導向鉆井工具關節軸承組合系統及其內部應力分析

彭松水

(中石化勝利油田 純梁采油廠，山東 濱州 256500)

1 導向鉆井系統

旋轉導向鉆井系統代表著當今世界鉆井技術發展的最高水平，目前國內研究的指向式旋轉導向鉆井系統結構如圖1所示。其中鉆頭處要承受井底5～10 t的波動鉆壓，該鉆壓通過關節軸承傳遞到不旋轉殼體上，所以井底鉆頭的振動和沖擊載荷會大大降低關節軸承的壽命[1-3]。國內現有的設計方案均采用單套關節軸承來承受鉆壓和鉆頭的沖擊載荷[4-5]，關節軸承在井下很容易發生磨損和疲勞剝落。所以，對軸承進行結構改進和優化以提高其工作壽命具有重要的意義。為此，介紹了一種關節軸承組合系統，并對其內部應力進行了分析。

1—鉆鋌；2—動密封；3—懸臂軸承；4—控制設備；5—關節軸承；6—下端動密封；7—鉆頭；8—不旋轉殼體；9—偏置機構；10—芯軸

2 關節軸承組合系統及特點

關節軸承組合系統包括1套推力關節軸承和1套向心關節軸承。該系統為軸對稱模型，在此建立其二維模型，如圖2所示。該系統中2套關節軸承處分別安裝了碟簧，可以緩和鉆壓突變對軸承的沖擊。

1—向心關節軸承；2—不旋轉殼體；3—推力關節軸承；4—套筒;5—碟簧1；6—芯軸；7—碟簧2

3 關節軸承系統靜力學分析

關節軸承系統模型選用四邊形單元CAX4R，分析采用隱式算法。同樣固定不旋轉殼體，并在芯軸底部施加5 t鉆壓(鉆壓可以換算為壓強施加在芯軸右側底部)。

有限元分析結果如圖3和圖4所示。結果顯示，向心關節軸承的最大等效應力出現在靠近推力關節軸承側，2級碟簧均承受較大載荷，但推力關節軸承上的應力值比較小。由圖4可知，推力關節軸承的承載面積較大，接觸應力較小，但實際上其承受的載荷并不比向心關節軸承小。

圖3 關節軸承組合系統分析結果

圖4 關節軸承接觸應力云圖

該結構中推力關節軸承的接觸面積較大，軸承接觸面的摩擦形式為滑動摩擦，需在其接觸面上加工微孔存儲潤滑油，以保證接觸面良好潤滑。同時該軸承組合系統比較簡單，可以較好地適應井下振動沖擊環境。

4 關節軸承組合系統沖擊分析

2套關節軸承的組合主要承擔鉆壓，但由于其承載面積有較大差異，所以需要合理匹配碟簧的剛度，才能保證2套軸承接觸面上的應力分布基本一致。選擇常用的帶支承面碟簧和軸承進行組合，通過調整推力關節軸承處碟簧(圖2中碟簧1)的彈性模量，對比分析碟簧1的剛度對2套軸承和自身所受應力的影響(碟簧的剛度還可以從結構或材料上進行改進，在此不詳細闡述)。

有限元分析仍采用圖2所示的二維模型。文獻[6]對三牙輪鉆頭的振動位移和速度進行了動力學仿真分析，結果表明，鉆頭處的軸向位移一般為12 mm左右，鉆頭的縱向速度在3 m/s左右。由于ABAQUS可以設置預速度場，所以此處采用速度沖擊的載荷方式來分析鉆壓波動下關節軸承組合系統的響應。固定系統的不旋轉殼體，對芯軸施加3 m/s的沖擊速度，同時在芯軸的底部施加5 t的鉆壓，相當于給軸承系統施加沖擊載荷。

通過有限元分析獲得軸向沖擊載荷作用下推力關節軸承和向心關節軸承內一節點等效應力隨時間的變化曲線，如圖5和圖6所示。由圖5可以看出，碟簧1剛度的改變對推力關節軸承接觸面的等效應力有較大影響。尤其是沖擊的初始階段，當碟簧的彈性模量為200 GPa時，該節點的等效應力可達47 MPa；而當彈性模量為150 GPa時，該節點的最大等效應力為35 MPa。由圖6可以看出，當碟簧1的彈性模量為200 GPa時(該處碟簧的剛度較大，分擔的鉆壓也較大)，向心關節軸承的等效應力較小；而當該碟簧的彈性模量較小時，由于向心關節軸承分擔的鉆壓較大，其應力值也較大。沖擊后碟簧在鉆壓作用下恢復變形，但鉆壓較大，使得碟簧受力處于波動狀態，進而導致2套軸承上的應力也處于動態波動狀態。

圖5 推力關節軸承內一節點等效應力曲線

圖6 向心關節軸承內一節點等效應力曲線

該模型中碟簧1上一節點的等效應力隨時間的變化曲線如圖7所示。由圖可知，當碟簧的彈性模量為200 GPa時，可以傳遞的鉆壓分量較大，所以在沖擊載荷作用下，碟簧的受力也較大，最大等效應力為900 MPa左右。此最大等效應力是假設碟簧在彈性范圍內，同時該應力出現在碟簧的線接觸應力集中區域；而實際應用中碟簧的結構比較復雜，不可能出現這么大的應力，此處分析僅為了說明碟簧受沖擊載荷作用下的應力變化趨勢。

圖7 推力關節軸承處碟簧上一節點應力曲線

5 結束語

根據導向鉆井系統中關節軸承的受力特點設計了向心關節軸承+推力關節軸承的組合結構，有限元分析結果表明：

(1)該組合系統中推力關節軸承的承載面積較大，接觸應力較小；而向心關節軸承的承載面積較小，靠近推力關節軸承側的邊緣接觸應力較大，會縮短軸承系統的壽命。

(2)當推力關節軸承處碟簧剛度較大時，推力關節軸承分擔的鉆壓較大，而向心關節軸承的應力值較小，所以應根據具體結構和井底工況對2套軸承處的碟簧進行優化設計，進而較好地實現鉆壓的分載，保證軸承的壽命。