随着石油资源钻探难度的不断加大，有效地预测和控制井下钻头和钻柱动力学性能和运动规律，以提高钻头和钻柱的强度，实现对井眼轨迹的精确控制是目前钻井工程中的拟解决的关键技术难题。根据牙轮钻头的实际振动状态，分析了钻头产生各种振动的机理，讨论了钻头～岩石互作用力，用能量法建立了考虑牙轮钻头纵向、横向、扭转三个方向振动相互耦合的系统动力学模型，并结合实例对牙轮钻头系统进行了动态仿真。

The sucker rod production is widely used in oilfield development, and its work efficiency directly affects the cost and economic benefits of oilfield development. In the light of the systematic dynamics, this paper takes the sucker rod pumping system as the study case for the purpose of establishing the mechanical and mathematical models for describing behaviors of the pumping unit, the pump, the tubing string, the compound system and the corresponding simulation models. Moreover, making use of idea of modular programming, it gives the basis for developing the computer simulation software on working action of the sucker rod pumping system, which has powerful function, convenience for use and maintenance and high simulation precision and can simulate operating performance of the sucker rod pumping system under different operating conditions, different swabbing parameters and different system configurations, to provides new approaches and theoretical foundations for analyzing the operating performance of the sucker rod pumping system and improving the work efficiency of the rod pumping system, etc.

在适当的假设条件之下，建立了盘式单牙轮钻头破岩机理仿真模型，并在此基础上开发出盘式单牙轮钻头破岩机理仿真软件。通过将仿真模型的计算结果与西南石油学院钻头研究室部分台架实验结果进行对比，验证了该仿真模型的正确性。完成了不同钻井参数、不同钻头结构和不同岩石性能等条件下盘式单牙轮钻头破岩机理仿真分析，为盘式单牙轮钻头的设计提供了理论依据。

文章简要介绍了盘式单牙轮钻头的结构特点及工作机理，阐述了盘式单牙轮钻头台架试验的方法、目的及意义，对两种Φ165.1mm 盘式单牙轮钻头的台架实验数据进行了分析处理，得到了在不同钻压和机械转速下盘式单牙轮钻头的台架试验结果，找到了钻压与机械转速之间的关系，为盘式单牙轮钻头的设计及在中硬及软地层中的应用提供了实验依据。

研究了钻井过程中钻柱、钻头、岩石相互作用下的牙轮钻头动力学特性。根据汉弥尔顿原理和有限单元法，建立了全井钻柱纵向、横向扭转耦合振动动力学模型。在大量单元实验的基础上，建立了牙轮钻头与岩石相互作用力学模型。从系统动力学的角度出发，建立了基于钻柱、岩石相互作用下的牙轮钻头动力学模型。研究了牙轮钻头非线性系统模型的数值求解方法，编制了钻头动力学特性仿真分析软件，在不同钻井操作参数、钻具(钻柱、钻头)几何参数、地层性质条件下，对牙轮钻头动力学特性进行了仿真。明确了钻井过程中井下钻柱及钻头的运动规律、动力学特性、失效机理，为科学合理地预测和控制井眼轨迹提供了理论依据和技术手段。