涡轮钻具支承节的结构分析

何涵 吴文秀 成芳

摘 要：支承节是涡轮钻具的重要组成部分，也是其最脆弱的部分。它主要由主轴、壳体、轴承和花键轴四大部分组成。本文先简要介绍了涡轮钻具的工作原理和组成部分，并通过比较分析，确定了一种适合涡轮钻具支承节工作环境的推力轴承，最后重点对涡轮钻具支承节的主要组成部分进行了结构上的分析和设计，旨在为其后续的研究工作提供参考和借鉴。

关键词：涡轮钻具 支承节 轴承

中图分类号：TE921 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）11（c）-0059-03

涡轮钻具在工作时，高压液体通过涡轮，分别与定子和转子叶片相互作用，发生动量矩改变，使压力能转化为涡轮钻具主轴的机械能，使主轴转动产生较大力矩后带动钻头破碎岩石。同时，泥浆经过动力钻具后，进入钻头，并从钻头水眼中喷出冲洗井底，再从环形空间返回，带走岩屑，实现连续钻进[1]。

涡轮钻具主要包括涡轮节和支承节。其中涡轮节是涡轮钻具的动力源，决定着涡轮钻具性能的好坏。单独作用的涡轮节输出的转速较高，扭矩小，输出经常达不到理想的效果。现代化的涡轮钻具大多配备了减速器，减速器可以将涡轮钻具输出的高转速转化为中低转速，小扭矩转化成大扭矩，达到理想的输出状态。支承节是涡轮钻具的第二大组成部分，它的主要职能是承受钻压，传递涡轮节动力。在工作过程中，支承节要受到很大的由涡轮节传来的动载荷，容易损坏，是整个涡轮钻具中的脆弱部分。因此，为了便于维修和更换，在设计的过程中，支承节往往单独成节。减速器涡轮钻具结构如图1所示。

1 推力轴承的选择

涡轮钻具的寿命主要取决于其支承节，而支承节的寿命则主要取决于其内部的推力轴承，因此，选择合适的推力轴承，对提高涡轮钻具的工作寿命和钻井效率有着至关重要的作用。对比橡胶-金属止推轴承，深沟球轴承和四支点推力球轴承的优缺点，选出最适合减速器涡轮钻具的止推轴承。橡胶-金属止推轴承寿命短，摩擦损失大，且不耐高温，优点是其价格便宜。深沟球轴承主要用于承受径向载荷，也可承受较小的轴向载荷。这种轴承运用比较普遍且价格低廉。四支点推力球轴承是采用55SiMoV特殊轴承钢制造，其内外圈热处理硬度稍低于钢球硬度。通常采用多列串联式结构，具有承载能力大、耐冲击、结构简单和拆装方便，并能承受双向轴向载荷，摩擦损失小，轴承寿命比橡胶-金属止推轴承长很多，适用于转速低、载荷大、震动剧烈的场合且能耐高温，但价格相对较贵[2]。

结合涡轮钻具的实际工作条件，橡胶-金属止推轴承由于其材料有橡胶成分，不利于高温工作。而且它不能承受大载荷和剧烈震动，不耐冲击，容易损坏。其摩擦损失也很大，降低了涡轮钻具的效率。深沟球轴承不能承受过大的轴向载荷，而支承节止推轴承需要承受整个涡轮钻具大部分的轴向力。与以上两种止推轴承相比，四支点推力球轴承球轴承不存在上述缺点，且综合性能更好，更加适合井下工作，因此应选择使用四支点推力球轴承。

2 主要组成部分

2.1 主轴

支承节主轴主要用来传递功率和扭矩。上端为普通螺纹，用于防松；下端为标准的锥形接头螺纹，以便与钻头相连。中间要求保证泥浆的通过，完成高压泥浆驱动钻头进行钻进过程。故采用空心轴结构。在装配过程中，先在轴的外部套上轴承，然后通过花键轴螺纹将花键轴与轴联接在一起，此时轴承组内圈被花键轴压紧，这样便实现了轴承组系统的轴向定位，如图2所示。

2.2 壳体

支承节壳体两端均有螺纹，通过螺纹连接将壳体内零件压紧，使零件在工作过程中不出现松动现象。在装配的时候，先在壳体里面装上轴承，然后在壳体的两端分别为用螺纹与上接头和下接头连接，上、下接头可以压紧轴承的两端外圈，这样便实现了轴和轴承的系统轴向定位，如图3所示。

2.3 轴承

涡轮钻具支承节轴承主要有推力轴承和扶正轴承两大类。其中推力轴承主要用来承受来自涡轮节的轴向推力，由于在涡轮钻具的工作过程中，支承节所承受的来自涡轮节的轴向动载很大，而这些轴向动载均由推力轴承所承受，所以支承节的推力轴承极容易损坏，是整个涡轮钻具的易损部件。支承节主轴一般具有很大的长度，主轴旋转时，在径向力的作用下很容易产生摆动。为了解决这个问题，主轴的上下两端均被装上了可以有效减少径向摆动的滑动轴承，这种轴承被称为扶正轴承，该轴承的内部表面均镶嵌了耐磨性能很好的硬质合金快，拥有很长的使用寿命，如图4、5所示。

2.4 花键轴

涡轮钻具支承节中的花键轴装配于涡轮节的最后一节与支承节之间，它的作用是传递二者之间的扭矩；在花键轴轴壁的中间部位，开有3个互相呈120°，均布的泥浆流道，高压泥浆可以从这些流道中的流通，然后进入钻头部位以冲洗钻井过程中产生的岩屑，起到保持清洁的作用。

花键轴的截面为齿面，其主要失效形式为齿面磨损失效和压溃失效。当齿面摩擦或者啮合齿面之间落入磨料性物质，都会使齿面磨损报废，导致磨损失效。而当齿面所受的压力不均匀，或者压力过大超过了齿面的承受范围，则容易产生齿面压溃，导致压溃失效，如图6、图7、图8所示。

2.5 整体结构

完成各个部分零件的设计后，涡轮钻具支承节的整体结构装配图如图9所示。

3 结语

面对未来表层石油资源紧缺，石油开采难度增大的必然趋势，为了满足工业生产的需求，未来石油的开采将面对超深井、难开采井、老井侧钻和深层勘探不断增加的发展趋势。而目前我们国产的涡轮钻具距离国外先进水平还有很大的差距，为了顺应时代的发展，我们的科研人员必须虚心学习，勇于创新，不断改进结构，完善工艺，争取让我们中国的涡轮钻具也迈入世界前列。

参考文献

[1] 赵政.基于SOLIDWORKS的浮动定子240涡轮钻具支承节[J].科学導报·教育论坛，2015（11）：253.

[2] 张思朋，王伟.减速涡轮钻具支承节的结构选择[J].民营科技，2015（11）：34-35.