螺桿泵驅動裝置反轉機理研究

孫雙義（大慶油田第二采油廠第七作業區，黑龍江　大慶　163414）

螺桿泵驅動裝置反轉機理研究

孫雙義
（大慶油田第二采油廠第七作業區，黑龍江大慶163414）

對大慶油田第二采油廠在用螺桿泵使用情況進行了簡介，分析了螺桿泵井反轉機理和存在問題，提出了風險防范措施。

螺桿泵；反轉；防反轉裝置

螺桿泵采油技術具有一次性投資少、能耗低等特點，近年來隨著其配套技術的不斷完善，應用規模逐年擴大，并取得了較好的效果。目前采油二廠螺桿泵井1500臺，占機采井達20%，但在生產過程中，由于螺桿泵井桿柱儲存一定的扭矩，當螺桿泵停機或卡泵時，會導致桿柱反轉，造成桿脫、光桿甩彎、地面設備損壞等問題，當員工進行換光桿、皮帶等設備維護保養時，可能會威脅到操作人員安全。

一、螺桿泵井反轉機理研究

螺桿泵停機卸扭矩時，桿柱反轉的誘因包括兩個部分，一是桿柱變形能恢復反轉階段，此階段時間較短；二是因油套壓差作用而引起的反轉階段，此部分時間較長。

1.桿柱儲存的扭轉勢能導致反轉

螺桿泵井在運轉時，桿柱承受著井下螺桿泵定轉子之間的摩擦扭矩、泵舉升液體的有功扭矩以及與桿液的摩擦扭矩，抽油桿產生了彈性變形，儲存著這部分扭轉勢能，當螺桿泵井停機后，桿柱儲存扭轉勢能的釋放導致了桿柱的反轉。

2.油套壓差引起的反轉

當螺桿泵停機后，由于油管內液柱高于套管內液柱，因此油套壓差對轉子產生促使桿柱下端反轉（逆時針）的扭矩，動液面越深，壓差越大，對轉子的力越大，產生的反扭矩也越大。

二、防反轉裝置及存在問題

目前我廠主要采用的防反轉方法是在地面驅動頭上安裝棘輪棘爪式裝置，即棘輪棘爪反轉裝置裝在驅動裝置輸入軸上，依靠剎車帶的摩擦力釋放反轉勢能。當驅動裝置工作時，棘爪在離心力的作用下與棘輪剎車帶脫離嚙合，防反轉系統不工作。當停機時，桿柱反轉帶動光桿反轉，這時棘爪在重力和彈簧力作用下與棘輪剎車帶嚙合，防反轉系統工作，依靠摩擦力避免驅動裝置高速反轉。通過手動旋松扭矩釋放螺栓，可以將貯存在桿柱中的反轉扭矩釋放掉，提高了驅動裝置操作維護的安全性。

該裝置存在以下問題：一是所在位置空間局促，員工在釋放扭矩時操作不便，身體不能遠離危險區域，操作風險大；二是釋放扭矩時需要卸松螺絲來控制光桿返轉速度，在釋放過程中，人為因素較大，返轉速度不好控制，如果釋放過快，棘輪棘爪受離心力作用會脫開，此時再擰緊螺絲也無法控制返轉；三是該裝置靠剎車帶與棘輪棘爪同時作用來防止返轉，存在著兩個風險點，在更換皮帶或皮帶輪時，為保證安全，需要釋放扭矩，給生產操作帶來不便，同時增加了風險系數。

三、反轉風險防范措施

為確保螺桿泵地面驅動裝置安全、平穩運轉，主要采取以下幾種防范措施。

1.應用鋼質皮帶輪

以往螺桿泵常規驅動裝置上應用的皮帶輪為鑄鐵材質，其缺點是脆性較大，在高速旋轉時易出現碎裂情況。近年來在螺桿泵井上曾發生過幾次因防反轉裝置失效而導致皮帶輪高速旋轉破碎飛出的情況，給周圍的人員和設備帶來了很大的威脅。

針對這種情況，將螺桿泵井應用的鑄鐵皮帶輪改為鋼質皮帶輪，其抗拉強度在600MPa左右，約是鑄鐵皮帶輪的3倍，能夠大大降低皮帶輪破碎帶來的安全隱患。

2.應用橡膠防護罩

螺桿泵井方卡子部位為運轉部件，為防止人員接近造成傷害安裝了金屬防護罩，但是在光桿高速反轉的情況下金屬防護罩本身卻成為了一個風險點，如果光桿甩彎或方卡子脫出盤根盒擊打在防護罩上，防護罩會被擊碎，金屬碎片四散飛出，對周圍人員及設備危脅很大。

為此試驗了軟質的橡膠防護罩，通過降低防護罩所用材料的強度，減少其危害性，橡膠在被擊打時一般會被撕裂而不是四散破碎，由于其材質較軟，即使飛出對人員及設備的損害程度也會大大降低（圖1）。

圖1　橡膠與金屬防護罩對比圖

3.方卡子防上竄措施

油田大多數螺桿泵井的方卡子卡緊光桿后是靠全井桿柱的重力作用直接坐到驅動裝置上的，在軸向上沒有其他的固定措施，在一般情況下能夠保證正常運轉。但如果出現光桿高速反轉、套管壓力過高等特殊情況，則有可能出現光桿上竄的問題，嚴重的會威脅到周圍設備和人員的安全。

針對螺桿泵井存在光桿上竄的安全風險，采取了光桿防上竄的技術改進措施。

其工作原理是將方卡子的形狀由方形改為圓弧形，與盤根盒的外徑保持一致，盤根盒上設計有橫向凹槽，方卡子坐到盤根盒上后，將兩個具有上下臺肩的半圓形護套卡在方卡子與盤根盒上，臺肩與凹槽相對應使兩者進行軸向固定，之后再安裝一個圓筒形護套，并用頂絲進行徑向固定。

4.方卡子以上不外露光桿措施

螺桿泵井在作業施工時，為了保證轉子完全進入泵筒，需要在桿柱下入到泵下的限位器后，再根據全井桿柱的長度和桿徑的大小上提一定距離的防沖距。防沖距必須嚴格按照要求上提，上提過小會導致轉子磨限位器而卡泵，上提過大會影響泵效。

由于桿管在量配時會存在一定的誤差，因此光桿的外露長度通常設定為一個范圍來消除量配產生的誤差。原有螺桿泵井光桿外露長度的標準為30～60cm，在這個范圍之下，作業施工時桿柱量配比較容易。

原有的光桿外露標準存在的安全風險為：當光桿高速反轉時，由于其不能絕對于驅動裝置垂直，因此會對光桿產生一個徑向的彎矩，反轉的速度越快、光桿外露的長度越長，產生的彎矩越大，光桿越容易甩彎或甩斷，會對周圍的人員和設備造成較大的風險。兩年來我廠曾出現過2口井光桿被甩彎、甩斷的情況，光桿外露的長度分別為51cm和80cm，可見該標準不能完全避免光桿存在的安全隱患。

針對以上問題，要求在作業施工時，根據全井桿柱的長度和桿徑的大小上提防沖距后，通過準確調配管桿長度，保證光桿在方卡子以上不外露出。由于全井的管桿下井后，可能會存在一定的誤差，因此通過加工0.7m、1m、1.5m等不同長度的抽油桿短接進行調整，來確保滿足管桿上下匹配的要求。

四、結語

（1）螺桿泵桿柱反轉主要受到彈性勢能和油套壓差的綜合作用。桿柱彈性勢能釋放的速度快、時間短，會產生很大的瞬時扭矩和轉速；油套壓差作用會加劇桿柱反轉，使轉速越轉越快。

（2）在螺桿泵井的地面設備上要做好防護措施，通過應用鋼質皮帶輪、橡膠防護罩、方卡子防竄機構以及降低光桿高度，保證在反轉失效時的意外情況下將危險降至最低。

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