我国对石油和天然气的需求不断上升,由于国内油气产量有限,能源短缺问题日益加剧,2018年对外依存度预计超过70%。为挖潜国内资源提高产量,油气勘探开发主战场转向了低渗透、深层、海洋和非常规油气藏,对钻井技术水平要求越来越高,因此,水平井、复杂结构井、深井和超深井、大位移井等现代钻井技术在油气勘探开发中不断获得应用。随钻测量是实现上述钻井技术不可缺少的重要技术手段,对提高油气勘探成功率、油气钻遇率和油气采收率,以及提高钻井效率降低成本具有重要作用。为满足生产现场需求,随钻测量仪器井下传感器数量越来越多,测量数据量越来越大,将大量数据实时传到地面已经成为技术瓶颈,严重制约随钻测量技术的应用与发展。随钻测量数据高速率传输方式是实现现代钻井技术的基础,从经济性、稳定性、可靠性以及传输速率和上传深度等方面综合考虑,连续波传输被公认为最佳的高速率传输方式。目前,随着油气勘探开发新需求的不断增长,国外随钻测量技术正在进一步深化和细化并不断催生新的技术,发展迅速,竞争激烈,呈现出向高速率、高精度、模块化和耐高温、抗高压方向发展,连续波传输技术商用产品传输速率已经高于10bps、压缩传输速率超过100bps。而国内连续波传输技术尚属空白,仅有低端商用产品,与国外先进技术相比存在较大差距。自主研发出连续波数据高速传输技术及产品,对提高我国随钻测量技术核心竞争力,高效开发油气资源具有重要意义。连续波发生器是连续波传输系统的技术关键,其主体为动力学特性要求高的运动传动部件,本文围绕作者前期设计的连续波发生器原理样机的关键技术和稳定性展开研究,完成了高压力波幅值型旋转阀研究,基于有限元分析模型,得到了井下用耐高温抗高压圆筒式磁性联轴器输出最大转矩的规律,研究出转矩/体积比值高的耐高温抗高压圆筒式磁性联轴器,提出并验证了TC轴承是一种动压滑动轴承的观点,运用有限元方法从结构因素研究TC轴承的力学特性,提出了用于井下轻载高速易排屑的导砂型TC轴承的应用策略,建立了由旋转阀转子、磁性联轴器外磁转子及TC轴承构成的上转子系统的力学模型并进行稳定性方法研究。为我国自主研制出高速率传输钻井液连续波发生器下井样机提供重要的理论支撑。主要研究成果和结论如下:(1)基于管路串并联理论,研发了可获得高强度的压力波旋转阀,提高了传输速率和信息上传深度。针对目前钻井液连续波传输系统压力波幅值低和高频率压力波在钻井液传输通道中传播时衰减快,制约了连续波随钻工具的传输速率和信息上传深度这一问题,研究了高压力波幅值型旋转阀。在研究连续压力波产生过程基础上,基于管路串并联流体力学理论,结合井下动力钻具对最小流量要求,研究设计出高压力波幅值型旋转阀,并用薄壁孔流量特性理论对这种旋转阀产生的压力波幅值进行验证,得出当旋转阀的定子和转子之间轴向间隙接近零时,压力波幅值趋于无穷大的结论。(2)基于等效磁路法和有限元分析,得到了耐高温抗高压圆筒式磁性联轴器输出最大转矩的规律。针对旋转动密封橡胶件在高温高压环境中使用寿命极短这一缺点,重点研究了耐高温抗高压圆筒式磁性联轴器。分析磁性联轴器结构及特点,优选圆筒式。分析了耐高温抗高压圆筒式磁性联轴器等效磁路法磁路的磁力线路径及传递运动原理,应用经验公式法建立耦合磁场强度与最大传递转矩的关系,找出影响转矩的因素。研究了高温高压隔离套的特性。为直观了解磁力线分布和转矩变化规律,应用Ansoft Maxwell有限元软件,进一步开展永磁体联轴器静态磁场的数值模拟研究。建立了171mm钻铤用6个磁极圆筒式磁性联轴器的二维有限元分析模型。在二维静态磁场中,得到磁力线路径,证明了等效磁路法主磁路和漏磁路分析的正确性,指出转角等于时扭曲磁力线最多、转矩取得最大值。对影响输出转矩参数进行模拟分析,找到获得大转矩的规律:提高磁感应强度;聚集磁场提高磁通密度。(3)论证了TC轴承属于动压滑动轴承,建立了TC轴承静态雷诺方程,从结构因素方面研究TC轴承液膜静态特性。TC轴承是石油钻井行业特有的复合滑动轴承,以钻井液为润滑冷却介质,国内外研究集中在制造工艺和材料改进方面,本文从偏心率、宽径比两个结构因素方面进行研究。从液膜动压建立三个要素方面,验证了TC轴承是一种没有专门润滑系统的动压滑动轴承,通过分析TC轴承液膜动压及连续液膜形成的过程,再次验证了这一观点的正确性。建立了TC轴承静态雷诺方程,通过雷诺方程的归一化式找到液膜无量纲动压力与结构因素的关系。基于有限差分模型获得TC轴承液膜无量纲动压力场,讨论了偏心率和宽径比对液膜动压力场的影响,验证了“无限长”、“无限短”轴承工程方法的正确性。通过相应积分计算液膜静态无量纲承载能力和摩擦阻力,得出液膜无量纲承载力随着宽径比和偏心率增加而增加,无量纲摩擦阻力的情况为:偏心率小于0.6、宽径比小于1.0时“剪切流”摩擦阻力为主导,偏心率大于0.7、宽径比大于1.0时,“压力流”摩擦阻力为主导。(4)基于动压滑动理论,建立了TC轴承力学模型,提出了高速轻载易排屑TC轴承的应用策略。建立TC轴承动态雷诺方程和线性化后TC轴承的力学模型,提出了8个动力特性系数,归一化后的动态雷诺方程对相应变量求偏导得到四个“扰动压力”,通过有限元计算,分析了偏心率、宽径比对八个无量纲动力特性系数的影响,得出:对偏心率、宽径比变化最敏感的是偏心方向的正交刚度、阻尼系数,最不敏感的是垂直偏心方向的正交刚度、阻尼系数。针对该隔离套与外包封层径向间隙小,钻井液固相颗粒塞在隔离套与外包封层的间隙时,影响外磁转子的运转,对全圆型TC轴承外圈进行改进,提出了适用于轻载高速易于排屑的导砂型TC轴承。给出了导砂型TC轴承液膜厚度的表达式,离散液膜厚度不连续处采用特殊处理,求解导砂型TC轴承无量纲液膜动压力、静态特性、“扰动压力”及八个动力特性系数时采用局部积分法计算,利用有限元计算,分析了沟槽参数对液膜动压力、液膜承载能力及八个动力特性系数的影响,得出:沟槽加大了液膜收敛角度;沟槽的数量、深度降低了液膜的无量纲压力和承载力,对八个无量纲动力特性系数影响不大。(5)验证了导砂型TC轴承具有较高的稳定性,建立了上转子系统力学模型,获得了上转子系统及TC轴承失稳规律。针对井下环境引起TC轴承液膜失稳的干扰力较强,轻载工况下TC轴承液膜极易失稳,限制了钻井液连续波发生器高速运转的性能从而影响传输数率的提高,及引起上转子系统失去稳定性的问题,进行了上转子系统的稳定性研究。分析了造成TC轴承液膜失稳的因素及力学机理,不同工况下TC轴承液膜的失稳情况,及液膜涡动的特征。从做功原理方面分析了八个动力系数对液膜失稳的影响,得出了:TC轴承的交叉刚度是转子系统失稳的主要原因;导砂型TC轴承液膜的稳定性大于全圆型TC轴承的稳定性。建立了由旋转阀转子、磁性联轴器外磁转子及TC轴承组成的上转子系统的力学模型,并对这种多质量对轴承呈现不对称分布的转子系统稳定性方法进行研究,得到了上转子系统的失稳影响规律。文中所得出的成果和结论具有较强的普适性,可为油田井下同类应用提供理论依据。