的应力分布，更高的抗扭性能，因此能适应更苛刻井况。3）几种典型工况条件下双台肩钻具接头各啮合面上的接触压力分布规律表明，超深直井工况（轴向力较大）下钻具接头丝扣有较高的粘扣失效风险，而大位移水平井工况（工作扭矩较大）下副台肩处有较高的粘扣失效风险，这与现场反映的情况相吻合。4）针对日益突出的钻具接头应力腐蚀问题，研究并确定了超深井钻井中基于密封性能要求的钻柱极限提升力。如果轴向拉伸载荷超过了该极限值，起钻时应卸扣并对螺纹牙进行适当的清理、检查，以降低钻具接头发生应力腐蚀的风险。5）根据轴向力、弯矩、扭矩等复杂载荷作用下钻具接头的受力特点，对螺纹牙型角、镗孔深度、副台肩间隙等影响钻具接头应力分布特征的几个关键参数进行了分析，通过参数优化得到具有更高性能表现的SH双台肩钻具接头。6）API标准中虽然提供了极限载荷预测模型，但是由于基于很多假设性条件，不能反映复杂载荷条件下钻具接头的受力特征，特别是超深井工况。本文基于钻具接头三维有限元分析方法，探索形成了复杂载荷条件下钻具接头极限工作扭矩计算方法，并得到了现场操作数据的验证。同时，针对某油田深井、超深井钻井中最常使用的三种钻具接头，计算得到可用于确定相应钻具接头极限工作扭矩的操作图版。