科学钻探为地球科学研究提供了前所未有的观测数据和验证关键假说的机会,是人类目前获取地球内部信息最直接最有效的途径。涡轮钻具是进行深孔、超深孔钻探的关键技术装备之一。我国对于涡轮钻具及涡轮钻井技术的研究和应用水平较国外都还存在一定的差距,尤其是对小口径涡轮钻具的研发使用更是近乎空白。通过对国外小口径涡轮钻井技术的研究与借鉴,不仅可以为我国万米超深科学探孔的设计与实施、深部油气和地热田的勘探与开发、干热岩等非常规能源的研究与勘探（而这是对我国的基础科学与可持续发展具有深远影响的研究与工程）提供科学决策的信心与依据,而且可以很好地推动我国对涡轮钻具的自主研发及应用。为探索涡轮钻取心钻进的科学操作规律,并为进一步实现各类钻具的井内工况采集及其信号的远程传输研究做技术储备,在“地质勘查高温井底动力取心钻进系统研究应用”中,研究试制出涡轮钻井底工况采集分析系统。该系统的核心技术为对涡轮钻压降、轴压、输出扭矩、输出转速以及温度五项参数进行井下采集、存储与地面回放,以及完成井下强振动、高温、高压条件下检测短节整体的减振、耐温和密封设计,并建立和设计出相应的涡轮钻具工况分析模型及软件。首先,本文对近年来国内外所施工的多口科钻井的目的意义、发展历程进行了整理,归纳并阐述了科学钻探施工的特点和难点,从而引出了高温井底动力取心钻进系统研究的紧迫性,并对为解决深部钻探过程中的井底破岩效率不足等问题所采用的涡轮钻具钻井技术进行了概述,提出了对松科2井井下涡轮钻具工况参数获取的需求。随后分别就目前国内外随钻测量及井下工程参数检测技术的研究现状和发展趋势进行了整理,明确了科学钻探井底涡轮钻具工况采集与分析系统的研究方法及研究思路。其次,介绍了松科2井的基本信息,包括井位选取、地层情况、井身结构等,以及所用井底涡轮钻具的技术性能参数、结构、工作原理和输出特性。通过分析井下高温高压强震等复杂环境要求及特点,对检测系统原理进行总体框架设计。明确对涡轮钻具工况分析所需检测的工程参数,设计转速、压强、扭矩、轴压和温度参数的检测方式。其中采用加速度计计算离心力间接得到转速参数;钻井液压强通过特制压力传感器进行检测;扭矩和轴压则通过组合式应变片检测;温度通过热电阻检测获取。再次,对井下检测短节进行设计,包括检测短节的安装位置、适用于各检测传感器合理布置的新型机械结构设计。对设计的短节机械结构通过理论计算和软件模拟进行受力分析,以校核所设计短节的机械强度。由于短节随钻具下入井底,将面临高温高压及强振等恶劣环境,需要对短节的密封耐压结构进行着重设计并进行多轮测试。检测短节最终采用新型周向三腔结构、内外筒螺纹连接、锥形密封面配合6道耐高温氟胶O型圈密封,以满足井下复杂条件下的使用需求。第四章主要对检测电路进行了设计,着重在检测电路耐高温元器件方面进行了方案优选,通过试验选择合适的采集板及应变片粘接剂。采用耐高温离心加速度计测转速、耐高温应变传感器与耐高温运算放大器组合、耐高温微处理器与耐高温存储芯片等组合方法,形成了一整套适于深部钻探工程检测井底工况的电子检测系统。第五章对地表分析系统进行了设计,通过对井下短节采集的数据进行地表回放,并根据扭矩轴压耦合分析、大温差循环井浆温度场分布建模及新型摩阻式钻井液压强计算分析,建立涡轮钻工况分析软件的理论计算模型;根据井下采集模块实测数据和理论计算数据的差值,对比、修正理论模型的误差,分析多因素对涡轮钻具输出特性的影响。通过建立井下多测量参数耦合及反演分析理论计算模型,为后续优化地面参数组合以及维护和调整钻井液体系提供依据。第六章介绍了对整体检测系统进行的室内实验和现场应用,室内试验包括扭矩和转速试验、轴压和压强试验、温度和振动试验以及密封性能试验。通过反复试验,确保检测短节能够实现在松科2井井下不低于175℃和80MPa高温高压环境下、连续正常工作36小时以上。通过现场标定及仪器下井应用,得到了一定的试验结果。综上所述,本文主要针对深部钻探井下涡轮钻具工况采集与分析系统的研制开展了一系列理论及实践研究工作,综合了多学科的理论及技术,是典型的交叉学科应用,相关的理论研究及试验结果证明该系统基本满足了预期设计要求,对后续深部钻探的钻具井下工况采集及其信号的远程传输研究,研制涡轮钻具井底驱动的高转速取心钻进系统,及充分发挥涡轮钻具特性的金刚石钻头高转速深井取心钻进工艺提供技术支持,同时仍有较多的相关研究亟待在后续的工作中进行进一步深入探索。