涡轮钻具是一种全金属孔下动力钻具,具有耐高温的特点,且其较高的转速特性配合孕镶金刚石钻头十分适合于硬地层的钻进,是超深孔高温高压钻进不可缺少的井下机具之一,同时,在高温干热岩、连续管钻井,以及非常规能源定向钻井等勘探开发中均具有良好的应用前景。本文开展了小直径取心涡轮钻具的设计和多级仿真技术研究,克服了当前国内采用单叶片或单级涡轮仿真无法推算整体输出特性的缺点,对开展涡轮钻具设计具有较好的参考意义。首先,提出了Ф89取心涡轮钻具的目标参数,根据最优化工况和无因次系数法,对其设计理论方法进行分析研究。完成了涡轮径向尺寸的设计,计算求出涡轮的叶片结构角、叶片安装角、前缘半径、后缘半径、前缘锥角、后缘锥角、相对栅距等几何参数。基于贝塞尔曲线设计理论,采用CFX软件中的Bladegen模块完成了叶片叶型的设计,并在三维Solidworks中创建出了涡轮定、转子三维模型,基于ANSYS/CFX软件,对单级涡轮水力性能进行仿真分析,优选出其叶型,结合前述的叶片几何参数,完成了涡轮钻具定、转子的设计。基于ANSYS/CFX软件,对前缘半径、后缘半径、轴向间隙等参数,以及涡轮定子流道变化对涡轮输出性能的影响规律进行了仿真研究,研究表明:在其它条件不变的情况下,前缘半径在0.6～l.0mm的范围内、后缘半径在0.4～0.6mm的范围内增大,涡轮的扭矩、压降、功率均呈现正相关关系。后缘半径对涡轮性能的影响明显比前缘半径大。轴向下间隙的增大,涡轮性能指标相对小幅度下降,涡轮水力损失增加;保持涡轮转子流道不变的情况下,增加定子叶片数目即改变流道大小,可以改善涡轮性能。完成了Ф89取心涡轮钻具动力节结构设计,通过涡轮叶片多级仿真研究,进一步模拟涡轮实际工作工况,预测出涡轮动力节输出特性,仿真结果表明:动力节制动扭矩约340N·m,最大功率约38KW,空转转速约为3800r/min,额定转速约1800r/min,压降在6-7MPa之间,且压降基本保持稳定。利用3D打印技术,完成了Ф89取心涡轮钻具定、转子的打印输出研究。通过对探工所提供的Ф89取心涡轮钻具进行了实验研究,根据实验结论得出优化区间理论,结合多级仿真结果,预测整机动力节最优工作实际区间:转速在900-1800r/min内波动,扭矩在200-300Nm内波动,功率在25-38KW内波动,此区间内涡轮效率值最高,也是最佳工作区间。研究发现:涡轮取心转速856r/min,接近并符合实际工作区间范围。在实际工作区间900-1800r/min范围内,涡轮扭矩较大,更适宜钻进。根据仿真结果与实验结果的对比分析,得出实际工作输出特性,为今后进一步研究动力节输出特性以及适用范围提供了有价值的参考依据,为后续Ф89涡轮钻具动力节的应用奠定了基础。