随着油气开采成本的一路攀升,钻定向井、丛式井以及老井开窗侧钻等工艺越来越受到钻井开发商的青睐。井下动力钻具因其在井底直接为钻头提供动力而广泛应用于定向井、水平井中。螺杆钻具以其输出转速低、输出扭矩高、输出功率大等优点在井下动力钻具中占据核心地位。近年来,随着钻井深度的日益增加,螺杆钻具的工作环境日趋恶劣,钻井过程中,因螺杆钻具失效而导致钻井成本升高的案例数不胜数。橡胶衬套作为螺杆钻具中最关键的环节,它的失效通常导致螺杆钻具有效工作时长缩短。螺杆马达是螺杆钻具的动力输出总成,其主要功能是将钻井液的压力能转换为转子的旋转机械能,这就要求橡胶衬套具备一定的密封性能。橡胶作为一种粘弹性材料,其大部分性能参数无法通过现有仪器直接测量;另外,螺杆钻具工作过程中,橡胶衬套的各项力学性能更是无法实时监测。据现场反馈情况来看,因橡胶衬套失效而使钻井周期延长的情况时常发生。目前,绝大部分橡胶衬套的研究主要针对二维模型,以应力、应变为主要评价指标,并已取得了大量的研究成果。但由于橡胶材料的超弹性属性,导致每种不同的橡胶的本构模型及本构参数必须通过实验获取。对于受转子周期性挤压的橡胶衬套,在循环载荷下是否会发生疲劳破坏尚未有学者对其进行深入研究。因此,为进一步研究螺杆马达橡胶衬套在正常工作时的力学行为,同时较为全面的找出导致橡胶衬套失效的影响因素,并为新型结构橡胶衬套的设计奠定基础,本文特开展以下研究工作:(1)研究了马达摆线线型的相关理论,并在此基础上推导了螺杆马达定转子通用骨线方程;同时,通过对橡胶衬套专用材料所制成的哑铃试件进行了单轴拉伸实验,并对实验数据进行数据拟合,最终确定了适用于本文橡胶材料的本构模型。(2)研究了钻井液液柱压力、过盈量、摩擦系数对常规壁厚热力学性能的影响,并归纳总结热力学性能随各参量变化的规律。(3)对常规壁厚、等壁厚的综合力学性能进行对比分析的基础上,引入ABAQUS+FE-SAFE的方法对橡胶衬套疲劳寿命进行预测;对这种方法的可行性进行验证后发现,其预测值与实验值的误差均在实际工程要求的范围内;同时,结合滞后生热研究结果,归纳总结引起各结构失效的主要因素。(4)针对常规壁厚与等壁厚在结构及综合力学性能上的差异,以疲劳寿命为主要评价指标,对橡胶衬套进行结构改进,并研究液柱压力、过盈量等参数对新型结构橡胶衬套综合力学性能的影响,最终设计出一种综合力学性能较现有结构更优的新型橡胶衬套结构。通过以上工作,对影响橡胶衬套力学行为的因素有了更深入的认识,同时,文中所引入的疲劳寿命预测方法为橡胶衬套的结构改进提供了一种新的评价思路,并为今后对橡胶衬套做更进一步的研究奠定了理论基础。