LBQ22-25FJ螺桿泵地面驅動裝置的研制與應用*

李松 王一兵 李盛華 鄒艷 盧顯圣

（1.中石化石油機械股份有限公司；2.中石化石油機械股份有限公司研究院；3.中石化石油機械裝備重點實驗室）

近幾年，大慶、勝利油田進入三次采油，聚合物驅、三元復合驅占據主導[1]，中原、江漢、江蘇等油田進入二期末期開采，油藏具有高含水、高含砂特性[2-4]，螺桿泵以檢泵周期長、泵效高、能耗低、適應性強等優勢在油田逐步推廣[5-6]。但在現場應用中，螺桿泵地面驅動裝置卻暴露出一些問題，如盤根盒漏原油需日常鏟除、擦拭，增加了日常維護的頻率和勞動強度；驅動裝置長時間運轉后，箱體油封處滲漏原油；密封更換需吊車等大型機械，增加修井作業成本；防反轉裝置不可靠造成抽油桿脫扣、光桿甩彎和飛輪等事故；防反轉裝置反扭矩釋放速度慢，修井作業等待時間長等[7-9]。因此，研制了能克服現有缺點的新型螺桿泵驅動裝置，采用上置式機械密封和自調節式油封，解決了盤根盒漏原油、箱體油封滲漏、密封更換不便等問題；采用可調節液壓防反轉裝置，解決了防反轉裝置不可靠、反扭矩釋放慢等問題。

1 結構特點及工作原理

1.1 結構特點

圖1 地面驅動裝置結構示意圖

LBQ22-25FJ地面驅動裝置主要由傳動機構、支撐機構、密封機構和防反轉機構組成（圖1）。傳動機構包括減速箱、大皮帶輪、輸入軸、小弧齒錐齒輪、大弧齒錐齒輪、主軸和光軸，經過點動皮帶和剛性弧齒錐齒輪兩級減速將扭矩傳遞到井下螺桿泵；支撐機構由軸承、井口總成、支撐桿總成和支撐架組成，將抽油桿及驅動裝置自身重力傳遞到井口；密封機構由上置式機械密封總成、可調節油封和靜密封軸頭組成，光桿從其內孔穿過；防反轉機構包括齒輪泵、超越離合器、泵齒輪、反制動大齒輪、液壓油箱、調節閥總成和鉗盤式制動器，反制動大齒輪安裝在主軸上端，泵齒輪通過超越離合器與齒輪泵動力輸入軸連接，反制動大齒輪與泵齒輪相互嚙合，液壓油箱、鉗盤式制動器一起通過連接板固定安裝在減速箱上，液壓油箱連接齒輪泵，齒輪泵高壓出口、調節閥總成、鉗盤式制動器進油口通過高壓油管連接。

與現有技術相比，LBQ22-25FJ地面驅動裝置主要有以下優點：

1）可調節液壓防反轉裝置，使抽油桿反轉扭矩可以點動釋放，避免了抽油桿脫扣、光桿甩彎和飛輪等事故發生，保證了系統的安全可靠性；同時可調節液壓裝置可以控制抽油桿反扭矩釋放的快慢，避免反扭矩釋放慢導致修井等待時間長、反扭矩釋放快導致桿脫等問題，提升了修井作業效率。

2）采用上置式機械密封和自調節式油封，可實現井口零泄漏，密封維修更換簡便，大幅降低了井口日常維護和密封維修作業的勞動強度。

1.2 工作原理

由于抽油桿柱自身儲存彈性勢能及油套壓差[8]，都會導致螺桿泵停機時發生反轉。為保證停機安全，地面驅動裝置采用可調節液壓防反轉裝置（圖2），驅動裝置正常運轉時，反制動大齒輪、泵齒輪隨主軸一起轉動。由于齒輪泵上超越離合器的超越作用，齒輪泵不工作。驅動裝置主軸反轉時，通過反制動大齒輪與泵齒輪之間嚙合，泵齒輪反轉，與泵齒輪連接的超越離合器瞬時嚙合帶動齒輪泵工作。齒輪泵從液壓油箱內吸取液壓油，通過調節閥總成、高壓油管供給鉗盤式制動器，鉗盤式制動器通過活塞將液壓力作用到剎車片，使剎車片與反制動大齒輪接觸產生摩擦制動力，使反制動大齒輪反轉轉速降低，齒輪泵的供液能力降低，鉗盤式制動器的卡緊力降低，使反制動大齒輪反轉轉速升高，增加齒輪泵的供油量，提升鉗盤式制動器的卡緊力，如此反復，實現螺桿泵抽油桿反扭矩的釋放。

圖2 防反轉裝置液壓原理圖

溢流閥可以調節制動油缸最大泄油壓力，控制鉗盤式制動器活塞作用到剎車片上的壓力，從而實現調節反轉扭矩釋放時鉗盤式制動器最大制動力大小；節流閥可以調節制動油缸液壓油回路的流量，可實現調節反轉扭矩釋放時鉗盤式制動器制動力變化的快慢，間接控制抽油桿反扭矩釋放的快慢。

LBQ22-25FJ地面驅動裝置采用上置式機械密封+可調節油封結構（圖3）。機械密封總成的動環固定安裝到光軸，靜環固定安裝在主軸，通過鎖緊螺母和彈簧向動環和靜環之間施加預緊力。地面驅動裝置正常運轉時，動環和靜環之間接觸面浸泡潤滑油，形成流體膜實現長時間動密封。維修更換時，先用封井器卡緊光桿，將上部卡瓦卸下，再將可調節油封和靜密封軸頭卸下，旋松緊定螺釘、旋下鎖緊螺母，就可以更換機械密封總成。

圖3 上置式機械密封+可調節油封結構

可調節油封通過內六角螺釘推動銷釘向前運動，銷釘倒角斜面擠壓壓蓋上部斜面，使壓蓋向下運動對骨架油封施加預緊力。驅動裝置長時間運轉后，由于軸向松動或徑向擠壓骨架油封可能會出現滲漏。通過調節內六角螺釘向骨架油封施加預緊力，從而使骨架油封重新建立良好的密封狀態。

2 設計計算

2.1 制動力矩計算

選用鉗盤式制動器（表1），制動盤有效工作半徑[9]：

式中：R——制動盤有效工作半徑，m；

Ry——剎車片外圓半徑，m；

Rn——剎車片內圓半徑，m。

表1 鉗盤式制動器主要參數

選用額定壓力21 MPa的HGP-1A-F4R型齒輪泵，通過壓力表將溢流閥的泄油壓力調節為13 MPa，由于液壓管路較短，管道壓力損失小可以忽略不計，鉗盤式制動器液壓缸輸入壓力：

式中：P——液壓缸輸入壓力，MPa；

Pv——系統壓力損失，MPa；

P1——系統最大壓力，MPa。

鉗盤式制動器制動力矩[10]：

式中：μ——摩擦系數；

M——制動力矩，Nm；

P——液壓缸壓力，MPa；

S——液壓缸面積，mm2；

R——有效制動半徑，m；

n——液壓缸個數。

2.2 機械密封端面比壓計算

密封介質為原油，密封壓力（表壓）3 MPa，選用H75N-55型機械密封（表2），動、靜密封環使用SiC。安裝軸外徑為55 mm；補償環內徑為57 mm；補償環外徑為61 mm。

內裝型載荷系數：

式中：d1——光軸外徑，mm；

d2——補償環內徑，mm；

db——補償環外徑，mm。

端面比壓：

式中：Pc——端面比壓，MPa；

Ps——彈簧比壓，選取0.2～0.3；

P1——密封壓力（表壓），MPa；

λ——反壓系數，選取0.33；

K——內裝型載荷系數。

端面比壓計算值基本滿足推薦數值1.1～1.3（表 3）。

表3 推薦端面比壓計算值

3 型式實驗

LBQ22-25FJ地面驅動裝置在大慶國家電動潛油泵質量監督檢驗中心進行檢測，中心擁有螺桿泵地面驅動裝置檢測系統[11]，可在室內模擬現場實際工況，檢測其各項性能指標，還可實現防反轉性能檢測，主要由扭矩加載系統、軸向力加載系統、密封試壓系統、反扭矩加載系統及輔助裝置組成。

3.1 防反轉裝置性能實驗

依據GB/T 21411.2—2019推薦的實驗方法進行檢測（圖4），從圖中可看出地面驅動裝置最大釋放轉速為91 r/min，此時制動扭矩為956 Nm，制動功率為9.1 kW；最大制動扭矩為1 994 Nm，此時釋放轉速為13 r/min，制動功率為2.71 kW。最大制動扭矩基本符合溢流閥泄油壓力調節為13 MPa時的設計計算制動力矩。

圖4 地面驅動裝置制動扭矩測試圖

對驅動裝置密封性能進行測試（圖5），在150 r/min轉速下，試驗壓力3 MPa運轉10 min，密封無泄漏。

圖5 地面驅動裝置密封性能測試圖

3.2 工業試驗

2臺LBQ22-25FJ地面驅動裝置于2018年3月在江漢油田2口井進行工業試驗（圖6），截至2019年6月，2臺地面驅動裝置上置式機械密封均無滲漏現象，大幅降低了井口維護的勞動強度。1臺地面驅動裝置油封無滲漏現象，1臺地面驅動裝置運轉1個月后油封出現1次滲漏，通過調節可調節油封滲漏現象終止。2臺地面驅動裝置分別停機多次，液壓防反轉裝置均能夠點動剎車將反轉扭矩緩慢釋放，最高反轉速度為43 r/min，最高反扭矩釋放時間83 s，無因反轉扭矩造成光桿甩彎、抽油桿脫扣現象。

圖6 2口井地面驅動裝置工業試驗

4 結論

1）可調節液壓防反轉裝置可連續進行點動制動，避免了抽油桿脫扣、光桿甩彎和飛輪等事故發生，保證了系統的安全可靠性；同時可調節制動力和制動速度，控制停機后反扭矩釋放等待時間，提升了修井作業效率。

2）上置式機械密封和可調節油封可實現井口零泄漏，免去日常更換密封、擦除油污工作，大幅降低井口維護強度及維護頻率；可調節油封可在長時間運轉出現滲漏后進行調節終止滲漏現象；同時維修方便，通過封井器實現不用吊車即可進行機械密封更換，降低了維護成本。