随着我国油气资源勘探开发向深部地层迈进,螺杆钻具定子橡胶受井下高温热老化影响日益明显,导致螺杆钻具机械输出性能衰减严重。螺杆马达定子橡胶主要遭受井下环境温度和定子橡胶滞后生热的共同老化作用,定子橡胶的热老化是导致螺杆钻具机械输出效率衰退的重要原因之一;目前的螺杆钻具工作100多小时后其机械输出效率往往会从50%左右下降到35%左右,这个衰退已经严重影响了钻进效率,因此迫切需要清楚热老化对螺杆钻具定子橡胶力学性能及螺杆钻具定子衬套工作性能的影响,以在设计之初提出减小螺杆钻具机械输出性能的综合方案。本文基于螺杆马达定子橡胶不同温度下的热老化实验,通过拉伸实验得出应力应变数据并拟合出Mooney-Rivlin模型常数和Yeoh模型常数并对所得实验数据及所求得的模型常数数据进行分析,再运用所求得的模型常数结合定子橡胶滞后生热研究进行一系列仿真对比分析,最后对螺杆马达钻进性能参数计算公式进行了进一步的完善和推导,并代入相关参数进行了计算。具体工作开展如下:(1)进行了不同温度下的螺杆马达定子橡胶衬套的热老化实验,通过拉伸实验得出应力-应变数据,并利用Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型的本构模型常数拟合理论拟合出了不同温度下的Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型本构模型常数。(2)通过仿真模拟实验将模型计算结果和室内实验测定结果对比,进行Mooney-Rivlin模型与Yeoh模型用于螺杆马达定子橡胶力学分析的适用性研究,得出Mooney-Rivlin模型更适合用于螺杆马达定子橡胶力学性能分析,为后续螺杆马达定子衬套的仿真研究选定了更加可靠的橡胶本构模型。(3)基于环境温度场,进行了考虑环境温度热老化与不考虑环境温度热老化常规壁厚定子衬套和等壁厚定子衬套热力耦合对比仿真计算分析,得出两种壁厚定子衬套考虑环境温度热老化与不考虑环境温度热老化的仿真结果存在很大差异,研究结果不仅能为螺杆马达定子衬套线型设计及过盈量选取提供一定的参考,更证明了对螺杆马达定子橡胶衬套进行热老化研究具有重要意义。(4)进行了考虑环境温度热老化和不考虑环境温度热老化的常规壁厚定子衬套滞后生热的仿真分析,得出考虑环境温度热老化和不考虑环境温度热老化常规壁厚定子衬套滞后生热温度分布差别很小,但是其最大温升随井深的变化规律有较大差异。证明了环境温度热老化对定子橡胶的滞后生热同样有较大影响。(5)在螺杆钻具定子衬套滞后生热分析研究的基础之上,通过对模型进行处理,进行了螺杆马达定子衬套联合温度场(环境温度场和滞后生热温度场)的双热源(环境温度热和滞后生热)热老化热力耦合仿真研究,研究结果将为螺杆马达定子橡胶衬套的线型设计及过盈量选取提供更准确的参考。(6)对螺杆马达钻进效率的计算公式进行了更进一步的推导和完善,并代入具体参数数值进行了计算和总结,获得了联合温度场考虑双热源热老化对螺杆马达钻进效率的影响规律。通过进行以上的研究工作,本文实现了一套系统的螺杆马达定子橡胶衬套的热老化研究。不仅为螺杆马达定子衬套进行热老化研究选取了可靠的橡胶材料本构模型,提供了不同温度工况的橡胶本构模型常数,研究结果更能为提高螺杆马达钻进效率的工作起到积极的指导作用。