随钻扩眼钻井工艺是一种用于井身结构优化、提高固井质量、提高钻井效率、降低作业成本等方面的应用技术,但由于对随钻扩眼工具的结构、钻具组合设计、阶梯井眼岩石特性等方面认识的不足,限制了该工艺的应用和推广。从目前钻井技术发展状况来说,即便是使随钻扩眼钻进的效率和每米钻井成本达到目前常规钻进的水平,该项技术也可为钻井工程带来重大的效益和进步。因此,进行随钻扩眼工具结构及与之匹配的钻具组合设计方法研究,具有很高的应用价值和实际意义。首先从随钻扩眼工具力学模型出发,应用有限元方法,计算出扩眼工具的受力和变形情况,作为其底部钻具组合模型建立的依据。应用弹性力学基本原理,得出了双体随钻扩眼工具可以作为刚体,其领眼钻头与扩眼体之间临界长度的计算表达式。根据纵横弯曲梁理论,得到了适合于随钻扩眼工具底部钻具组合的力学参数求解方法,结合钻头与地层各向异性理论,建立了底部钻具组合参数设计及优化方法。其次,为解决随钻扩眼钻进时领眼和扩眼井底钻压分配比的计算问题,根据弹性力学原理及岩石力学理论,通过对阶梯形井底岩石力学特性的分析,提出了“阶梯效应指数”的概念,并根据岩石破坏的应变能密度准则推导出了“阶梯效应指数”的计算表达式,得出了用阶梯效应指数与扩眼工具结构参数为变量表示的阶梯井底钻压分配比计算方法。结果表明随钻扩眼形成的阶梯式井底岩石要比领眼井底岩石接近屈服状态,实际钻压分配比小于几何结构定义的钻压分配比。采用理论和实验相结合的方法对随钻扩眼工具动力学问题进行了研究。根据结构动力学原理,建立了随钻扩眼工具底部钻柱弯曲振动以及纵向振动的动力学模型和解法,研究表明,偏心钻头型扩眼工具使得钻柱弯曲振动最大位移增加,领眼井底与阶梯井眼的双激励纵向振动形成叠加,产生较大的振动位移。钻柱结构一定时,钻柱上存在稳定的纵向振动位移为零的点,可以作为扩眼器安放的参考位置。模拟实验研究表明,实际钻压分配比小于按照几何结构定义的钻压分配比,偏心扩眼钻头组合对应的最大横向位移及纵向振动位移大于常规钻头钻具组合,与理论方法结果一致。最后,根据钟摆防斜和偏心防斜原理,对多种类型的钻具组合进行了研究,得到了不同参数对底部钻具组合防斜特性的影响规律,为钻具组合参数设计的合理性进行评价以及操作参数优选提供了依据。