高速牙輪鉆頭軸承密封研究

鄧寧　李帥

摘?要：牙輪鉆頭軸承密封壽命是影響牙輪鉆頭使用壽命的關鍵因素之一，隨著深井、超深井以及地熱鉆井的不斷增加，井下溫度越來越高，對軸承密封能力提出了新的要求。本文主要針對8 1/2GHJ高速牙輪鉆頭軸承密封結構進行研究分析，結合牙輪鉆頭軸承密封的實際工況和尺寸參數，以及高轉速、高鉆壓、高井溫的要求，從密封形式、軸承結構及潤滑油脂等方面進行重新設計和優化，技術經濟指標好，能滿足現代鉆井工藝的需求。

關鍵詞：牙輪鉆頭;軸承密封;軸承結構

隨著世界油氣資源勘探開發不斷向海洋、沙漠、高原等復雜地質條件和惡劣自然環境的發展，鉆井難度也不斷加大，對牙輪鉆頭工作性能提出了更高的要求。通過實踐表明，三牙輪鉆頭中只要一只牙輪的軸承先期損壞，就使整個鉆頭很快失效。鉆頭的使用壽命幾乎直接取決于鉆頭軸承壽命。

而牙輪鉆頭工作壽命主要取決鉆頭軸承在承受高鉆壓和高轉速的情況下軸承系統運行的穩定性和可靠性，其軸承系統的運行關鍵在于其軸承的密封裝置的穩定性和可靠性和耐用性。隨著技術的發展，牙輪鉆頭的包括雙金屬密封和單金屬密封結構的密封裝置，其運行的穩定性和可靠性都有較大程度的提高。但是現有的這類牙輪鉆頭軸承系統的密封裝置，其相應的零部件制造工藝比較復雜，且由于結構等原因在高壓和高轉速惡劣工作環境下，抗沖擊振動和擺動性不夠滿意。如“雙金屬密封鉆頭的接觸端面壓應力分布高度不均勻，分布的區域多集中在密封金屬環帶內則1/3區域內，其必須經過前期的一個較長時間的使用磨合，才能使端面壓應力漸趨于均勻、緩和，若前期使用過程中操作不當易造成雙金屬密封過早失效”。由于現有金屬密封鉆頭的接觸面壓應力集中在密封金屬環內則1/3區域，外則壓應力小，鉆進工作時，軸承腔內的潤滑脂不易進入金屬環磨擦付接觸面難以形成油膜，這將使得鉆頭軸承外部的具有腐蝕性及研磨性的泥漿較容易浸入雙金屬密封環磨擦付接觸面內，導致先期金屬環磨擦付接觸面磨損，密封失效，軸承過早損壞。

1 研究內容

本文以提高牙輪鉆頭壽命、打入3000米以下地層作為目標開發對象，結合牙輪鉆頭軸承密封的實際工況和尺寸參數，針對高轉速、高鉆壓、高井溫的要求，從密封形式、軸承密封結構及潤滑油脂等方面進行重新設計和優化。針對現有技術存在的問題，提供一種牙輪鉆頭的密封裝置。該牙輪鉆頭的密封裝置結構簡單、合理，制造簡單，密封效果好，運行穩定可靠，使用壽命長。

（1）該牙輪鉆頭的密封裝置包括設于牙輪體和牙掌軸承之間的密封槽、以及設于所述密封槽內的密封組件，所述密封組件包括相互層疊連接的彈性密封圈和剛性密封環，所述剛性密封環和彈性密封圈于軸向的相向兩側劈面分別設有相互對應連接的密封面，所述剛性密封環的軸向另一側壁面和牙掌軸承的相應壁面分別設有相互對應連接的密封面，所述彈性密封圈其徑向外側壁面和牙輪體的相應壁面分別設有相互對應連接的密封面。

（2）彈性密封圈包括O形彈性密封圈所述剛性密封環包括爪形剛性密封環，爪形剛性密封環其與牙輪體的相應的密封面連接的密封面呈直形面，爪形剛性密封環的與牙掌軸承連接的相應一側壁面其靠外側部位設置呈軸向凸體，爪形剛性密封環的該一側壁面的密封面由該凸體的頂壁面構成，與該頂壁面密封面相對應的牙掌軸承的密封面設于牙掌軸承的相應壁面的凹臺階面上。

（3）牙輪體的密封面包括與O形彈性密封圈對應的弧形或直形密封面，亦或包括與O形彈性密封圈對應的弧形或直形密封面、以及與所述爪形剛性密封環的相應的密封面連接的直形密封面。輪體的密封面由直形面和密封槽的相應一側的相應的弧形角部連接構成。剛性密封環其與牙掌軸承的密封面連接的相應的密封面自密封圈的外側往內側向彈性密封圈方向傾斜呈一傾斜面，所述傾斜面的傾斜角度為0-90度。O形彈性密封圈的弧形密封面連接的爪形剛性密封環的相應的密封面的形狀呈相應的弧形。其特點是采用高能量密度的快速加熱，將金屬表面層或涂覆與金屬表面的合金化材料熔化，隨后靠自激冷卻進行凝固以得到特殊結構或特定性能的強化層。這種特殊的機構或者是細化的晶體組織、或者是過飽和相、亞穩相，甚至是非晶態組織，這就取決于表面冶金的工藝參數和方法。

2 結語

牙輪本牙輪鉆頭的密封裝置不僅結構簡單，易于加工制作，且更能適應牙輪鉆頭工作鉆進中抗沖擊振動和擺動，具有更好的流體動密封效果，可最大程度的保護相應的接觸面油膜不受損壞，大幅提高鉆頭的使用壽命。特別適用于石油、地質、工程用的密封型牙輪鉆頭。

參考文獻：

[1]周己，黃志強.高速牙輪鉆頭軸承雙金屬密封有限元分析[J].科技信息，2013（03）.

[2]張曉東，張毅.單金屬密封總裝設計和潤滑理論分析[J].機械設計于研究，2013（06）.

[3]郭榮.高速牙輪鉆頭軸承密封的實驗研究[D].成都：西南石油大學，2001.

作者簡介：鄧寧（1981-），男，本科，工程師;李帥（1983-），男，本科，助理工程師。