目前,我国可采油气资源80%储藏在2000m深以内的浅层和2000~3500m深的中深层,且大多数油气田已进入钻采开发的中后期,因此需要适用于定向井、水平井等特殊钻井作业工况的钻机。传统石油钻机需要先垂直钻进一定深度,然后才能利用钻具进行造斜,不适合上述钻井作业工况的要求,因此设计一种新型斜直井齿轮齿条钻机。该钻机的井架可在0~45°角内进行调节,起下钻与正常钻进时的动力由动力头起升装置提供,其作业过程相比传统石油钻机省去了定向造斜和增斜的过程,同时还减少了不同钻井作业段更换钻具组合的时间和起下钻的次数。但山于斜直井齿轮齿条钻机特殊的工作姿态,以及井日作业空间的局限性,使得传统的管柱上/卸扣装置和铁钻工难以在其上作业,因此需要结合斜直井齿轮齿条钻机的实际情况专门设计一套自动化管柱上/卸扣装置。本文在充分调研分析油田现场钻井管柱上/卸扣作业流程和国内外各种钻机自动化技术的基础上,提出并设计了一套实现管柱紧扣、冲扣和旋扣动作的自动化机械装置,并能满足斜直井齿轮齿条钻机管柱上扣和卸扣自动化作业的需要,然后设计了斜直井钻机管柱上/卸扣系统的液压回路。在此基础上,应用键合图理论建立了轨道钳主、背钳夹紧系统、主钳扭矩系统和动力头旋扣系统的键合图模型,并对各系统进行集成,建立了轨道钳系统的键合图模型,并推导了每个键合图模型的系统动态方程。最后,应用20-Sim软件建立各系统的仿真模型,并计算出各键合图元的仿真参数,对键合图系统模型进行动态仿真分析,对分析结果给出了合理的解释,通过对比分析,验证了各键合图模型的合理性,为斜直井石油钻机上卸机构的研发提供技术支持和理论指导。