石油钻井旋转接头的工作原理核心在于通过机械结构设计实现旋转状态下的高压流体传输，同时解决 “动态密封”“载荷支撑”“抗磨损” 三大技术难题。其原理可从结构协同、流体传输、密封机制、载荷支撑四个维度展开说明：

一、基本工作框架：旋转与固定部件的动态耦合

（1）结构组成与运动关系

旋转部分：

包括旋转轴、轴承内圈、机械密封动环等，与钻柱刚性连接，随钻柱同步 360° 旋转（转速 0~500rpm）。

固定部分：

包括壳体、轴承外圈、机械密封静环、流体入口法兰等，通过螺栓固定于井口设备（如顶驱、转盘），保持静止。

核心矛盾：

旋转轴与固定壳体之间需同时满足 “高速旋转” 和 “高压流体密封” 的双重要求，通过轴承支撑和机械密封实现矛盾统一。

二、流体传输原理：高压介质的动态通道构建

流体输入与输出路径：

地面泥浆泵将高压钻井液（35~105MPa）通过固定壳体的入口法兰注入，经壳体内部的环形通道流向旋转轴；

旋转轴中心加工有轴向通孔，钻井液沿孔道向下传输至钻柱内孔，最终从钻头喷嘴喷出。

动态密封下的通道维持：

机械密封的动环与静环表面以微米级精度贴合（粗糙度≤0.2μm），形成动态密封面，阻止钻井液从旋转轴与壳体的间隙泄漏；

密封面间存在一层极薄的润滑液膜（由钻井液或润滑脂形成），既减少摩擦发热，又辅助密封。

三、密封机制：机械密封的动态补偿原理

（1）机械密封的核心工作逻辑

摩擦副结构：

动环（随轴旋转）与静环（固定于壳体）采用 “硬对硬” 或 “硬对软” 材料组合（如碳化硅 vs 碳化钨，或碳化硅 vs 石墨），利用材料耐磨性和表面光洁度实现高压密封。

轴向力平衡：

密封面的贴合压力由三部分组成：

弹簧力：机械密封内置的金属波纹管（或弹簧）提供初始预紧力，确保静止时的密封；

介质压力：钻井液高压作用于密封面背面，推动动环向静环压紧，压力越高，密封面贴合越紧（自密封效应）；

补偿磨损：波纹管可轴向伸缩，当密封面磨损时（磨损量≤0.5mm），自动推动动环前移，维持贴合压力（补偿量通常为 2~5mm）。

（2）多级密封的冗余设计

主密封（机械密封）：承担 90% 以上的耐压任务，通过摩擦副贴合阻断流体泄漏；

次级密封（橡胶 O 型圈 / 金属密封）：位于机械密封外侧，当主密封失效时，作为第二道防线，延缓泄漏速度；

泄漏监测通道：壳体外侧设置独立的泄漏收集槽，若密封失效，钻井液会从监测孔流出，通过目视或压力传感器报警。