旋转导向钻井技术是20世纪末期发展起来的一项尖端的自动化钻井技术,主要用于水平井、超深井、大位移井、高难定向井等特殊工艺井的导向钻进,它能够自动、灵活地调整井斜与方位,控制精度高、钻探能力强,实现了钻进的自动化,代表了当今世界钻井技术发展的最高水平(赵金海,2002)。石油钻井井下的工作环境十分恶劣,钻井液的温度和压力随着井深的增加而逐渐升高,钻井液中含有砂粒及岩屑等固相和其它的化学物质,这些因素都会直接影响井下工具的密封效果,而目前国内导向工具的井下动密封设计还存在很多问题,尤其是在这种高温高压以及恶劣工作条件下的密封件的密封性能还远远达不到规定的密封要求。因此针对井下导向工具的工作要求及工作环境设计了具有自动径向补偿功能的组合动密封结构,该组合密封较好地满足了导向钻井工具的动密封要求,提高了井下密封结构的可靠性及使用寿命。本文首先对国内现有的几种常用密封结构的特点、研究现状及优缺点等进行了简要分析,对导向工具建立力学模型进行优化求解,并结合有限元分析得到心轴在导向时的最佳施力位置及应力分布情况以及轴的弯曲变形对下端密封的影响,并对旋转心轴的疲劳寿命进行了分析;针对导向钻井工具的工作要求及工作特点设计出一种具有自动径向补偿功能的组合动密封装置,该组合密封由机械密封、波纹管与螺旋密封组成。本文重点对波纹管及机械密封进行了详细的设计、计算与分析。波纹管主要起到径向补偿的功能,用来消除轴的弯曲变形对后端密封的影响,是此组合密封的关键部件,利用ANSYS有限元分析软件对波纹管的设计及其结构参数的优化进行了详细的分析,并分别研究了波纹管各参数的变化对其刚度、稳定性、应力分布状态等性能的影响,最终确定出满足使用要求下的最佳几何结构参数,并对其疲劳寿命进行了计算;最后对机械密封动、静环的接触应力以及端面的变形进行了分析,并对密封环的热应力进行了有限元分析,提出一些减小其热应力的方法与措施。通过本文最终的计算与分析得到该组合密封满足井下密封要求并具有较高的使用寿命,本设计为井下恶劣环境下的动密封设计提供了一种新的设计方法。