欠平衡钻井技术是近年来发展起来的先进钻井技术,具有常规钻井不可比拟的优越性。国内各油田都非常重视欠平衡钻井技术的开发推广,但实施欠平衡钻井施工用的核心部件——旋转控制头及其轴承总成目前全部依赖进口,限制了欠平衡钻井技术的普及实施。为了推动我国欠平衡钻井技术的发展和推广应用,本文研制了一种具有自主知识产权的安全、可靠的欠平衡钻井旋转控制头用高压旋转动密封轴承总成。根据轴承总成的使用工况,本文首次建立力学模型,对轴承总成的受力状况进行分析。结合现场工况,分析了轴承总成受到的轴向力以及在三种工况情况(方补芯与天车同轴度偏差、天车与防喷器中心线同轴度误差、钻具接头与套管壁接触等)下的侧向力;用非线性接触有限元法仿真计算了4 1/8″胶芯抵御横向变形的刚度。根据可靠性设计理论,借助于有限单元法,设计了轴承总成的主要结构。经过对不同旋转机械的对比研究,确定了轴承的布置方案;计算了抗弯扶正轴承在各种工况的受力,利用可靠性设计法对滚动轴承进行选型、对轴承总成内外简体进行了设计。分析了井口偏斜对轴承寿命及内外筒应力的影响;最后计算了轴承总成整体的可靠度。为了使轴承总成在高压钻井液介质中工作能够保持高的可靠度,本文还通过对比选择了一种高压旋转动密封件,并设计了合理的润滑、冷却结构,设计出了旋转控制头轴承总成的总体结构。