徐 芊，趙 寧，朱雅妮，袁 燁

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

螺桿鉆具軸承組優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐 芊，趙 寧，朱雅妮，袁 燁

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

針對(duì)螺桿鉆具軸承組容易出現(xiàn)磨損、斷裂和卡死等現(xiàn)象，進(jìn)行軸承組優(yōu)化設(shè)計(jì)。分析推力軸承受力狀況和軸向力計(jì)算，在軸向軸承的表面焊接PDC復(fù)合片，以取代滾珠，提高耐磨性；在軸承之間均勻布置碟形彈簧，以緩沖軸承受到的沖擊力。采取這兩個(gè)技術(shù)方案，可以進(jìn)一步延長(zhǎng)螺桿鉆具的使用壽命。

螺桿鉆具 軸承組 PDC復(fù)合片 碟形彈簧 設(shè)計(jì)

螺桿鉆具將鉆井液的水力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)鉆頭進(jìn)行作業(yè)。由于能量轉(zhuǎn)化效率較高，可靠性較強(qiáng)，成為應(yīng)用最廣泛的一種井下動(dòng)力鉆具[1]。然而，螺桿鉆具的軸承組因結(jié)構(gòu)等方面存在一定缺陷，螺桿鉆具工作時(shí)，軸承組的滾珠與內(nèi)、外圈滾道發(fā)生快速摩擦，難以承載巨大沖擊力和鉆壓，容易出現(xiàn)磨損、斷裂、卡死等現(xiàn)象，失去承載能力，影響螺桿鉆具的整機(jī)使用壽命[2]。因此，考慮在軸向軸承的表面焊接PDC復(fù)合片，用來(lái)取代滾珠，提高耐磨性；在軸承之間均勻布置碟形彈簧，緩沖軸承受到的沖擊力，增強(qiáng)軸承組的抗沖擊性能，進(jìn)而提高軸承組的抗機(jī)械疲勞強(qiáng)度。

1 設(shè)計(jì)思路和方案

目前，廣泛應(yīng)用的螺桿鉆具通常依據(jù)受力情況，由5～12副內(nèi)外圈組成一個(gè)軸承組，滾珠在2個(gè)圓弧滾道里滾動(dòng)。

軸承組一般采用四點(diǎn)滾珠軸承，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但“點(diǎn)接觸”滾動(dòng)的應(yīng)力過(guò)分集中，在高速中極易損壞[3]。空心圓錐滾子推力軸承的每列軸承中，圓錐滾子以純滾動(dòng)的形式運(yùn)動(dòng)，將“點(diǎn)接觸”變?yōu)椤熬€接觸”，能承受較大載荷(圖1)。同時(shí)，空心結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了鉆井液的冷卻及潤(rùn)滑效果。但是，圓錐滾子兩端存在有“邊緣效應(yīng)”，影響其使用壽命。此外，NOV公司采用雙向角接觸球軸承來(lái)減小摩擦；SKF公司通過(guò)調(diào)整推力球軸承之間的間隙，使軸承在工作中依次受力，當(dāng)最先受力的軸承磨損后，后續(xù)的軸承才開(kāi)始承載，以此提高軸承組的壽命。其結(jié)構(gòu)依然有改進(jìn)的空間。

從軸承組材料上來(lái)看，Dyna Drill公司的徑向軸承在鎳鉻集體上熔合碳化鎢顆粒，形成致密擴(kuò)散層，雖有較好的耐腐蝕和抗沖擊性能，但硬度不及PDC徑向軸承。PDC徑向軸承將聚晶金剛石燒結(jié)在碳化鎢上，具有較高的硬度，耐磨性強(qiáng)，其缺點(diǎn)在于需要大量金剛石顆粒，來(lái)制成定向排列的微小聚晶金剛石，制造成本偏高。

圖1 空心圓錐滾子結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述分析，提出兩個(gè)技術(shù)方案，一是以PDC復(fù)合片取代滾珠，變“點(diǎn)接觸”、“線接觸”為“面接觸”，以消除應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)一步增強(qiáng)軸承組的耐磨性。選擇PDC復(fù)合片，是因其硬度高達(dá)1 000 HV，且便于加工，具有良好的工藝性能和較高的性?xún)r(jià)比。二是考慮碟形彈簧的緩沖作用，將其均勻布置在軸承之間，減少軸承在受到?jīng)_擊時(shí)受到的損害。

2 軸承組設(shè)計(jì)

一般而言，影響推力軸承的重要性能參數(shù)是最大鉆頭水眼壓差[4]，由于傳動(dòng)軸徑向力較小，與軸向方向相比可以忽略不計(jì)，因此設(shè)計(jì)時(shí)只考慮軸向力。本設(shè)計(jì)主要根據(jù)軸承組軸向力的大小，計(jì)算所需PDC復(fù)合片的數(shù)量。

2.1 軸向力計(jì)算

正常鉆進(jìn)過(guò)程中，作用在傳動(dòng)軸上的軸向力包括轉(zhuǎn)子、萬(wàn)向軸和傳動(dòng)軸及鉆頭總重量W，轉(zhuǎn)子軸向力G0(經(jīng)萬(wàn)向軸傳遞施加，方向向下)，傳動(dòng)軸活塞力PD(經(jīng)鉆頭水眼壓降引起，方向向下)和鉆壓PB(井底施加給鉆頭，方向向上)。取向下方為正，傳動(dòng)軸的總軸向力PT為：

PT=PL+(k-1)PB

(1)

其中，PL=W+G0+PD；

式中，PT為推力軸承荷載，其方向向下為正，kN；PL是鉆具提離井底空載循環(huán)時(shí)的推力軸承載荷，kN；PB為鉆壓，kN；PD是傳動(dòng)軸活塞力，kN；W為鉆頭總重量，kN；k為中間參數(shù)；G0是空轉(zhuǎn)條件下轉(zhuǎn)子的軸向力，kN；DB為鉆頭直徑，mm；N是轉(zhuǎn)子與定子的頭數(shù)；Tr是轉(zhuǎn)子導(dǎo)程，cm；AG為線型的過(guò)流面積，cm2；λ為比例常數(shù)，與鉆具無(wú)關(guān)，其值受鉆頭類(lèi)型和地層軟硬的影響，一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。

以國(guó)內(nèi)用量較大的LZ197螺桿鉆具為例，計(jì)算推力軸承受力。其W取值3kN。

(1)轉(zhuǎn)子軸向力G0

G0=ΔP1(AS+NAG)

(2)

式中，AS為定子線型所包容的面積，cm2；ΔP1是空載壓差MPa；AG是過(guò)流面積，cm2；N為轉(zhuǎn)子頭數(shù)。

LZ197螺桿鉆具的AS是116.6 cm2，AG為31.9 cm2，N取5，馬達(dá)的空載壓差按0.5 MPa計(jì)算，由(2)可得G0的值是13.8 kN。

(2)傳動(dòng)軸活塞力PD

(3)

其中，

式中，D為限流直徑，mm；△Ps為鉆頭水力壓降，MPa；μ為鉆井液相對(duì)密度(無(wú)量綱)；Q是工作排量，L/s；d1、d2、d3分別是3個(gè)鉆頭水眼直徑，mm。

LZ197螺桿鉆具的額定鉆井液排量為28 L/s，經(jīng)過(guò)限流器的分流忽略不計(jì)。以一個(gè)直徑為11.9 mm和兩個(gè)直徑為12.7 mm的水眼為例，鉆井液密度取1.2 g/cm3,求得ΔPS值為4 MPa。限流直徑取12 cm，由(3)式求得PD是45.2 kN。

依據(jù)W、G0和PD值，可知：

PL=3+13.8+45.2=62kN。

(3)中間參數(shù)k

已知LZ197螺桿鉆具TR為65 cm，使用φ24.4 cm的牙輪鉆頭，λ為0.203，可以由前述(1)式中的k值計(jì)算公式求得中間參數(shù)為0.69。

將上述計(jì)算結(jié)果代入(1)式，LZ197螺桿鉆具上軸承載荷為：

PT=62+(0.69-1)PB

當(dāng)鉆壓PB為30 kN，可以求得最終傳動(dòng)軸軸向受力PT值為52.7 kN[5]。

2.2 PDC復(fù)合片計(jì)算

目前市售的PDC復(fù)合片的尺寸有3種，直徑分別為13.44 mm、16.00 mm和19.05 mm。其強(qiáng)度范圍在1.74～7.05 MPa。

設(shè)計(jì)軸承的內(nèi)圈和外圈直徑為84 mm和140 mm，將PDC復(fù)合片分布在軸承中間的位置，即復(fù)合片的圓心處于直徑為112 mm的圓周上，且每片復(fù)合片之間的間距均相等(圖2)。

圖2 螺桿鉆具軸向

由于旋轉(zhuǎn)速度相對(duì)較快，可以認(rèn)為復(fù)合片在旋轉(zhuǎn)時(shí)有效的接觸面積就是復(fù)合片的總面積，復(fù)合片的強(qiáng)度為：(1.73+7.05)/2=4.4 MPa

當(dāng)傳動(dòng)軸的軸向力為52.7 kN時(shí)，所需復(fù)合片總面積為12 000 mm2。選取直徑為16.00 mm的復(fù)合片，滿足這個(gè)面積所需復(fù)合片的個(gè)數(shù)為17片(軸承定子上則為18片)(圖3)，對(duì)應(yīng)的復(fù)合片間距為4.69 mm。

(a) 軸承轉(zhuǎn)子 (b) 軸承定子

圖3 軸承組PDC復(fù)合片設(shè)計(jì)

由此，設(shè)計(jì)的軸承組高度為25 mm，復(fù)合片的厚度為 3mm。整個(gè)軸承組的總高度為56 mm。

3 碟形彈簧的設(shè)計(jì)

用鋼帶或者鋼材鍛造坯料加工而成的碟形墊圈式彈簧，具有截錐形界面。它剛度大，緩沖能力強(qiáng)，可以用小的變形來(lái)承受大荷載。設(shè)計(jì)中，將碟形彈簧均勻布置在軸承之間，當(dāng)軸承在受到?jīng)_擊時(shí)，碟形彈簧可以起到緩沖的作用，保護(hù)軸承(圖2)。碟形彈簧的結(jié)構(gòu)型式如圖4。

圖4 碟形彈簧的結(jié)構(gòu)型式

碟形彈簧根據(jù)D/t及H0/t的比值不同分為A、B、C系列，本設(shè)計(jì)采用B系列標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)軸承組設(shè)計(jì)結(jié)果，軸承總長(zhǎng)度為308mm，應(yīng)當(dāng)采用4組軸承、3組對(duì)合組合碟簧。因此，單片碟簧高度：

每片碟簧設(shè)計(jì)載荷：

碟形彈簧載荷計(jì)算公式為：

(4)

當(dāng)f=h0，即碟形彈簧壓平時(shí),上式簡(jiǎn)化為：

(5)

式中，P為單個(gè)彈簧載荷，N；Pc為壓平時(shí)的碟形彈簧載荷計(jì)算值，N；t為碟簧厚度，mm；D為碟形彈簧外徑，mm；F為單片碟形彈簧的變形量，mm；h0為碟形彈簧壓平時(shí)變形量的計(jì)算值，mm；E是彈性模量，MPa；μ為泊松比；K1和K4是計(jì)算系數(shù)。

彈簧外徑與軸承外徑相等，D取值140 mm，系列B尺寸規(guī)格：D/t約為28，h0/t約為0.75，E為206 GPa,μ為0.3。因此，可以求得：

t=5mm；h0=3.75mm

然而，所求結(jié)果不符合已知數(shù)據(jù)要求，故調(diào)整t值為8 mm，h0取值6 mm，求得彈簧內(nèi)外徑之比：

計(jì)算系數(shù)K1為：

(6)

設(shè)計(jì)厚度t為8 mm，該值大于6 mm，為有支承面碟簧，則：

(7)

其中，

可以求得：K4約為1.133。

結(jié)合已知數(shù)據(jù)，可得：

=46 331.845N

計(jì)算結(jié)果大于8.783 kN，顯然符合設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求[6]。

4 結(jié)論

(1)螺桿鉆具軸承組受其結(jié)構(gòu)和材料的影響，容易出現(xiàn)磨損、斷裂、卡死等現(xiàn)象,是導(dǎo)致螺桿鉆具受損的主要因素。

(2)利用PDC復(fù)合片替代滾珠，能夠改進(jìn)軸承組的滾動(dòng)方式，增強(qiáng)軸承組的耐磨性，進(jìn)一步提高機(jī)械性能。

(3)在軸承之間均勻布置碟形彈簧，可以緩沖軸承組所受到的沖擊力，延長(zhǎng)螺桿鉆具的整機(jī)使用壽命。

[1] 陳思,郭東濤.螺桿鉆具的研究進(jìn)展及變化趨勢(shì)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，7(3):317-319

[2] 童華,祝效華,石昌帥.螺桿鉆具推力軸承工作力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].石油機(jī)械，2010，38(4)：34-36

[3] 王俊濤,譚春飛,王莉萍.螺桿鉆具傳動(dòng)軸失效分析與提高壽命措施探討[J].西部探礦工程，2010.5：57-59

[4] 趙寧.動(dòng)力鉆具中的滾動(dòng)軸承組的設(shè)計(jì)方法研究[J].鉆采工藝，1997.20(2)：38-42

[5] 成大先,機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二卷)(第五版)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2008.4：231-239

[6] 成大先,機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三卷)(第五版)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2008.4：76-89

(編輯 吳一華)

中國(guó)石化馬深1井8 418 m成亞洲最深井

近日，中國(guó)石化重點(diǎn)探井馬深1井順利完鉆，完鉆井深8 418 m，創(chuàng)亞洲第一超深鉆井記錄。據(jù)了解，馬深1井是中國(guó)石化部署在四川盆地川東北地區(qū)的一口重點(diǎn)探井，井位所處構(gòu)造帶地質(zhì)狀況復(fù)雜，需要分別鉆遇陸相地層、海相地層，難度國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)。

該井由石化油服所屬中原石油工程公司90106ZY鉆井隊(duì)承鉆，鉆井過(guò)程中創(chuàng)出一系列高指標(biāo)和新紀(jì)錄。一是在陸相地層積極推廣應(yīng)用泡沫鉆井、“高速渦輪+孕鑲金剛石鉆頭”技術(shù)、“低速大扭矩螺桿+高效PDC鉆頭”技術(shù)和旋沖鉆井、優(yōu)質(zhì)鉆井液等新技術(shù)，機(jī)械鉆速平均提高64%；二是在下部海相地層采用旋沖鉆井和高效螺桿復(fù)合鉆井技術(shù)，機(jī)械鉆速較常規(guī)牙輪鉆頭提高近3倍并創(chuàng)下單只鉆頭最高進(jìn)尺和最高機(jī)械鉆速。

(油開(kāi))

An optimum design for PDM drill bearing pack

Xu Qian，Zhao Ning，Zhu Yani，Yuan Ye

(ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing102249，China)

Wear，fracture and seizure could easily happen in bearing pack.Based on analysis of forces on thrust bearing and calculation of thrust load，an optimum design was developed to solve the problem.In order to improve the wear resistance，the design replaced the ball bearing with PDC complex which was equispaced on axial bearing.The disc spring was disposed between bearing pack to act as a buffer.With these two methods，the bearing life of PDM drill could be increased.

PDM drill；bearing pack；PDC complex；disc spring；design

2015-10-10；改回日期：2015-11-23。

徐芊(1994—)，女，中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院海洋油氣工程專(zhuān)業(yè)在讀。電話：13261653959，E-mail:332015418@qq.com。

10.16181/j.cnki.fzyqc.2016.01.018

TE24

A