涡轮钻具向着高速、高效、小直径的方向发展,要求涡轮钻具推力轴承在高速、重载、高温、钻井液润滑的恶劣工况下可靠运转,使得高速涡轮钻具推力轴承的设计制造面临严峻挑战。本文通过流场分析,揭示了不同结构形式的推力轴承中,钻井液固相体积分数的分布规律;通过热力耦合分析,求解了不同接触形式下轴承表面的温度场分布,并分析了钻井工况对轴承温升的影响。通过建立钻井液混合润滑模型,分析了涡轮钻具点接触推力轴承的混合润滑性能,得出了钻井液非牛顿特性、轴承表面粗糙峰和椭圆率对钻井液润滑膜厚、压力、温升的影响规律。通过建立表面压痕和表面疲劳的有限元模型,得到了轴承表面压痕的形成规律和轴承表面的疲劳使用因子。主要的研究内容如下:针对三种典型的高速涡轮钻具推力轴承,基于钻井液两相流动理论,建立了单个钢球的流体域分析模型,分析了钻井液参数对固相颗粒沉积的影响规律,为钻井液固相颗形成表面压痕提供了分析基础。在建立井底温度场模型的基础上,基于热力耦合理论,进行了点接触推力球轴承和面接触推力滑动轴承的热力耦合分析,分析了轴向载荷和转速对轴承温升的影响,得出了轴承表面温升对涡轮钻具轴向载荷更加敏感,涡轮钻具推力轴承在应用过程中应当严格控制轴向载荷,为推力轴承在现场中的应用提供了理论基础。建立了幂律型钻井液润滑下的点接触混合润滑模型,利用数值计算方法,研究了构造粗糙表面、高斯粗糙表面对混合润滑特性的影响,得到了轴承滑滚比、椭圆率、表面纹理方向对钻井液油膜厚度、压力和温升的影响规律。通过钻井液润滑下点接触推力轴承的混合润滑行为研究,揭示了钻井液油膜承载能力、润滑特性和润滑失效的机理,为钻井时控制涡轮钻具转速,避免推力轴承处于干摩擦,建立有效的混合润滑油膜,提高钻井液润滑效率提供了理论依据。通过现场试验,得到高速涡轮钻具推力轴承表面的压痕形式。基于弹塑性压入理论,建立了钻井液固相颗粒对轴承表面的压痕的计算模型,运用有限元法进行了轴承表面压痕的参数化分析。通过球形固相颗粒的塑性变形、轴承表面的塑性应变、应力和材料推挤现象,表征了钻井液固相颗粒形状、材料对轴承表面压痕的影响,并分析了轴承表面摩擦系数对表面压痕形状的影响规律。通过现场试验,得到高速涡轮钻具推力轴承表面的疲劳裂纹形式。基于累积疲劳损伤理论和Dang Van应力评价方法,建立了轴承表面疲劳分析模型,运用有限元方法分析了无压痕和带压痕的轴承表面的疲劳使用因子,得到了表面硬化层厚度、钢球半径、表面压痕对轴承表面疲劳的影响规律,为涡轮钻具推力轴承表面疲劳的评价提供了一种新方法。