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(guān)鍵因素之一，隨著深井、超深井以及地?zé)徙@井的不斷增加，井下溫度越來越高，對(duì)軸承密封能力提出了新的要求。本文主要針對(duì)8 1/2GHJ高速牙輪鉆頭軸承密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，結(jié)合牙輪鉆頭軸承密封的實(shí)際工況和尺寸參數(shù)，以及高轉(zhuǎn)速、高鉆壓、高井溫的要求，從密封形式、軸承結(jié)構(gòu)及潤滑油脂等方面進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好，能滿足現(xiàn)代鉆井工藝的需求。

關(guān)鍵詞：牙輪鉆頭;軸承密封;軸承結(jié)構(gòu)

隨著世界油氣資源勘探開發(fā)不斷向海洋、沙漠、高原等復(fù)雜地質(zhì)條件和惡劣自然環(huán)境的發(fā)展，鉆井難度也不斷加大，對(duì)牙輪鉆頭工作性能提出了更高的要求。通過實(shí)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(gè)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(zhuǎn)速的情況下軸承系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，其軸承系統(tǒng)的運(yùn)行關(guān)鍵在于其軸承的密封裝置的穩(wěn)定性和可靠性和耐用性。隨著技術(shù)的發(fā)展，牙輪鉆頭的包括雙金屬密封和單金屬密封結(jié)構(gòu)的密封裝置，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性都有較大程度的提高。但是現(xiàn)有的這類牙輪鉆頭軸承系統(tǒng)的密封裝置，其相應(yīng)的零部件制造工藝比較復(fù)雜，且由于結(jié)構(gòu)等原因在高壓和高轉(zhuǎn)速惡劣工作環(huán)境下，抗沖擊振動(dòng)和擺動(dòng)性不夠滿意。如“雙金屬密封鉆頭的接觸端面壓應(yīng)力分布高度不均勻，分布的區(qū)域多集中在密封金屬環(huán)帶內(nèi)則1/3區(qū)域內(nèi)，其必須經(jīng)過前期的一個(gè)較長時(shí)間的使用磨合，才能使端面壓應(yīng)力漸趨于均勻、緩和，若前期使用過程中操作不當(dāng)易造成雙金屬密封過早失效”。由于現(xiàn)有金屬密封鉆頭的接觸面壓應(yīng)力集中在密封金屬環(huán)內(nèi)則1/3區(qū)域，外則壓應(yīng)力小，鉆進(jìn)工作時(shí)，軸承腔內(nèi)的潤滑脂不易進(jìn)入金屬環(huán)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(huán)磨擦付接觸面內(nèi)，導(dǎo)致先期金屬環(huán)磨擦付接觸面磨損，密封失效，軸承過早損壞。

1 研究內(nèi)容

本文以提高牙輪鉆頭壽命、打入3000米以下地層作為目標(biāo)開發(fā)對(duì)象，結(jié)合牙輪鉆頭軸承密封的實(shí)際工況和尺寸參數(shù)，針對(duì)高轉(zhuǎn)速、高鉆壓、高井溫的要求，從密封形式、軸承密封結(jié)構(gòu)及潤滑油脂等方面進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)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(jié)構(gòu)簡單、合理，制造簡單，密封效果好，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使用壽命長。

（1）該牙輪鉆頭的密封裝置包括設(shè)于牙輪體和牙掌軸承之間的密封槽、以及設(shè)于所述密封槽內(nèi)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(huán)，所述剛性密封環(huán)和彈性密封圈于軸向的相向兩側(cè)劈面分別設(shè)有相互對(duì)應(yīng)連接的密封面，所述剛性密封環(huán)的軸向另一側(cè)壁面和牙掌軸承的相應(yīng)壁面分別設(shè)有相互對(duì)應(yīng)連接的密封面，所述彈性密封圈其徑向外側(cè)壁面和牙輪體的相應(yīng)壁面分別設(shè)有相互對(duì)應(yīng)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(huán)包括爪形剛性密封環(huán)，爪形剛性密封環(huán)其與牙輪體的相應(yīng)的密封面連接的密封面呈直形面，爪形剛性密封環(huán)的與牙掌軸承連接的相應(yīng)一側(cè)壁面其靠外側(cè)部位設(shè)置呈軸向凸體，爪形剛性密封環(huán)的該一側(cè)壁面的密封面由該凸體的頂壁面構(gòu)成，與該頂壁面密封面相對(duì)應(yīng)的牙掌軸承的密封面設(shè)于牙掌軸承的相應(yīng)壁面的凹臺(tái)階面上。

（3）牙輪體的密封面包括與O形彈性密封圈對(duì)應(yīng)的弧形或直形密封面，亦或包括與O形彈性密封圈對(duì)應(yīng)的弧形或直形密封面、以及與所述爪形剛性密封環(huán)的相應(yīng)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(yīng)一側(cè)的相應(yīng)的弧形角部連接構(gòu)成。剛性密封環(huán)其與牙掌軸承的密封面連接的相應(yīng)的密封面自密封圈的外側(cè)往內(nèi)側(cè)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(huán)的相應(yīng)的密封面的形狀呈相應(yīng)的弧形。其特點(diǎn)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(jìn)行凝固以得到特殊結(jié)構(gòu)或特定性能的強(qiáng)化層。這種特殊的機(jī)構(gòu)或者是細(xì)化的晶體組織、或者是過飽和相、亞穩(wěn)相，甚至是非晶態(tài)組織，這就取決于表面冶金的工藝參數(shù)和方法。

2 結(jié)語

牙輪本牙輪鉆頭的密封裝置不僅結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制作，且更能適應(yīng)牙輪鉆頭工作鉆進(jìn)中抗沖擊振動(dòng)和擺動(dòng)，具有更好的流體動(dòng)密封效果，可最大程度的保護(hù)相應(yīng)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(zhì)、工程用的密封型牙輪鉆頭。

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