PDC軸承長壽命螺桿鉆具傳動軸總成設計

龍 靜

(中石化江鉆石油機械有限公司，武漢 430223)

隨著石油天然氣勘探開發的發展，越來越多的螺桿鉆具應用于深井、超深井等鉆井作業中。螺桿鉆具包括旁通閥總成、馬達總成、萬向軸總成和傳動軸總成，各個部分分別自上而下依次連接。螺桿鉆具以鉆井液為動力，把液體壓力能轉化為機械能。泥漿泵泵出的泥漿流經旁通閥總成，進入馬達總成，在馬達總成處產生轉速和轉矩，萬向軸總成和傳動軸總成將轉速和轉矩傳遞給鉆頭，實現鉆井作業。傳動軸總成在傳遞轉矩和轉速的同時，還要承受鉆頭的軸向壓力，是螺桿鉆具極為關鍵的部件，其結構和性能直接關系到螺桿鉆具的效率和使用壽命。

1 傳動軸總成結構方案分析

目前，螺桿鉆具傳動軸總成主要有開放式和密封式2種結構形式。開放式傳動軸總成是以鉆井液作為軸承潤滑和冷卻的介質。密封式傳動軸總成是在1個密閉腔內使用油或油脂作為軸承潤滑和冷卻的介質。

密封式傳動軸總成大都采用活塞式的密封平衡技術，也就是在軸承上方裝有活塞式上密封裝置，在軸承下方安裝下密封裝置。其缺點是：由于鉆頭噴嘴會產生壓降，所以從活塞式上密封裝置到下密封裝置會產生壓降。這個壓降會推動活塞式上密封裝置沿軸線往下移動，導致潤滑油不斷從下密封裝置泄露。

開放式傳動軸總成是目前螺桿鉆具傳動軸總成的主流結構形式，其軸承采用的是推力球軸承組(如圖1所示)。這種結構的缺點是：軸承組在井下工作時承受軸向沖擊載荷,鉆井液磨粒磨損及高速旋轉,連續工作120～150 h，推力球軸承組的滾珠就發生碎裂和磨損(如圖2所示)。螺桿鉆具推力球軸承組的結構空間有限，如果增大滾珠的直徑，可改善其受力狀態，但是每列中的滾珠數目就會減少，整個軸承的承載能力就降低了，軸承內外圈的結構變薄，容易引起套圈的過早斷裂，降低軸承的壽命[1-2]。

圖1 推力球軸承傳動軸總成

圖2 推力球軸承組失效形貌

聚晶金剛石復合片(Polycrystalline Diamond Compacts，簡稱 PDC)具有高硬度和高耐磨性(硬度約為10 000 HV)、摩擦因數低(摩擦因數為0.05～0.08)、熱導率高的特點，可以與金屬材料通過焊接的方式加工制造成PDC滑動止推軸承[3-4]。采用PDC滑動止推軸承代替推力球軸承組，在螺桿鉆具傳動軸總成中使用，可提高傳動軸總成的使用壽命。

2 PDC軸承傳動軸總成結構及工作原理

1) 傳動軸總成結構。

PDC軸承主要由軸承動環和軸承靜環2部分組成，如圖3所示。軸承靜環與殼體，調整套、擋套、上TC靜套，通過上TC靜套與殼體之間的螺紋連接，將固定在殼體上的這些零件壓緊，在工作過程中不發生相對轉動。傳動軸、下TC動套、軸承動環、隔套、中間隔套、上TC動套、上調整套、水帽，通過水帽與傳動軸的螺紋連接，將固定在傳動軸上這些零件壓緊，在工作過程中不發生相對轉動。

1-傳動軸；2-下TC靜套；3-下TC動套；4-調整套；5-隔套；6-軸承動環；7-中間隔套；8-軸承靜環；9-擋套；10-殼體；11-上TC動套；12-上TC靜套；13-上調整套；14-水帽。圖3 螺桿鉆具PDC軸承傳動軸總成結構示意

2) 工作原理。

螺桿鉆具動力馬達帶動傳動軸及鉆頭旋轉的同時進行鉆進，鉆桿施加的鉆壓傳遞到鉆頭上，增加鉆頭對地層的切削力。鉆頭承受的鉆壓傳遞給傳動軸，當鉆壓大于水力載荷+自重力時，水力載荷+自重力平衡掉一部分鉆壓，剩余的鉆壓載荷推動傳動軸向上移動，軸承動環和靜環端面相接觸，并發生相對轉動，軸承靜環將載荷通過擋套、殼體傳遞給鉆桿，此時靠近鉆頭端的一副PDC軸承承受載荷，反裝的一副PDC軸承動環和軸承靜環分開，且不承受載荷。反之亦然。

3 PDC滑動推力軸承設計

PDC軸承在高轉速、重載荷條件下使用，設計時要考慮有一定的鉆井液通過PDC軸承，將其工作時相互摩擦產生的熱量帶走，以防止軸承的復合片在高溫條件下表面碳化而快速失效。主要考慮3個因數：復合片之間的間隙、軸承承載面積、軸承承載串數[5]。

3.1 軸承復合片之間間隙

設計復合齒在軸承圓周方向上的間隙δ(如圖4所示)，要保證軸承摩擦產生的熱量H小于等于流動的液體所帶走的熱量H1與軸承散發的熱量H2(軸承的金屬表面通過傳導和輻射把一部分熱量散發到周圍介質中去)之和,以防止金剛石復合片在約750 ℃的溫度下受到熱降解作用，以及金剛石復合片表面發生碳化失效、硬度和耐磨性急劇降低[6]，如圖5所示。

圖4 PDC軸承齒間間隙

圖5 金剛石復合片表面碳化失效形貌

熱量計算式為[7]：

H≤H1+H2

(1)

軸承工作時產生的熱量H為：

H=fpv

(2)

流出的液體帶走的熱量H1為：

H1=CPρQ(t0-t1)

(3)

軸承散發的熱量H2為：

H2=αsπdB(t0-t1)

(4)

式中：f為軸承的摩擦因數；p為軸承的平均壓力，Pa；v為軸承的線速度，m/s；Cp為液體的比熱容，鉆井泥漿比熱容為3.2～3.5 J/(g·℃)；ρ為泥漿密度，g/cm3，取ρ=1.1～1.3 g/cm3；Q為流量，m3/s；t0為液體的出口溫度，℃；t1為液體的入口溫度，℃；αs為軸承表面傳熱系數；πdB為軸承散熱面積 。

3.2 軸承承載面積

考慮動環和靜環之間是相對轉動的，設計時，盡量保證動環和靜環的復合片最大接觸面積和最小接觸面積之差較小，復合片數量以奇數和偶數相接觸為最佳[3]。

以?172 mm螺桿鉆具傳動軸總成結構為例，根據工況條件、復合片之間的間隙大小及傳動軸結構尺寸，設計了軸承動環和靜環的復合片分布。動環和靜環以某一顆復合片重合為起始基準，繞著圓心以相對轉動角度為0.25°的數量增加進行旋轉，如圖6所示，動環和靜環相對轉動角度為1°時，從圖6中可以看出動環和靜環的重合面積與0°時重合面積相等，動環和靜環復合片在旋轉1周過程中，重合面積大小的變化以無數個周期在進行變化。

圖6 動、靜環合金齒接觸示意

3.3 軸承承載串數

PDC軸承串數的確定是首先計算出單副PDC軸承的線速度大小，軸承尺寸如圖7所示。根據螺桿鉆具PDC傳動軸總成承受的最大鉆壓，計算出單副PDC軸承的復合片接觸壓力。根據圖8和圖9[8]確定合適的軸承串數和軸承的理論壽命值。

圖7 軸承尺寸示意

PDC軸承的線速度為：

v=π×D0×n

(5)

式中：v為PDC軸承的線速度；D0為PDC復合片中心的直徑；D0=(D1+D2)/2；D1為軸承內徑；D2為軸承外徑；n為軸承轉速。

單副軸承接觸壓力：

p0=P/(l×κ)

(6)

式中：P為鉆壓；l為軸承串數；κ為載荷不均勻系數。

圖8 線速度與接觸壓力關系

圖9 pv值與磨損量關系

3.4 軸承游隙

為保證組裝后的PDC軸承在傳動軸總成中能正常工作和長時間的使用，設計時需要確定合適的軸承軸向游隙值。軸向游隙值太小,在軸承組裝后，零件被壓縮變形，導致軸承卡死而無法轉動。軸向游隙太大，PDC軸承之間相互軸向移動距離太多，復合片抗沖擊能力弱，在工作過程中容易被沖擊而碎裂[9]。

4 有限元分析

PDC軸承的設計采用有限元法進行PDC軸承的軸向載荷分析和PDC軸承的熱固耦合及流熱耦合分析。

4.1 力學計算分析

在UG軟件中創建需要計算的受力零件的三維模型。為提高軟件分析計算的準確性，減少零件的部分尺寸對計算結果的干擾，在ABACUS分析中將零件的非關鍵尺寸進行刪除，PDC軸承的簡化計算模型如圖10所示。

圖10 PDC軸承簡化后的模型

固定靜環和隔套，將動環和中間隔套沿著軸向設定一定位移值的邊界條件；建立動環復合片與靜環復合片、動環與中間隔套、靜環與調整套的接觸關系，法向采用硬接觸，側向接觸為無摩擦接觸關系。在動環的表面施加“Coupling”的集中力，值為120 kN，方向沿著軸向。模型進行網格劃分，單元類型為C3D8R，單元尺寸為1～4 mm。PDC動靜環軸向載荷分布如圖11所示。

圖11 PDC動靜環軸向載荷分布示意

分析結果表示，當動環承受軸向載荷為120 kN時，計算出相應動環PDC、靜環PDC承受軸向載荷的值，經多組計算結果比較，其軸向載荷力值在傳遞過程中逐漸減小。

4.2 熱固耦合分析

為驗證PDC復合片之間摩擦生熱情況，及流體對PCD復合片的冷卻情況的計算是否正確或合理, 采用Abaqus/Explicit和Fluent軟件對PDC軸承進行軸承熱-固及流-熱耦合分析。

在Abaqus/Explicit中計算PCD復合片間摩擦生熱，即，熱-固耦合；在Fluent中計算流體對PCD復合片的冷卻，即，流-熱耦合。最后分析在同一時間段內，流體對PCD復合片摩擦升高的溫度能否進行有效的冷卻，如圖12所示[10-13]。分析的數據如表1～2。

圖12 溫度云圖和速度矢量云圖

表1 PCD復合片固體域的初始化溫度分析數據

表2 PCD復合片的冷卻速率分析數據

5 PDC軸承傳動軸總成現場應用

?172 mm螺桿鉆具PDC軸承傳動軸總成在某油田使用，鉆井工況為：井段2 487～2 812 m，鉆井液排量32～36 L/s，泥漿密度1.1～1.3 g/cm3，在井下連續工作153 h后正常起鉆。對螺桿鉆具PDC軸承傳動軸總成進行拆卸、檢查，測量軸承高度和內外徑尺寸，檢測復合片表面失效情況。檢測結果表明：高度尺寸未發生變化，復合齒表面完整、無損傷，表現出高耐磨性特點。如圖13所示。

圖13 下井使用后的軸承動環

6 結語

PDC軸承因其耐磨損、高承載力的特點，應用在螺桿鉆具傳動軸總成中，使螺桿鉆具傳動軸總成壽命提高、結構簡單易拆卸，同時也使傳動軸總成長度減小700 mm以上。PDC軸承具有多次重復利用的特點，既提高了傳動軸總成的使用壽命，又降低了螺桿鉆具的修復成本[14-15]。

本文根據螺桿鉆具的工作特點，設計了一種高耐磨性的PDC軸承傳動軸總成，對其中的重要部件PDC軸承進行了結構、力學、熱耦合的分析，在常規的傳動軸總成的基礎上提出了多項創新技術，例如，軸承更換為高耐磨高承載的PDC軸承、對TC扶正軸承優化結構和工藝、優化總成使其結構簡單安裝拆卸更快捷等。井下試驗表明，該PDC軸承傳動軸總成的使用壽命比常用的推力球軸承傳動軸總成的壽命增加2～3倍。

采用PDC軸承的傳動軸總成雖然具備諸多優點，但是其生產制造難度大、工藝控制復雜，因此后期需要在產品的生產制造工藝方面加大研究，以提高產品的質量穩定性和生產效率，降低制造成本。該類產品的市場應用尚未大量普及，推廣應用時間短，所以尚未得到市場的廣泛認可，產品產量低、售價稍高。

PDC軸承傳動軸總成除了用于螺桿鉆具外，還可用于渦輪鉆具、旋轉導向螺桿等多種井下鉆井工具。隨著產品的逐步推廣和應用，加之生產工藝的成熟和穩定，PDC軸承傳動軸總成將具有廣泛的應用前景和市場價值。