螺桿泵驅動裝置技術評價

雷瑩（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

螺桿泵驅動裝置技術評價

雷瑩（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

針對油田螺桿泵舉升方式存在地面驅動裝置傳動效率低、減速器損壞維修費用高、傳動裝置存在安全隱患等問題，對比了直流電動機直拖螺桿泵地面驅動裝置與偏置式螺桿泵驅動裝置的應用效果。這兩種裝置都取消了地面驅動裝置的機械減速器和皮帶，減少了傳動裝置，降低了地面故障率，能耗減少，進一步提高了驅動系統的可靠性，可滿足螺桿泵在不同工況下對驅動系統的要求。螺桿泵驅動裝置的改進在一定程度上完善了螺桿泵井配套工藝技術，對螺桿泵的普及和發展具有重要意義。

直驅螺桿泵 偏置式螺桿泵 驅動裝置 對比與評價

近幾年隨著螺桿泵及相關配套技術的逐步完善，在油田上得到了大量的推廣應用。螺桿泵與舉升能力相同的抽油機和電潛泵相比具有泵效高、能耗低等優點。但在現場應用中，螺桿泵井的地面驅動裝置卻暴露出一些問題：如中間減速機構機械損失較高，最大可達 15%；減速器損壞維修費用高；傳動裝置存在安全隱患等。針對這些問題，許多廠家對螺桿泵驅動裝置做出了改進，應用直流電動機直拖螺桿泵地面驅動、偏置式螺桿泵地面驅動等驅動 技術，從而有效解決螺桿泵驅動裝置存在的問題[1]。

1 常規螺桿泵驅動裝置存在的問題

常規螺桿泵地面驅動裝置是由電動機通過皮帶輪帶動雙面螺旋齒輪，由輸出軸帶動抽油桿旋轉驅動螺桿泵實現抽吸井下流體。

常規驅動頭存在皮帶輪間接驅動螺桿泵工作，啟動扭矩大，功率損耗大，系統效率低。其制動采用棘輪剎車機構存在安全隱患，且由于雙面螺旋齒傳 動存在轉速 受 限 （理 論 上 ≤8r/min）、 影響螺桿泵這種舉升方式的廣泛應用。

1）安全問題。常規螺桿泵驅動裝置輸入皮帶輪 （即驅動頭大輪）的連接強度偏低，三條 M16的固定螺栓、難于承受高扭矩的剪切應力，存在運轉時發生飛輪的隱患；棘輪剎車裝置的卸載需人工手動松開緊固螺栓來實現，當操作不當或緊固螺栓存在質量問題時易造成傷人事故。

2）效率問題。常規螺桿泵驅動裝置由于采用皮帶間接傳動，故此其傳動效率明顯低于直接驅動；常規驅動頭的調速是更換皮帶輪，而皮帶輪傳動的致命缺陷就是打滑、丟轉，電動機輸出扭矩損失嚴重，只有靠增加電動機功率來彌補。因此增加了一次性投入成本。

3）耗能問題。常規螺桿泵驅動裝置由于采用皮帶傳動，存在動力損失，因此匹配的電動機功率偏大，能耗相對較高，增加了采油成本。

2 直流電動機直拖螺桿泵地面驅動技術特點

永磁無刷直流電動機用電子換向裝置替代了普通直流電動機的機械換向器，解決了普通直流電動機的換向產生火花等問題，它具有結構簡單、運行可靠、維護方便的優點，非常適合螺桿泵的負載特性[2]。

2.1技術特點

1）調速性能好：實現了電動機的無級調速，轉 速 可 由 0r/min 到 200r/min 之 間 任 意調整 ， 比 變頻調速方式更方便、穩定。

2）運轉穩定性好：直驅裝置的重心與光桿重合，對中性好，與電動機側置式裝置相比，高速運轉的穩定性更好。

3）電動機啟動轉矩大：啟動轉矩可為額定轉矩的 3～4倍，可保證螺桿泵的順利啟動。

4）可靠的防反轉系統：它由電磁牽制，過壓釋放和能耗制動三級組成。剎車為能耗制動方式，停機時光桿的彈性恢復力使光桿反轉，從而帶動電動機反轉，剎車電阻及時投入，消耗電動機反轉能量，從而達到抑制電動機反轉的目的。

2.2直流電動機直拖螺桿泵試驗效果

截至2011年 8月全廠應用直驅螺桿泵驅動裝置62口井。其中 1400泵 1口井，1200 泵 13口井，1 000 泵 1 口井，800 泵 21 口井，500 泵 16 口井，300泵6口井，200泵4口井，使用直驅驅動頭后平均單井日節電45kWh。

3 偏置式螺桿泵地面驅動技術

3.1工作原理

偏置式螺桿泵驅動裝置，應用小功率電動機直接驅動高效平面傳動機構帶動光桿轉動。由于高效平面傳動機構的傳動比范圍大，且體積小、匹配電動機功率低，制造工藝技術成熟，由此實現了常規螺桿泵驅動裝置與電動機直驅螺桿泵的優勢結合，見圖1。

圖1 偏置式螺桿泵原理

3.2技術特點

1）應用了高效平面傳動減速機構。高效平面傳動機構的傳動比可達到15，匹配電動機小，輸出扭矩高；平面齒輪結構簡單、速比范圍寬、適用范圍廣，其輸出最高轉速可達到 600r/min。

2）應用了永磁電動機固有的特性，實現了自動防反轉卸載軟剎車技術。剎車裝置在控制箱內設有能耗電阻和獨立的剎車控制器。停機操作時（或系統失電），泵桿彈性釋放，會拖動永磁電機反轉，接通剎車電阻，電阻吸收能量，發電制動力驅動剎車裝置制動，最終使泵桿回到初始狀態。同時螺桿泵下次啟動時，初始啟動力矩很小，便于啟動，修井作業也不會出現反轉問題。可有效避免抽油桿脫扣及機械損壞甚至人身傷害事故。

3）專用控制柜功能強大，采用安裝矢量變頻器的專用控制裝置，配合其自動控制軟件，實現變頻調速時其扭矩恒定，從而確保了減速機在不同轉速下具有足夠的工作扭矩；自動控制軟件實現了軟啟、軟停及停機后自動釋放扭矩的功能；自動控制軟件依據電動機的工作電流變化情況，可以對參數調整情況做出提示；完善的保護功能可確保電動機的安全、平穩運行。

4）保留了性能穩定的機械密封裝置，與常規驅動頭的通用。

3.3偏置式螺桿泵試驗效果

偏置式螺桿泵驅動裝置克服了常規驅動裝置傳動效率低、能耗高等問題，又在現有直驅驅動裝置基礎上做出一定改進，降低電動機的裝機功率，相比之下具有一定的優勢，目前已經在許多采油廠進行現場試驗。

2010 年偏置式螺桿泵已經在大慶油田采油一廠、二廠開展了對比試驗，安裝后運行平穩，能耗大幅度下降，安裝偏置式驅動頭后生產和測試數據見表1。

安 裝 偏 置 式 驅 動 頭 后 ， 噸 液 百 米 耗 電 由 0.8 kWh 下降到 0.7kWh，下降了 0.1kWh；消耗功率由10.6kW 下 降 到 8.9kW ， 下 降 了 1.7kW， 平 均 綜 合節電率達 16.3%，與普通螺桿泵驅動相比節能效果顯著。

4 直驅螺桿泵驅動裝置與偏置式螺桿泵驅動裝置經濟效益對比

以驅動頭終端輸出扭矩為 1050.5Nm 為例，電動機直驅與偏置式螺桿泵驅動裝置技術經濟性對比見表2。

表1 螺桿泵井換偏置式前后能耗參數對比

表2 直驅驅動裝置與偏置式驅動裝置參數對比

由表2可以看出：同扭矩輸出兩者電動機額定功率不同，電動機直驅需要輸入的動力也明顯高于偏置式螺桿泵驅動裝置。電動機級數不同體積用料不同，電動機直驅制造成本加大。直驅與偏置式直驅驅動裝置出現問題的維護費用為其制造成本的80%，電動機直驅驅動裝置的維護費用也相對較高。從能源消耗上看，在同扭矩同轉速工況下，電動機直驅明顯高于偏置式螺桿泵驅動裝置。

4.1直驅螺桿泵經濟效益計算

1）投入費用：設備單價 8.7 萬元。

2）產出效益：安裝螺桿泵直驅驅動裝置后平均 單 井 日 節 電 45kWh，單井年節電規模 1.64× 104kWh，10 年節電費用 16.425 萬元。

3）維修費用：按照使用壽命 10 年，10 年中維修一次計算，一臺螺桿泵直驅驅動裝置使用過程中的維護費用6萬元。電動機直驅至少需要半天時間，卻還要有大型吊車配合，影響油 2.5t，原油價格按 1848.3 元/t，共影響原油 損失 0.46 萬元。所以電動機維修產生的費用合計 6.46 萬元。直驅使用過程中可獲得的效益為：1.265 萬元。

4.2偏置式螺桿泵經濟效益計算

1）投入費用：設備單價 7萬元。

2）產出效益：安裝螺桿泵偏置式驅動裝置后平均單 井日節電 43kWh，單 井年節電規模 1.57× 104kWh，10 年節電費用 9.02 萬元。

3）維修費用：按照使用壽命 10 年，10 年中維修一次計算，一臺螺桿泵直驅驅動裝置使用過程中的維護費用 0.5 萬元。偏置式螺桿泵驅動裝置只需30min， 影 響 油 0.4t， 原 油 價 格 按 1848.3 元 /t， 共影響原油損失 0.08萬元。所以電動機維修產生的費用合計 0.58 萬元。年效益為 1.44 萬元。

由此可見偏置式螺桿泵驅動裝置使用后節能效果較好，費用相對較低，此外電動機直驅需要有大型吊車配合，4～6個人才能拆下，而偏置式螺桿泵驅動裝置只需兩個人即可恢復運行，大大縮短了檢修時間。

5 結論和認識

1）偏置式螺桿泵驅動裝置采用直接驅動，且采用了高減速比的平面減速機構，有效的降低了裝機功率，減少生產成本，同時確保了高扭矩的輸出，達到了節能的目的。

2）簡化了原機械式螺桿泵地面上的驅動部分，無需減速箱和皮帶傳動裝置，杜絕了皮帶輪飛出傷人不安全隱患。

3）偏置式螺桿泵驅動裝置維護費用較低，生產成本和直驅螺桿泵驅動裝置相比也相對較低，便于推廣使用。

[1]韓廷修,李永東.螺桿泵采油原理及應用[M].北京:石油工業出版社,1998.

[2]馮華勝.直流電動機直驅螺桿泵節能效果評價[J].石油石 化 節 能 ,2013,3（3）:30-31.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.005.012

2012-10-23）

雷瑩，2008年畢業于東北石油大學 （石油工程專業），從事三 次采油 和提高采 收率工作 ，E-mail： renxu0817@163.com， 地址：黑龍江省大慶油田有限責任公司第三采油廠工程技術大隊三采室，163000。