井下動力鉆具軸承發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)研

錢程遠，王 瑜，張 凱，劉寶林，王志喬，王立廣

(1.中國地質大學〈北京〉工程技術學院，北京 100083； 2.國土資源部深部地質鉆探技術重點實驗室，北京 100083)

0 引言

井下動力鉆具主要包括渦輪鉆具和螺桿鉆具，廣泛應用于定向、造斜、扭方位、側鉆、套管開窗等鉆井作業(yè)。動力鉆具機械鉆速高，地層適應性好，在美國，60%的定向井由螺桿鉆具完成，俄羅斯的渦輪鉆井年進尺則占到總進尺的75%以上[1]。然而，動力鉆具的支承節(jié)是其薄弱的環(huán)節(jié)，支承節(jié)軸承的壽命嚴重制約了動力鉆具的整體使用壽命。普通渦輪鉆具推力軸承的工作壽命在150 h以內(nèi)，螺桿鉆具推力軸承的推薦更換周期只有60～80 h[2]，在深井中則壽命更短，需要頻繁起升鉆桿更換軸承，浪費大量時間，降低了工作效率。為提高動力鉆具使用壽命，降低單位進尺成本，需加強對動力鉆具軸承的研究，不斷改良適用各種動力鉆具的軸承，提高軸承壽命。

本文詳細調(diào)研了動力鉆具中常用的幾種軸承，包括推力球軸承、聚晶金剛石(PCD)軸承和徑向硬質合金(TC)軸承，并從材料優(yōu)選，結構改進，制造工藝的角度分析了井下軸承的關鍵技術，探索了未來軸承的發(fā)展方向，為其選用提供參考。對研究提高井下軸承使用壽命，進而提高動力鉆具整體水平有重要意義。

1 止推軸承發(fā)展現(xiàn)狀

止推軸承連接上部靜止的鉆桿柱和旋轉的驅動軸。動力鉆具在高速工作中，止推軸承狹小的工作面上作用了巨大的軸向荷載和波動的沖擊荷載，導致軸承極易壓潰損壞。另外工作溫度超過100 ℃，以及泥漿的腐蝕和硬粒的擠壓，均會加速軸承的磨損，對軸承的使用壽命造成影響。目前動力鉆具中應用廣泛的止推軸承有推力球軸承和PCD推力軸承。

1.1 推力球軸承

目前國內(nèi)渦輪鉆具主要使用的是串聯(lián)組合的推力球軸承，該種軸承能夠承受巨大的軸向載荷，主要有3種類型：4支點推力球軸承、圓弧滾道推力球軸承和推力向心球軸承。3種軸承均屬于軸徑向推力軸承，不僅能承受軸向的大荷載，也能夠承受部分來自徑向的荷載。在渦輪鉆具中，常由5～13級軸承串聯(lián)成軸承組并聯(lián)承受軸向荷載。4支點球軸承的結構如圖1所示，在一級軸承中，滾珠被內(nèi)外隔離環(huán)控制，沿著互成120°的4條錐面跑道滾動，形成4個支點，因此得名4支點推力球軸承[3]。圓弧滾道推力軸承的結構類似于4支點推力軸承，區(qū)別在內(nèi)外圈增加了圓弧滾道。推力向心軸承的結構特點也類似于4支點推力軸承，增加了減振裝置，提高了減振能力，但是因此而體積大，整體剛度有所降低[4]。

圖1 支點推力球軸承結構示意圖

關于推力球軸承的研究包括以下幾個方面。

1.1.1 承載能力

以螺桿鉆具為例，推力軸承在工作時承受的靜鉆壓范圍為60～150 kN，由于鉆具的振動，實際鉆壓有波動，峰值可以達到靜鉆壓的3.5倍以上[5-6]，因此對推力軸承承載力的計算校核十分重要。在滾動軸承中，對承載能力起決定作用的是接觸應力的大小和均載性[7]。常用赫茲(Hertz)理論求解推力球軸承的接觸問題，赫茲理論描述2個具有曲率的物體在外力作用下相互擠壓接觸的情況，通過赫茲接觸應力計算發(fā)現(xiàn)，4支點球軸承的初始最大接觸應力高，接觸面積??；圓弧滾道與推力向心球軸承的初始接觸應力較低，接觸面積大。采用有限元軟件模擬分析得出，螺桿鉆具多列向心推力球軸承能有效地分擔軸向載荷，每層軸承的各個滾球受力相對均勻；軸承上、下兩端的內(nèi)圈、外圈及滾球所承受的載荷較大，最容易破碎。

1.1.2 磨損與壽命預測

滾動軸承組的磨損取決于鉆井液潤滑性能、軸向載荷和鉆具轉速，泥漿中的硬磨粒會加劇軸承的磨損速度[8]。滾動軸承組的失效主要是由泥漿固相顆粒在機械作用下引起鋼球表面和軸承支座的磨粒磨損。磨粒磨損是外界硬質顆?；蛴脖砻娴奈⒎逶谀Σ粮睂ε急砻嫦鄬\動過程中引起表面擦傷與表面材料脫落的現(xiàn)象，磨粒磨損的機理是磨粒的犁溝作用，是一個微觀的切削過程。軸承組在工作后漸漸磨損，軸承內(nèi)外圈座在軸向載荷的作用下開始產(chǎn)生相對位移，當軸承內(nèi)外圈相對位移與渦輪節(jié)定轉子間隙相等時，軸承組失效，如圖2所示。

圖2 推力球軸承磨損示意圖

國內(nèi)學者從相互滑動表面的磨損計算基本思路出發(fā)，結合渦輪鉆具的具體工況條件和軸承組受載情況，導出了渦輪鉆具推力球軸承組磨粒磨損壽命預測公式[9]。對渦輪鉆具推力球軸承的室內(nèi)臺架試驗表明，計算結果與實驗結果相符，該公式具有可行性。

(1)

式中：T----使用壽命，h；H----組合磨損量，mm；P----鋼球載荷，N；γ----接觸點磨損率；K----工況系數(shù)；α----軸承接觸角，(°)。

1.1.3 變形分析

推力球軸承組在受到軸向荷載時會發(fā)生軸向變形，當軸承組內(nèi)外圈位移過大時就會對渦輪鉆具定轉子軸向間隙造成影響[10]，這與軸承磨損造成的后果是一樣的。因此，軸承組變形分析對指導渦輪鉆具裝配間隙調(diào)整有指導意義。目前的研究手段是利用ANSYS軟件進行有限元模擬仿真，計算時只考慮接觸變形的作用。通過仿真得到的軸向力與軸向變形的曲線如圖3所示。

1.2 滑動止推軸承

滑動止推軸承一般采用開式潤滑，結構簡單，性能穩(wěn)定，金屬-橡膠止推軸承曾經(jīng)廣泛應用于渦輪鉆具。隨著驅動裝置的發(fā)展，以及滑動軸承啟動力矩過大的弊端，金屬-橡膠止推軸承不能滿足工況的要求，人們又將注意力轉向滾動軸承。近些年來，隨著金剛石推力軸承和流體動壓軸承的出現(xiàn)，滑動止推軸承重新回到人們的視野。

圖3 軸承組受軸向力和軸向變形關系曲線

1.2.1 金屬-橡膠滑動軸承

前蘇聯(lián)渦輪鉆井采用了大量金屬-橡膠止推軸承，結構如圖4所示，每個單體的止推軸承包括一個在環(huán)形橡膠墊上滑動的金屬盤，橡膠墊上有徑向沖洗溝槽。金屬盤裝在驅動軸上并用間隔套分隔開，橡膠硫化或鑲嵌在其支座上。金屬-橡膠滑動軸承的摩擦系數(shù)與軸承表面的性質、比載荷、轉速、泥漿沖洗液、溫度等有關。實踐經(jīng)驗表明，最好的表面硬化鋼和中等硬度的橡膠搭配使用效果最好；軸承的磨損隨著溫度的升高而增大，金屬盤和橡膠的磨損與溫度的關系如圖5所示。

圖4 金屬-橡膠止推軸承

1.2.2 金剛石軸承

天然金剛石是等軸面立方晶系，晶面沿特定的方向受沖擊易發(fā)生碎裂，因此需要將大量的金剛石顆粒按晶向定向排列，形成聚晶金剛石(PCD)[11]。PCD具有高硬度，高耐磨，摩擦系數(shù)小及導熱性好的特點。PCD軸承具有良好的使用前景，理論上可以達到3000 h以上的使用壽命[12-13]，國外已有一定的PCD軸承的現(xiàn)場使用經(jīng)驗(見表1)。制造PCD止推軸承有兩大難點：一是PCD復合片的燒結成形，PCD材料在軸承工作中需要坐在碳化鎢基體上，即先制備成聚晶金剛石復合片，以提高整體的抗沖擊韌性，US Synthetic公司專利的PCD燒結技術，在6890 MPa，1400 ℃及液態(tài)金屬催化劑的作用下進行燒結，效果優(yōu)越。二是PCD復合片之間平面度的保證，PCD復合片平面度過低，容易導致軸承在工作時PCD片與片之間發(fā)生咬合，磕碰掉塊，降低穩(wěn)定性，嚴重影響軸承使用壽命。常規(guī)的釬焊技術難以保證足夠高的平面度，國內(nèi)研究了PCD軸承的加壓粘結工藝[14]，現(xiàn)場測試結果表明，加壓粘結工藝比釬焊技術能獲得更高的平面度，可靠性更好。

圖5 止推軸承磨損與溫度的關系

表1 國外金剛石軸承使用情況

國內(nèi)的PCD軸承尚處于研究階段，中國地質大學(北京)設計了新型的PCD止推軸承結構，主要由動盤、靜盤、外套、碟簧、底座等組成，如圖6所示。動盤和靜盤上都通過冷鑲的方式鑲嵌了一定數(shù)量的聚晶金剛石復合片，其中動盤鑲嵌25個，靜盤26個，復合片數(shù)量不同保證了兩盤復合片相互錯開，從而避免了復合片發(fā)生咬合。軸承運行過程中，動盤和鉆具轉軸固定在一起，并隨之轉動；靜盤軸向固定在外套上，外套則和鉆具外殼固定。實驗表明，該種PDC止推軸承振動小，性能穩(wěn)定，有較高的使用壽命。

圖6 PCD軸承

2 扶正軸承

扶正軸承連接外殼與驅動軸，在動力鉆具中起徑向扶正的作用。當鉆具鉛垂鉆進時，扶正軸承僅有少量磨損，徑向阻力矩可忽略不計。當鉆進斜井甚至大角度水平井時，扶正軸承某側受到徑向摩阻力。由于扶正軸承內(nèi)外圈有一定的空隙，軸承會偏心工作，另外，工作中材料受力變形，會加劇扶正軸承的偏心效果，從而產(chǎn)生附加側向應力。在螺桿鉆具中，扶正軸承還需要承受鉆頭及萬向軸轉動所產(chǎn)生的側向力。從而加速軸承的磨損，導致扶正效果降低，并可能造成卡阻，影響動力鉆具的輸出效率[15]。扶正軸承有TC滑動軸承和滾動軸承兩種，目前主要使用TC軸承。

TC軸承如圖7所示，內(nèi)圈固定于驅動軸上，它與固定于定子外殼的外圈之間有一定的間隙，內(nèi)圈上有耐磨硬質合金塊，外圈上開有溝槽，可通過泥漿，對軸承進行沖洗和潤滑。

圖7 TC軸承結構示意圖

泥漿中夾帶的固相顆粒對軸承內(nèi)外圈沖刷，是造成TC軸承磨損失效的主要原因，需分析軸承內(nèi)外圈的接觸應力問題。由于軸承內(nèi)外圈兩接觸圓柱面的半徑幾乎相等，赫茲接觸理論不再適用。對TC軸承內(nèi)外圈的非赫茲接觸彈性接觸問題的研究表明[16]，內(nèi)外圈的彈性接觸存在兩端接觸應力較高，中間接觸應力低但較均勻的現(xiàn)象，這對磨損不利，需要對外圈內(nèi)孔的兩端邊緣作修正處理，降低兩端峰值。對軸承套長度的研究表明[17]，TC軸承套的長度與傳動軸的承壓能力成線性相關，與鉆頭水眼壓降成反比。復合鉆井時，要注意軸承套總長度與水眼尺寸的配合，以最大程度地提高傳動軸的承壓能力和鉆頭水眼壓力。

動力鉆具扶正軸承的關鍵技術之一是摩擦工作面的材料及其制作工藝，表2[18]總結了目前國內(nèi)外部分動力鉆具扶正軸承摩擦面技術和特點。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，動力鉆具軸承摩擦面以硬質合金為主，即TC軸承，改變包裹基體或調(diào)整燒結技術可以制造不同特性的軸承。

表2 國內(nèi)外部分扶正軸承摩擦面技術及其特點

3 井下動力鉆具軸承關鍵技術分析

從前蘇聯(lián)應用于渦輪鉆具EhKTB樣機上帶潤滑的滾珠止推軸承發(fā)展到今天，動力鉆具軸承無論是材料還是結構形式都發(fā)生了很大的變化。井下鉆具軸承因其特殊的使用環(huán)境，對軸承提出的要求更為嚴格，總結井下軸承的關鍵技術與發(fā)展方向主要有以下幾點。

3.1 優(yōu)選材料，提高摩擦副的耐磨性

材料的發(fā)展帶動著軸承的發(fā)展，軸承材料的優(yōu)選往往能起到事半功倍的效果。動力鉆具軸承材料需要具有高的表面硬度，高耐磨性，高強度，高剛度和良好的韌性，以及耐高溫和耐腐蝕的能力。目前常用的軸承材料見表3。

表3 推力球軸承材料[19]

除了傳統(tǒng)的軸承合金鋼，還有許多新興的軸承材料，典型的有前文提到的聚晶金剛石(PCD)材料，另外還有陶瓷材料。陶瓷軸承材料主要有氮化硅，氧化鋯，碳化硅3種。陶瓷材料本身具有很多突出的優(yōu)點，如不怕腐蝕，質量輕，高耐磨，受力不易變形等，因此陶瓷軸承常應用于高精度或特種作業(yè)中。陶瓷軸承應用到動力鉆具中，還需要不斷改進配方，以提高陶瓷抗疲勞，抗沖擊的能力。

3.2 改善軸承的接觸條件

止推軸承主要承受旋轉摩擦和軸向載荷，這兩種載荷之間相互影響，改善軸承的接觸條件，可以有效降低軸向載荷和摩擦力，提高軸承壽命，如國內(nèi)外已在開發(fā)動壓軸承應用于孔下動力鉆具。

動壓軸承是一種建立在流體動壓潤滑理論上的新型軸承，具有高的承載力以及低的摩擦系數(shù)。流體動壓潤滑是指相對運動的摩擦表面充滿了潤滑劑，相對運動使得潤滑劑具有足夠的壓力支撐起兩個摩擦表面，從而使接觸的摩擦轉化為非接觸摩擦，大大減少了摩擦副的磨損和摩擦阻力。動壓油膜能夠提供極高的承載力，可以有效地支承動力鉆具中來自軸向的載荷，而避免磨損。流體在潤滑的過程中不斷帶走熱量，減少高溫對軸承造成的損傷。另外，液體的非接觸摩擦取代接觸摩擦，給動力鉆具的旋轉工作帶來更高的穩(wěn)定性[20]。

動壓軸承技術的關鍵在于動壓油膜的形成。動壓油膜的形成與轉速和流體粘度有關，只有當轉速超過一定值時，滑動的摩擦面間才會產(chǎn)生潤滑作用，因此提出啟動轉速的問題；粘度過小，滑動面之間容易發(fā)生干接觸，接觸面間的應力增大。流體與摩擦面間的粘附作用也需要進一步研究。

3.3 改進機械結構緩沖外載

對軸承或軸承組的結構進行調(diào)整改進也是提高軸承使用可靠性和壽命的重要手段。最早使用的滾動推力軸承采用油潤滑，但是難以實現(xiàn)良好的密封，因此逐漸改為了采用泥漿潤滑的開式結構，并去除了軸承的內(nèi)外環(huán)。以美國貝克公司為代表的止推軸承采用了充油密封平面滾柱軸承，但是該軸承只適于低速螺桿鉆具。上海石油化工機械技術研究所研制的多盤結合式推力球軸承，改變了軸承的受力狀態(tài)，減少了磨損與毀壞，該軸承在轉速>550 r/min的螺桿鉆具中，使用壽命超過了100 h。SKF公司通過調(diào)整軸承各列間的間隙，使各組軸承的受力更為均勻；使用圓柱滾子代替滾珠，大大降低了滾動體的工作應力；采用減振裝置，減少了軸向載荷的波動量。

3.4 改進加工制造方法

熱處理工藝是軸承制造的關鍵。近年來又開發(fā)了軸承表面激光處理技術，軸承表面經(jīng)激光強化處理后，支撐節(jié)軸承平均使用壽命達300 h，為普通渦輪鉆具支撐節(jié)的2.5倍。在金屬橡膠滑動止推軸承方面，為了提高金屬止推盤的抗磨性，前蘇聯(lián)采用了等離子體強化技術。等離子體強化技術可使金屬止推盤和耐磨性提高5～7倍,使零件的翹曲度變形很小,使精加工的工作量變少,有利于組織批量生產(chǎn)。據(jù)1986年以來現(xiàn)場試驗資料統(tǒng)計表明,等離子體強化技術處理過的金屬橡膠止推軸承的渦輪鉆具,平均使用壽命為371 h,比普通渦輪鉆具的檢修周期延長了4.69倍?，F(xiàn)在,該技術也應用到渦輪鉆具徑向扶正軸承金屬套和螺桿鉆具部分摩擦副的強化處理之中。

在軸承的加工制造方面，國內(nèi)與國外有很大的差距。國內(nèi)行業(yè)生產(chǎn)集中度過低，全國前10位的軸承廠家總的市場份額還不到30%，小廠家林立，市場環(huán)境惡劣，造成國內(nèi)的軸承制造水平始終上不去，研發(fā)和創(chuàng)新能力低，生產(chǎn)線自動化水平低。

4 結論

(1)推力球軸承承載能力強，摩擦系數(shù)小，現(xiàn)場使用經(jīng)驗豐富，仍將占據(jù)動力鉆具推力軸承的主導地位。但其不耐磨損，易壓潰，點蝕，變形，使用壽命太短，嚴重影響了鉆進成本。需要加強對軸承材料的開發(fā)研究，加強材料的表面硬度，心部韌性，以及抗疲勞接觸強度，不斷改進推力球軸承結構，增加整體使用壽命。

(2)金剛石軸承和流體動壓推力軸承有很好的應用前景。國外現(xiàn)場使用的金剛石止推軸承壽命已經(jīng)超過了250 h，國內(nèi)尚有一定的差距，金剛石軸承制造工藝仍不成熟，需完善PCD復合片的燒結成型技術，以及提升軸承平面度。

流體動壓潤滑是未來滑動軸承的發(fā)展趨勢，應盡快設計出動力鉆具適用的流體動壓軸承，以提高動力鉆具整體使用可靠性和壽命。

(3)徑向TC軸承不僅平衡徑向應力，軸套的長度還與傳動軸承壓能力和鉆頭水力壓降線性相關。硬質合金與基體的燒結工藝落后于國外，需創(chuàng)新工藝技術，達到較高的成品質量，并降低制造成本。

[1] 易先忠.現(xiàn)代井下動力鉆具發(fā)展的四大特征[J].石油機械，1994，22(11)：48-52.

[2] SY/T 5547—2000,螺桿鉆具使用、維修和管理[S].

[3] W.泰拉斯波爾斯基[法].井下液動鉆具[M].李克向，姜義忠，胡澤明，譯.北京:石油工業(yè)出版社，1991.

[4] 許福東，華北莊.三種渦輪鉆具用滾珠軸承承載能力分析與結構優(yōu)化[J].石油礦場機械，2004，33(5)：47-49.

[5] 祝效華，李佳南，王傳峰.螺桿鉆具多列推力軸承力學及運動特性分析[J].石油機械，2013，41(9)：20-24.

[6] 童華，祝效華，石昌帥.螺桿鉆具推力軸承工作力學分析及結構改進[J].石油機械，2010，38(4)：34-36.

[7] 許福東，華北莊，周思柱.渦輪鉆具用串聯(lián)組合4支點球軸承均載機理[J].石油機械，2000，28：156-157.

[8] 張也，龔彥，張曉東，等.渦輪鉆具推力球軸承組磨損實驗及壽命預測[J].石油礦場機械，2013，42(12)：65-68.

[9] 許福東，符達良，周思柱.渦輪鉆具用四支點球軸承磨損壽命估算新方法[J].石油機械，2004，32(7)：17-19.

[10] 朱煥剛，張曉東，畢立彩，等.渦輪鉆具四支點推力球軸承組軸向變形的仿真[J].石油機械，2005，33(4)：4-9.

[11] 李萌，于興勝，羅西超，等.螺桿鉆具前沿技術[J].石油機械，2011，39(9)：19-22.

[12] C. W. Knuteson，T. N. Sexton，C. H. Cooley. Wear-in behavior of polycrystalline diamond thrust bearings[J].Wear，2011，271：2106-2110.

[13] 趙柳東，李立鑫，王瑜，等.渦輪鉆具的研究進展[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2016，43(10)：269-274.

[14] 趙毅，紀博，李玉海，等.動力鉆具用PDC止推軸承的粘接工藝研究[J].石油礦場機械，2013，42(2)：56-58.

[15] 馮進，高革勝.渦輪鉆具扶正軸承偏心運動分析[J].江漢石油學院學報，2000，22(2)：11-13.

[16] 許福東，張曉東，孫華鵬.井下動力鉆具用TC軸承接觸問題的理論研究[J].石油礦場機械，2004，33(6)：21-24.

[17] 童振，孟慶昆，劉新云.復合鉆井中提高鉆頭水功率的一種方法[J].石油機械，2014，42(1)：44-46.

[18] 楊寶德，范傳友，吳志明，等.螺桿鉆具TC軸承的研制[J].石油機械，1992，20(6)：1-4.

[19] 謝金穩(wěn)，周德軍，賈文杰.渦輪鉆具滾動止推軸承材料及其工藝的建議[J].石油礦場機械，1999，28(5)：43-46.

[20] 蔣秀龍.可傾瓦推力滑動軸承彈流潤滑研究[D].浙江杭州：浙江大學，2011.