螺杆钻具是一种井下动力钻具,目前在油田钻井工程中的应用已非常广泛,由定子和转子构成的螺杆马达是螺杆钻具的核心部件,工作时,钻井液经由定子衬套和转子间的密封腔带动转子转动,将动力传递到钻头上从而完成钻井。由于螺杆钻具结构特殊,工作环境复杂,导致了定子衬套磨损、钻具泄露等失效形式,因此对钻具型线以及定子和转子的啮合受力研究十分必要。本文以外径为172mm的五头等壁厚螺杆钻具为对象,进行了以下研究。首先,将B样条曲线拟合算法应用于螺杆钻具廓形曲线设计中,得到转子截面廓形曲线,利用降阶法求得曲率,找出型线凹凸过渡处的尖点,结合截面廓形特性和数据特征,提出了以控制点坐标值的变化量为优化变量的遗传算法,对螺杆钻具截面廓形进行优化,为螺杆钻具型线设计提供参考。然后,分析了螺杆钻具转子的运动机理,利用三维软件对螺杆钻具进行实体建模,检查钻具静态和动态下的干涉情况,研究螺杆钻具转子在衬套中的运动规律,由选定的转子截面上的点得到了其位置和速度的运动轨迹及变化规律,推导了定子和转子间相对滑动速度的计算公式并通过仿真实验研究其变化情况。最后,从理论的角度分析螺杆钻具在工作中的力学特性,研究螺杆钻具密封腔在压力的作用下定转子之间的接触情况、变形规律,建立定子衬套和转子之间的接触力学模型,分析静力作用下转子和等壁厚定子衬套的形变和应力,然后对转子与定子衬套在相互啮合状态下的力学特性进行研究,找出应力集中位置,为螺杆钻具的结构优化提供了理论基础。本文通过对转子截面廓形的优化和转子与定子的啮合力学特性分析,旨在降低钻具的泄露和磨损,提高钻具的使用寿命。