近些年随着连续管技术的逐步成熟,其作为一项高效率、低成本的钻井技术而得到关注。相关的国内外文献内容表明使用连续管在进行欠平衡钻井、小井眼钻井、老井加深、侧钻、修井等作业中有着广泛的前景。连续管作业过程中离不开配套的井下动力钻具,就目前而言大多数连续油管作业过程中匹配的是螺杆钻具。但螺杆钻具在使用过程中存在横向振动,这种振动对连续油管的管柱寿命有不利的影响,而且螺杆钻具耐高温性能差,不宜于深井作业。国外也一直在积极探索涡轮钻具匹配连续油管作业,以适应连续油管钻井过程中的小钻压、低反扭矩的限制和提高机械钻速的要求。与螺杆钻具相比,涡轮钻具的所有部件都由金属制成,决定了它可以承受高温、高压的作业环境。现在随着浅层油气资源的逐渐枯竭,朝更深的地层钻进是未来钻井的工作趋势,以及连续油管技术的发展,这将使涡轮钻具与连续油管匹配的优势逐渐显现出来。国内目前并没有专门适用于连续油管作业的小尺寸涡轮钻具,而已有的一些小尺寸涡轮钻具也存在效率偏低的问题。本文的主要研究工作是针对能匹配连续管使用的小尺寸涡轮钻具进行叶型设计研究,设计一种能够满足连续油管使用的小尺寸、高效率平面叶栅,在此基础上尝试采用三维(准三维)叶栅设计涡轮,提高涡轮钻具的能量转化效率,并分析涡轮叶片前、后缘圆弧半径对涡轮效率的影响。本文首先针对连续油对钻具的一些要求,以及参照国外相同规格涡轮钻具的参数确定了要设计涡轮的结构及性能参数。在查阅参考文献的基础上,综合对比分析现有的涡轮叶栅造型方法,确定选用五次多项式法作为叶片型线的造型方法。在选择叶片结构参数的过程中对涡轮的一些结构参数对涡轮水力性能的影响进行了分析,初步选取了叶片结构参数。借助于数学软件matlab求解出涡轮叶片的型线方程,然后利用solidworks创建涡轮的三维模型,结合FLUENT流体分析软件对模型的水力性能进行模拟分析,根据分析的结果对叶片的结构参数进行优选、调整,以获取具有高效率的叶片。本文完成的主要内容及结论：1.根据确定的涡轮性能和结构参数利用理论计算公式求出涡轮的叶片结构角；2.根据已有的经验公式和经验数值范围来确定涡轮叶片安装角、前缘圆弧半径、后缘圆弧半径、前缘锥角、后缘锥角、相对栅距,有些参数根据最终的水力模拟计算结果可能需要进行修改；3.选用五次多项式作为涡轮叶片截面型线的设计方法,并根据确定的涡轮叶片参数利用matlab软件求解了涡轮叶片吸力面和压力面的截面型线方程。最后由求得的涡轮叶片截面型线方程在三维实体造型软件solidworks中创建出了涡轮定、转子的三维模型图；4.构建了涡轮定、转子的流道模型图,将其导入到数值流体分析软件fluent中对设计的涡轮水力性能进行了模拟分析以选取合适的参数,在满足性能的前提下,尽可能提高涡轮的水力效率。计算出有24个叶片的涡轮的机械性能数据—扭矩T、输入功率N1、输出功N2、压力降△p和效率η,在此基础上绘制出相应的性能参数随转速n变化的性能曲线。根据水力模拟分析计算数据及初始设计参数来看,排量为121/s时,满足设计要求的单级涡轮额定转速在1900r/min左右,压降为0.119MPa左右,扭矩为4.47N.m,最高效率约为62.27%。5.对涡轮叶片前缘圆弧半径的变化对涡轮性能的影响进行了模拟分析,根据计算的结果及由结果所作的曲线可以看出在其他条件不变的情况下随着前缘圆弧半径的增大涡轮的扭矩、压降、输出/入功率都呈现增大趋势,但输入功率的增长速度比输出功率略快,效率呈现下降趋势,前缘圆弧半径在0.6～1.1mm的范围内变化,涡轮效率变化的百分数相对来说很小,没有超过1%。6.对涡轮叶片后缘圆弧半径的变化对涡轮性能的影响进行了模拟分析,根据计算的结果及由结果所作的曲线可以看出在允许的后缘圆弧半径取值范围内若其他条件不变则随着后缘圆弧半径的增大涡轮的扭矩、压降、输出/入功率都呈现增大趋势,但是输出功率增长的速度明显比输入功率增长的速度慢,效率呈现下降趋势,而且下降的很快。后缘圆弧半径在0.4～0.6mm的范围内变化,后缘圆弧半径每增大O.1mm,涡轮效率变化的百分数相对前缘圆弧半径而言要大的多,以此看来涡轮叶片后缘半径对涡轮效率的影响相对前缘圆弧半径来说要大的多。7.尝试分别取叶片中5个不同截面,在相同转速,相同输出扭矩的条件下依次求得5个截面处的型线,然后以前缘圆弧的圆心相互连接形成的直线为基准使5个截面间线性过渡构造出涡轮叶片。按照这种叶型创建的涡轮,水力模拟分析计算数据可以看出在满足初始设计参数的情况下,涡轮的最高效率为62.71%左右,此时排量为121/s,转速在1800r/min左右,压降为0.113MPa左右。三维涡轮叶片与直叶片相比,在排量相同且满足涡轮的性能参数要求的前提下涡轮的性能略有提升,但不是很明显。但也从另一方面说明如果在今后的涡轮钻具用涡轮中能够找到不同截面间合适的过渡方法,对于提高涡轮的水力效率将会有很大的帮助,值得进行相应的研究。