本文属油气藏地质及开发工程国家重点实验室基金项目(编号：PLN0412)“气体钻井井斜的岩性影响研究”的部分研究内容。 本文首先对国内外有关空气钻井技术研究进行了大量的文献调研、收集和阅读，分析了前人的研究成果。在此基础上，结合岩石力学和最新的岩石塑性力学理论—广义塑性力学，建立了空气钻井中地层岩石的三维有限元仿真模型，以及钻头钻进地层岩石的动态过程的模型。最后对仿真模拟结果进行了详细地分析，得到了一些规律和建议。主要研究内容和取得的成果如下： 1、根据岩石力学、广义塑性力学(岩土塑性力学)理论，利用有限元软件建立了空气钻井条件下和泥浆钻井情况下的各向同性地层和不同倾角的横观各向同性地层岩石三维模型，仿真模拟了空气钻井和泥浆钻井情况下3000m深处时的井底岩石和井壁岩石的力学行为，并对结果进行了分析研究，得到了关于井斜趋势和井壁不稳定性问题的一些规律； 2、在前人的研究基础上，化简、推导出了各向异性钻头条件下的横观各向同性地层造斜力和方位力公式。采用与有限元模拟相同的参数进行了解析计算，并且与有限元软件模拟得到的钻头质心处的合力大小相比较，解析解结果与有限元软件模拟得到的结果基本吻合。 3、用Pro／E软件以真实尺寸建立了8 1／2″PDC钻头的CAD模型，并导入有限元软件。建立了空气钻井中钻头钻进不同地层倾角地层岩石的动态过程的三维有限元仿真模型，并对PDC钻头破岩的过程以及钻头与岩石的相互作用机理进行了研究。 本文的创新点： 1、首次建立了地层岩石材料非线性、岩石和钻头的接触非线性的动态过程动态钻进的三维有限元模型，能真实地仿真模拟钻头动态破碎地层岩石的过程。 2、在钻头破岩过程中判断岩石单元是否破坏而失效时，提出了以等效塑性应变值的大小为依据来判断岩石破碎后的单元，并从大模型中去掉这些单元