渦輪鉆具支承節的結構分析

何涵 吳文秀 成芳

摘 要：支承節是渦輪鉆具的重要組成部分，也是其最脆弱的部分。它主要由主軸、殼體、軸承和花鍵軸四大部分組成。本文先簡要介紹了渦輪鉆具的工作原理和組成部分，并通過比較分析，確定了一種適合渦輪鉆具支承節工作環境的推力軸承，最后重點對渦輪鉆具支承節的主要組成部分進行了結構上的分析和設計，旨在為其后續的研究工作提供參考和借鑒。

關鍵詞：渦輪鉆具 支承節 軸承

中圖分類號：TE921 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（c）-0059-03

渦輪鉆具在工作時，高壓液體通過渦輪，分別與定子和轉子葉片相互作用，發生動量矩改變，使壓力能轉化為渦輪鉆具主軸的機械能，使主軸轉動產生較大力矩后帶動鉆頭破碎巖石。同時，泥漿經過動力鉆具后，進入鉆頭，并從鉆頭水眼中噴出沖洗井底，再從環形空間返回，帶走巖屑，實現連續鉆進[1]。

渦輪鉆具主要包括渦輪節和支承節。其中渦輪節是渦輪鉆具的動力源，決定著渦輪鉆具性能的好壞。單獨作用的渦輪節輸出的轉速較高，扭矩小，輸出經常達不到理想的效果。現代化的渦輪鉆具大多配備了減速器，減速器可以將渦輪鉆具輸出的高轉速轉化為中低轉速，小扭矩轉化成大扭矩，達到理想的輸出狀態。支承節是渦輪鉆具的第二大組成部分，它的主要職能是承受鉆壓，傳遞渦輪節動力。在工作過程中，支承節要受到很大的由渦輪節傳來的動載荷，容易損壞，是整個渦輪鉆具中的脆弱部分。因此，為了便于維修和更換，在設計的過程中，支承節往往單獨成節。減速器渦輪鉆具結構如圖1所示。

1 推力軸承的選擇

渦輪鉆具的壽命主要取決于其支承節，而支承節的壽命則主要取決于其內部的推力軸承，因此，選擇合適的推力軸承，對提高渦輪鉆具的工作壽命和鉆井效率有著至關重要的作用。對比橡膠-金屬止推軸承，深溝球軸承和四支點推力球軸承的優缺點，選出最適合減速器渦輪鉆具的止推軸承。橡膠-金屬止推軸承壽命短，摩擦損失大，且不耐高溫，優點是其價格便宜。深溝球軸承主要用于承受徑向載荷，也可承受較小的軸向載荷。這種軸承運用比較普遍且價格低廉。四支點推力球軸承是采用55SiMoV特殊軸承鋼制造，其內外圈熱處理硬度稍低于鋼球硬度。通常采用多列串聯式結構，具有承載能力大、耐沖擊、結構簡單和拆裝方便，并能承受雙向軸向載荷，摩擦損失小，軸承壽命比橡膠-金屬止推軸承長很多，適用于轉速低、載荷大、震動劇烈的場合且能耐高溫，但價格相對較貴[2]。

結合渦輪鉆具的實際工作條件，橡膠-金屬止推軸承由于其材料有橡膠成分，不利于高溫工作。而且它不能承受大載荷和劇烈震動，不耐沖擊，容易損壞。其摩擦損失也很大，降低了渦輪鉆具的效率。深溝球軸承不能承受過大的軸向載荷，而支承節止推軸承需要承受整個渦輪鉆具大部分的軸向力。與以上兩種止推軸承相比，四支點推力球軸承球軸承不存在上述缺點，且綜合性能更好，更加適合井下工作，因此應選擇使用四支點推力球軸承。

2 主要組成部分

2.1 主軸

支承節主軸主要用來傳遞功率和扭矩。上端為普通螺紋，用于防松；下端為標準的錐形接頭螺紋，以便與鉆頭相連。中間要求保證泥漿的通過，完成高壓泥漿驅動鉆頭進行鉆進過程。故采用空心軸結構。在裝配過程中，先在軸的外部套上軸承，然后通過花鍵軸螺紋將花鍵軸與軸聯接在一起，此時軸承組內圈被花鍵軸壓緊，這樣便實現了軸承組系統的軸向定位，如圖2所示。

2.2 殼體

支承節殼體兩端均有螺紋，通過螺紋連接將殼體內零件壓緊，使零件在工作過程中不出現松動現象。在裝配的時候，先在殼體里面裝上軸承，然后在殼體的兩端分別為用螺紋與上接頭和下接頭連接，上、下接頭可以壓緊軸承的兩端外圈，這樣便實現了軸和軸承的系統軸向定位，如圖3所示。

2.3 軸承

渦輪鉆具支承節軸承主要有推力軸承和扶正軸承兩大類。其中推力軸承主要用來承受來自渦輪節的軸向推力，由于在渦輪鉆具的工作過程中，支承節所承受的來自渦輪節的軸向動載很大，而這些軸向動載均由推力軸承所承受，所以支承節的推力軸承極容易損壞，是整個渦輪鉆具的易損部件。支承節主軸一般具有很大的長度，主軸旋轉時，在徑向力的作用下很容易產生擺動。為了解決這個問題，主軸的上下兩端均被裝上了可以有效減少徑向擺動的滑動軸承，這種軸承被稱為扶正軸承，該軸承的內部表面均鑲嵌了耐磨性能很好的硬質合金快，擁有很長的使用壽命，如圖4、5所示。

2.4 花鍵軸

渦輪鉆具支承節中的花鍵軸裝配于渦輪節的最后一節與支承節之間，它的作用是傳遞二者之間的扭矩；在花鍵軸軸壁的中間部位，開有3個互相呈120°，均布的泥漿流道，高壓泥漿可以從這些流道中的流通，然后進入鉆頭部位以沖洗鉆井過程中產生的巖屑，起到保持清潔的作用。

花鍵軸的截面為齒面，其主要失效形式為齒面磨損失效和壓潰失效。當齒面摩擦或者嚙合齒面之間落入磨料性物質，都會使齒面磨損報廢，導致磨損失效。而當齒面所受的壓力不均勻，或者壓力過大超過了齒面的承受范圍，則容易產生齒面壓潰，導致壓潰失效，如圖6、圖7、圖8所示。

2.5 整體結構

完成各個部分零件的設計后，渦輪鉆具支承節的整體結構裝配圖如圖9所示。

3 結語

面對未來表層石油資源緊缺，石油開采難度增大的必然趨勢，為了滿足工業生產的需求，未來石油的開采將面對超深井、難開采井、老井側鉆和深層勘探不斷增加的發展趨勢。而目前我們國產的渦輪鉆具距離國外先進水平還有很大的差距，為了順應時代的發展，我們的科研人員必須虛心學習，勇于創新，不斷改進結構，完善工藝，爭取讓我們中國的渦輪鉆具也邁入世界前列。

參考文獻

[1] 趙政.基于SOLIDWORKS的浮動定子240渦輪鉆具支承節[J].科學導報·教育論壇，2015（11）：253.

[2] 張思朋，王偉.減速渦輪鉆具支承節的結構選擇[J].民營科技，2015（11）：34-35.