螺桿泵井桿柱反轉原因分析及應對探討

陳志國

（大慶油田力神泵業有限公司技術研發中心，黑龍江大慶 163000）

0 引言

在油田開采過程中需要使用大量先進的機械設備，其中螺桿泵的使用十分普遍。螺桿泵的運行水平與油田生產的安全性息息相關，也會對石油的開采效率造成較大影響。在進行油田開采的過程中，受多種因素影響容易造成螺桿泵井桿柱反轉，這種情況不但會對螺桿泵設備造成極大的損害，也會增加安全事故的發生概率，引起嚴重后果。針對螺桿泵井桿柱反轉問題，需要明確造成其反轉的主要原因，采取相應的處理措施，以提高螺桿泵設備運行管理水平。

1 螺桿泵井桿柱反轉原因及危害分析

1.1 螺桿泵井桿柱反轉原因分析

在使用螺桿泵進行油田開采的過程中，螺桿泵井桿柱反轉是比較常見的故障之一，造成螺桿泵井桿柱反轉的原因比較復雜，其中最為主要的原因就是由于螺桿泵在運行中發生停機、卡泵等現象，使得桿柱變形扭曲，而此類變形扭曲的快速釋放就會引起螺桿泵井桿柱的反轉故障。具體而言，在螺桿泵設備運行過程中，如果突然停機或卡泵，在輸油管道和管線內部滯留的高壓液體與管道內部的井液壓之間就會產生一定的壓差，在壓力作用下驅使螺桿泵成為液壓螺桿馬達，帶動轉子和與轉子相連的桿柱快速反轉。

螺桿泵井桿柱的反轉會受油套壓差的影響，在反轉時間和反轉速度上表現出一定的差異性。一般而言，油套壓差越大，驅動螺桿泵井桿柱反轉的速度越快，持續的時間越長，而隨著油套壓差逐漸下降，螺桿泵井桿柱反轉的速度和持續的時間也會相應下降，直至油套壓差趨于平衡，螺桿泵井桿柱的反轉也會逐漸消失。當螺桿泵井桿柱出現反轉現象時，桿柱產生比較強烈的振動，如果在振動過程中產生共振現象，也就是螺桿泵井桿柱在反轉中的振動頻率與井口的自振頻率達到了同步，就會使得螺桿泵井桿柱的反轉速度在瞬間快速上升至最高速，在這種情況下就會引發嚴重的安全事故，對作業現場造成極大的危害，甚至造成人員傷亡。

1.2 螺桿泵井桿柱反轉的危害

螺桿泵井桿柱的反轉現象受反轉速度和持續時間的影響，會產生不同程度的危害，情況嚴重的將會引發現場安全事故，造成十分嚴重的后果。具體而言，螺桿泵井桿柱反轉所造成的危害主要表現為以下3 個方面：

（1）螺桿泵井桿柱反轉會使桿柱脫離原位，造成螺桿泵井光桿甩動，在這種情況下會對螺桿泵設備造成較大的磨損，引起螺桿泵各裝置和零部件的損壞。

（2）在螺桿泵井桿柱反轉的過程中，如果反轉速度過快、持續時間過長，會造成反轉部位的零部件溫度不斷升高，將井口的可燃氣體點燃，引發作業現場的爆炸事故，造成不可預估的嚴重后果。

（3）螺桿泵井桿柱反轉如果不能有效控制，有可能造成皮帶輪破碎，破碎的皮帶輪在作業現場四處飛散，會對現場作業人員的人身安全造成傷害，破壞油田開采現場，降低油田開采效率，增加各類安全事故的發生概率。

2 螺桿泵井桿柱防反轉常用裝置

2.1 棘輪棘爪式防反轉裝置

此類防反轉裝置是借助于棘輪棘爪的單向回轉來達到防反轉的效果。具體而言，棘輪和棘爪借助于外嚙合的方式形成咬合，在螺桿泵驅動裝置正常運行的情況下，棘爪會受離心力的作用，與棘輪剎車帶相互脫離，在這種情況下防反轉裝置不會啟動；而當螺桿泵在運行狀態下突然停機時，螺桿泵井桿柱在慣性作用下發生反轉，當螺桿泵井桿柱反轉時棘爪會受重力和彈簧力的作用，與棘輪的剎車帶嚙合，繼而啟動防反轉裝置，通過該裝置的摩擦力作用來消解螺桿泵井桿柱高速反轉所產生的扭矩。

棘輪棘爪式防反轉裝置的結構比較簡單，安裝比較便捷，裝置的整體造價較低，靈活性和操控性較強；但棘輪棘爪式防反轉裝置必須要在人為的近距離操作下才能啟動，如果操作不當有可能造成摩擦面打滑，存在一定的安全隱患，并且在應用棘輪棘爪式防反轉裝置的過程中會產生較大的噪聲，同時也會對裝置造成較大的沖擊和磨損，因此需要經常更換部件。

2.2 摩擦式防反轉裝置

摩擦式防反轉裝置是由能夠識別正反轉的超越離合器和閘瓦制動器兩部分組成。在摩擦式防反轉裝置中，閘瓦與閘體通過鉚接的方式連接，兩個閘體分別拖緊外圈，在螺桿泵裝置正常運行的情況下，螺桿泵的驅動裝置處于正轉的狀態，也就是順時針方向的轉動，此時摩擦式防反轉裝置不會啟動；而當螺桿泵在運行中突然停機造成反轉時，螺桿泵的驅動裝置呈現反轉的狀態，此時滾柱會進入星輪與外環當中，驅動該裝置產生作用，在阻尼作用的影響下對星輪的轉動進行限制，從而達到防反轉的效果[1]。但由于摩擦式防反轉裝置的操作需要人為控制，操作不當很容易造成裝置失效，并且更換該裝置時還存在較大的安全隱患，因此目前在螺桿泵井的應用較少。

2.3 楔塊防反轉裝置

楔塊防反轉裝置的工作原理是依據超越離合器的工作原理。具體而言，當螺桿泵裝置正常運行時，螺桿泵井桿柱處于正轉狀態，此時該裝置中的楔塊呈現正常排列的狀態，與外環相互脫開，在這種情況下楔塊防反轉裝置不啟動；而當螺桿泵在運行中突然停機時，螺桿泵井桿柱發生反轉，在反扭矩的情況下該裝置反方向旋轉，裝置內的楔塊呈現反方向的排列，與外環互相鎖死，避免螺桿泵井桿柱的反轉現象。

楔塊防反轉裝置的構造比較簡單，易于安裝，操控性強，工作過程安全性高，不易引發安全事故，且該裝置的使用壽命較長，不需要經常進行零部件的更換；但該裝置的缺點是不能從根本上解決螺桿泵井桿柱的反轉問題，在裝置發生作用的情況下，一旦反轉扭矩超過了楔塊所能夠承受的范圍，就會引起楔塊故障，造成裝置失靈，并且該裝置的日常維護存在諸多不便。

2.4 液壓式防反轉裝置

液壓式防反轉裝置的工作原理與汽車的剎車系統有一定的相似之處。當螺桿泵裝置在運行中突然停機，螺桿泵井桿柱即將發生反轉時，液壓防反轉裝置中的液壓馬達就會啟動，裝置內的摩擦塊通過液壓油驅動作用在剎車盤上，釋放出較大的反轉勢能，通過反轉勢能的作用達到消解螺桿泵井桿柱反轉的目的。

液壓式防反轉裝置的應用優勢是該裝置的運行狀態穩定性強，安全可靠，不會產生噪聲，也不會對現場的作業人員造成危害，且該裝置的維修、更換和日常的養護比較方便，不存在安全隱患，并且該裝置可以較徹底地解決螺桿泵井桿柱的反轉問題，保障螺桿泵裝置運行的安全性；液壓式防反轉裝置的缺點是整體造價較高，且對于液壓元件的品質要求相對嚴格，因此后期維修和更換元件的費用也會相對較高，并且該裝置在運行過程中如果出現了油品變質或漏油等情況，有可能對液壓防反轉裝置的性能造成影響，因此需要定期進行保養和維護。

3 應對螺桿泵井桿柱反轉的措施

3.1 研發與應用更加安全可靠的防反轉裝置

通過對造成螺桿泵井桿柱反轉現象的原因進行深入分析可以得出，引起螺桿泵井桿柱反轉的主要因素就是桿柱儲存的彈性勢能以及油套壓差的作用。針對螺桿泵井桿柱的反轉問題，如不能采取有效措施加以控制，在反轉速度較快、持續時間較長的情況下會產生一系列的嚴重后果，引發安全事故，對作業現場及人員造成極大的危害。因此，針對螺桿泵井桿柱的反轉問題，相關人員應當加強技術研發與應用，在現有的防反轉裝置的基礎上進行升級和改進，研發與應用更加安全可靠的防反轉裝置，確保在螺桿泵運行突然停機時可以安全釋放扭矩，有效消除油套壓差，減少因反轉作用造成的安全風險。螺桿泵井桿柱防反轉的常用裝置，需要深入分析其工作原理及優缺點，在此基礎上針對性地加以改進，從而提高防反轉裝置的穩定性與可靠性，減少裝置使用中的安全風險，最大限度地保障螺桿泵設備的運行安全。

3.2 應用井下防倒流開關

井下防倒流開關的應用可以有效應對液力作用所引起的螺桿泵井桿柱反轉問題。井下防倒流開關由盤、球、頂桿、銷釘、變徑接箍等部件組成，其在螺桿泵驅動裝置中的應用可以減少螺桿泵在突然停機發生反轉時所產生扭矩，降低反轉的速度，減少因油套壓差所引起的螺桿泵井桿柱反轉問題。通過消解液力的作用來達到控制反轉的目的，同時也解決了桿柱脫扣的問題。防倒流開關的整體構造比較簡單，造價較低，安裝也比較方便，目前已經在油田開發工作中得到了比較廣泛的應用，且井下防倒流開關的穩定性強、可靠性高，應用前景廣闊。

3.3 加強地面安全管理

為了有效控制螺桿泵井桿柱反轉問題，不但要為螺桿泵設備配備相應的防反轉裝置，還需要在地面工作中加強安全管理，做好安全防護措施，減少螺桿泵井桿柱反轉造成的不良后果。具體措施：①相關人員需要做好螺桿泵設備的日常檢修、維護和保養工作，完善設備管理記錄，不斷積累經驗，提高安全防范能力；②對螺桿泵設備的運行進行全程監控，及時發現螺桿泵運行中的異常情況，第一時間采取措施進行故障診斷和排查，減少反轉的發生概率；③制定完善的應急處理預案，針對突發的螺桿泵井桿柱反轉問題，應立即啟動應急處理方案，降低安全事故的發生概率。

4 結語

螺桿泵是油田生產中的重要設備，螺桿泵井桿柱反轉會對油田生產造成不利影響，一旦發生安全事故將會造成嚴重后果。針對螺桿泵井桿柱反轉現象，需要結合造成反轉的具體原因采取相應的處理措施，提高安全管理能力，減輕反轉引發的危害。