高速牙轮钻头轴承密封研究
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作者:邓宁 李帅
摘 要：牙轮钻头轴承密封寿命是影响牙轮钻头使用寿命的关键因素之一，随着深井、超深井以及地热钻井的不断增加，井下温度越来越高，对轴承密封能力提出了新的要求。本文主要针对8 1/2GHJ高速牙轮钻头轴承密封结构进行研究分析，结合牙轮钻头轴承密封的实际工况和尺寸参数，以及高转速、高钻压、高井温的要求，从密封形式、轴承结构及润滑油脂等方面进行重新设计和优化，技术经济指标好，能满足现代钻井工艺的需求。
關键词：牙轮钻头;轴承密封;轴承结构
随着世界油气资源勘探开发不断向海洋、沙漠、高原等复杂地质条件和恶劣自然环境的发展，钻井难度也不断加大，对牙轮钻头工作性能提出了更高的要求。通过实践表明，三牙轮钻头中只要一只牙轮的轴承先期损坏，就使整个钻头很快失效。钻头的使用寿命几乎直接取决于钻头轴承寿命。
而牙轮钻头工作寿命主要取决钻头轴承在承受高钻压和高转速的情况下轴承系统运行的稳定性和可靠性，其轴承系统的运行关键在于其轴承的密封装置的稳定性和可靠性和耐用性。随着技术的发展，牙轮钻头的包括双金属密封和单金属密封结构的密封装置，其运行的稳定性和可靠性都有较大程度的提高。但是现有的这类牙轮钻头轴承系统的密封装置，其相应的零部件制造工艺比较复杂，且由于结构等原因在高压和高转速恶劣工作环境下，抗冲击振动和摆动性不够满意。如“双金属密封钻头的接触端面压应力分布高度不均匀，分布的区域多集中在密封金属环带内则1/3区域内，其必须经过前期的一个较长时间的使用磨合，才能使端面压应力渐趋于均匀、缓和，若前期使用过程中操作不当易造成双金属密封过早失效”。由于现有金属密封钻头的接触面压应力集中在密封金属环内则1/3区域，外则压应力小，钻进工作时，轴承腔内的润滑脂不易进入金属环磨擦付接触面难以形成油膜，这将使得钻头轴承外部的具有腐蚀性及研磨性的泥浆较容易浸入双金属密封环磨擦付接触面内，导致先期金属环磨擦付接触面磨损，密封失效，轴承过早损坏。
1 研究内容
本文以提高牙轮钻头寿命、打入3000米以下地层作为目标开发对象，结合牙轮钻头轴承密封的实际工况和尺寸参数，针对高转速、高钻压、高井温的要求，从密封形式、轴承密封结构及润滑油脂等方面进行重新设计和优化。针对现有技术存在的问题，提供一种牙轮钻头的密封装置。该牙轮钻头的密封装置结构简单、合理，制造简单，密封效果好，运行稳定可靠，使用寿命长。
（1）该牙轮钻头的密封装置包括设于牙轮体和牙掌轴承之间的密封槽、以及设于所述密封槽内的密封组件，所述密封组件包括相互层叠连接的弹性密封圈和刚性密封环，所述刚性密封环和弹性密封圈于轴向的相向两侧劈面分别设有相互对应连接的密封面，所述刚性密封环的轴向另一侧壁面和牙掌轴承的相应壁面分别设有相互对应连接的密封面，所述弹性密封圈其径向外侧壁面和牙轮体的相应壁面分别设有相互对应连接的密封面。
（2）弹性密封圈包括O形弹性密封圈所述刚性密封环包括爪形刚性密封环，爪形刚性密封环其与牙轮体的相应的密封面连接的密封面呈直形面，爪形刚性密封环的与牙掌轴承连接的相应一侧壁面其靠外侧部位设置呈轴向凸体，爪形刚性密封环的该一侧壁面的密封面由该凸体的顶壁面构成，与该顶壁面密封面相对应的牙掌轴承的密封面设于牙掌轴承的相应壁面的凹台阶面上。
（3）牙轮体的密封面包括与O形弹性密封圈对应的弧形或直形密封面，亦或包括与O形弹性密封圈对应的弧形或直形密封面、以及与所述爪形刚性密封环的相应的密封面连接的直形密封面。轮体的密封面由直形面和密封槽的相应一侧的相应的弧形角部连接构成。刚性密封环其与牙掌轴承的密封面连接的相应的密封面自密封圈的外侧往内侧向弹性密封圈方向倾斜呈一倾斜面，所述倾斜面的倾斜角度为0-90度。O形弹性密封圈的弧形密封面连接的爪形刚性密封环的相应的密封面的形状呈相应的弧形。其特点是采用高能量密度的快速加热，将金属表面层或涂覆与金属表面的合金化材料熔化，随后靠自激冷却进行凝固以得到特殊结构或特定性能的强化层。这种特殊的机构或者是细化的晶体组织、或者是过饱和相、亚稳相，甚至是非晶态组织，这就取决于表面冶金的工艺参数和方法。
2 结语
牙轮本牙轮钻头的密封装置不仅结构简单，易于加工制作，且更能适应牙轮钻头工作钻进中抗冲击振动和摆动，具有更好的流体动密封效果，可最大程度的保护相应的接触面油膜不受损坏，大幅提高钻头的使用寿命。特别适用于石油、地质、工程用的密封型牙轮钻头。
参考文献：
[1]周己，黄志强.高速牙轮钻头轴承双金属密封有限元分析[J].科技信息，2013（03）.
[2]张晓东，张毅.单金属密封总装设计和润滑理论分析[J].机械设计于研究，2013（06）.
[3]郭荣.高速牙轮钻头轴承密封的实验研究[D].成都：西南石油大学，2001.
作者简介：邓宁（1981-），男，本科，工程师;李帅（1983-），男，本科，助理工程师。
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