螺桿泵井驅(qū)動(dòng)裝置安全性能優(yōu)化改造

孫向輝（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

1 螺桿泵井驅(qū)動(dòng)裝置現(xiàn)狀及工作原理

螺桿泵因其地面裝置緊湊，占地面積小，安裝施工快速等優(yōu)勢(shì)，為油田廣泛采用。初期配套的地面驅(qū)動(dòng)裝置多為普通常規(guī)驅(qū)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)保養(yǎng)方便；但該裝置最初設(shè)計(jì)時(shí)未考慮停機(jī)反轉(zhuǎn)問(wèn)題，后期陸續(xù)加裝機(jī)械式棘輪剎車裝置（圖1）。隨著大功率直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，目前安裝的螺桿泵多采用直驅(qū)式驅(qū)動(dòng)裝置。截至目前，薩北開發(fā)區(qū)共有螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)裝置井993口，其中普通驅(qū)動(dòng)裝置井762口，直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置井231口。

圖1 機(jī)械式棘輪剎車裝置

1.1 機(jī)械式棘輪剎車裝置

當(dāng)螺桿泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于離心力作用，棘爪克服彈簧彈力與棘輪脫開。停機(jī)后，棘爪與棘輪在彈簧彈力作用下結(jié)合，使光桿不能反轉(zhuǎn)。桿柱在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中積蓄了一定的彈性能，停泵檢修時(shí)，只能人工采用工具慢慢松開抱閘，使光桿慢慢反轉(zhuǎn)到停止，從而釋放扭矩[1]。

1.2 直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置

光桿穿過(guò)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的空心軸，通過(guò)方卡子與電動(dòng)機(jī)空心軸連接。直流電動(dòng)機(jī)的定子上產(chǎn)生的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)相互作用而使轉(zhuǎn)子帶動(dòng)光桿轉(zhuǎn)動(dòng)，把動(dòng)力直接傳遞到井下抽油桿和螺桿泵，來(lái)驅(qū)動(dòng)螺桿泵運(yùn)轉(zhuǎn)[2]直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置及結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置及結(jié)構(gòu)

2 安全性能存在問(wèn)題

傳統(tǒng)的棘輪棘爪裝置自應(yīng)用以來(lái)，防反轉(zhuǎn)功能失效事件時(shí)有發(fā)生（圖3）。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)35 臺(tái)頻繁失效的高轉(zhuǎn)速、大排量螺桿泵的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該裝置失效主要有以下三種情況：棘輪棘爪嚙合失效、反轉(zhuǎn)釋放失效、剎車片失效[3-5]。

圖3 剎車失效現(xiàn)場(chǎng)照片

當(dāng)螺桿泵工作轉(zhuǎn)速過(guò)高、轉(zhuǎn)動(dòng)加速度過(guò)大時(shí)，棘爪在離心力的作用下不易回彈，從而棘輪棘爪不能嚙合，導(dǎo)致嚙合失效。棘爪盤沒(méi)有檢查孔，日常檢查與維護(hù)時(shí)不能檢查外棘爪，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)安全性得不到掌握，人工釋放扭矩時(shí)因抱閘抱死而發(fā)生釋放失效。裝置制動(dòng)瓦尺寸較小，強(qiáng)度及制動(dòng)扭矩不能滿足大排量井要求，剎車失效偶有發(fā)生[6]。

直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置取消了皮帶輪、皮帶、護(hù)罩等部件，從根本上避免了飛輪情況發(fā)生。但由于直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置采用電磁式地面驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，遇停電等情況會(huì)造成制動(dòng)系統(tǒng)失靈，無(wú)法實(shí)現(xiàn)防反轉(zhuǎn)功用；如果光桿露出方卡過(guò)長(zhǎng)，存在光桿甩彎等安全隱患，反轉(zhuǎn)后光桿彎曲照片見圖4。

圖4 反轉(zhuǎn)后光桿彎曲照片

3 改造方案

為消除螺桿泵井停井后抽油桿反轉(zhuǎn)出現(xiàn)的“斷桿”、“飛輪”等各類安全隱患，制定了“驅(qū)動(dòng)裝置安全性能優(yōu)化”三年改造方案。具體措施為：根據(jù)驅(qū)動(dòng)頭風(fēng)險(xiǎn)及使用年限，對(duì)于年限長(zhǎng)、泵型較大、風(fēng)險(xiǎn)大的普通驅(qū)動(dòng)頭，安裝“雙釋放液壓防反轉(zhuǎn)裝置”或“多重保險(xiǎn)防反轉(zhuǎn)控制裝置”兩種新型防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)，把部分普通驅(qū)動(dòng)改為直驅(qū)驅(qū)動(dòng)，將現(xiàn)有的鐵質(zhì)防護(hù)罩更換為橡膠材質(zhì)的防護(hù)罩，降低防護(hù)罩打飛后傷人的危險(xiǎn)系數(shù)。在油井作業(yè)設(shè)計(jì)中，要求作業(yè)隊(duì)伍施工時(shí)將光桿防掉帽下平面與方卡子上平面實(shí)現(xiàn)零距離，防止光桿露出過(guò)長(zhǎng)，杜絕光桿甩彎事故發(fā)生。

3.1 新型防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)安裝

1）雙釋放液壓防反轉(zhuǎn)裝置。該裝置是在常規(guī)驅(qū)動(dòng)裝置上進(jìn)行技術(shù)改造。裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)大、小齒輪隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，單向機(jī)構(gòu)脫開，齒輪泵不工作。停機(jī)后主軸產(chǎn)生反轉(zhuǎn)時(shí)，單向機(jī)構(gòu)瞬時(shí)嚙合，帶動(dòng)齒輪泵工作。齒輪泵通過(guò)高壓油管將液壓油供給液壓鉗，推動(dòng)液壓鉗卡緊制動(dòng)盤，限制螺桿泵旋轉(zhuǎn)，這時(shí)大齒輪轉(zhuǎn)速下降，齒輪泵供油能力降低，液壓油的壓力及液壓鉗的卡緊力也降低；液壓鉗釋放制動(dòng)盤，反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速提高，齒輪泵的供油量增加，提高液壓系統(tǒng)壓力，如此反復(fù)直至螺桿泵反轉(zhuǎn)扭矩完全釋放，雙釋放液壓防反轉(zhuǎn)裝置見圖5。

圖5 雙釋放液壓防反轉(zhuǎn)裝置

2）多重保險(xiǎn)防反轉(zhuǎn)控制裝置。相較于傳統(tǒng)的棘輪棘爪式防反轉(zhuǎn)剎車系統(tǒng)，該裝置采用了多棘爪和多重制動(dòng)的組合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了“卡住”和“釋放”多重保險(xiǎn)。外棘爪采用向外甩開與制動(dòng)盤嚙合設(shè)計(jì)，扭矩越大、轉(zhuǎn)速越高，越容易甩開與制動(dòng)盤嚙合。該設(shè)計(jì)還解決了由原內(nèi)棘爪扭簧失效而導(dǎo)致嚙合失效的問(wèn)題。外棘爪扭簧失效后，不但能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，而且更容易向外甩開與棘輪嚙合[7-10]。棘爪盤設(shè)有外棘爪檢查孔，可實(shí)現(xiàn)不拆卸棘爪盤檢查外棘爪，從而方便裝置日常檢查與維護(hù)，多重保險(xiǎn)防反轉(zhuǎn)控制裝置見圖6。

圖6 多重保險(xiǎn)防反轉(zhuǎn)控制裝置

3.2 其他安全改造措施

將部分老舊不具備改造價(jià)值的常規(guī)驅(qū)動(dòng)裝置直接更換為安全性能較高的直驅(qū)式驅(qū)動(dòng)裝置，將現(xiàn)有的鐵質(zhì)防護(hù)罩更換為橡膠材質(zhì)的防護(hù)罩，杜絕反轉(zhuǎn)失靈后光桿打飛防護(hù)罩的二次傷害事故。在油井小修檢泵等作業(yè)過(guò)程中，要求作業(yè)隊(duì)伍施工時(shí)將光桿防掉帽下平面與方卡子上平面實(shí)現(xiàn)零距離，防止光桿露出過(guò)長(zhǎng)，杜絕光桿甩彎事故發(fā)生。

安裝直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置50 套，將光桿防掉帽下平面與方卡子上平面實(shí)現(xiàn)零距離等措施用于353口井上。鐵質(zhì)防護(hù)罩已全部更換為橡膠材質(zhì)的防護(hù)罩。

4 效果評(píng)價(jià)及效益分析

方案采用的兩種新型防反轉(zhuǎn)裝置具有安全可靠、操作方便、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)。改造方案的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了抽油桿扭矩的緩慢釋放，減少了由于高轉(zhuǎn)速反轉(zhuǎn)對(duì)井下桿管所造成的疲勞傷害。按每井每年減少1次檢泵作業(yè)計(jì)算，單井可減少作業(yè)費(fèi)用約9.05萬(wàn)元（表1），同時(shí)也避免了頻繁檢泵帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題。

表1 單井作業(yè)費(fèi)用

方案實(shí)施后螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)裝置的安全性能大大提高，因剎車裝置失靈而造成飛輪、護(hù)罩打飛等安全隱患得以消除，避免了人員傷亡，具有較高的社會(huì)效益。

該方案共計(jì)改造安裝50 套直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置、209 套雙釋放液壓防反轉(zhuǎn)裝置、22套多重保險(xiǎn)防反轉(zhuǎn)控制裝置，共計(jì)改造了281 套，總投入費(fèi)用為827.2 萬(wàn)元。若按每井每年減少1 次檢泵作業(yè)節(jié)約9.05萬(wàn)元計(jì)算，最終創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益1 715.85萬(wàn)元。

5 結(jié)論

1）直驅(qū)式地面驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化了原有的驅(qū)動(dòng)部分，杜絕了皮帶輪飛出傷人的不安全隱患，但其投入費(fèi)用較高。

2）雙釋放液壓防反轉(zhuǎn)裝置和多重保險(xiǎn)防反轉(zhuǎn)控制裝置都具有安全可靠、操作方便、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，至今均未發(fā)生因制動(dòng)失靈所造成的“飛輪”等安全事故，具有較好的可推廣性。

3）螺桿泵井常規(guī)作業(yè)應(yīng)保證光桿防掉帽下平面與方卡子上平面“零距離”。

4）定期維修保養(yǎng)螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置，加強(qiáng)井筒熱洗清防蠟工作，減少運(yùn)行負(fù)荷。