螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置技術(shù)評價(jià)

雷瑩（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置技術(shù)評價(jià)

雷瑩（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

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

直驅(qū)螺桿泵 偏置式螺桿泵 驅(qū)動(dòng)裝置 對比與評價(jià)

近幾年隨著螺桿泵及相關(guān)配套技術(shù)的逐步完善，在油田上得到了大量的推廣應(yīng)用。螺桿泵與舉升能力相同的抽油機(jī)和電潛泵相比具有泵效高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。但在現(xiàn)場應(yīng)用中，螺桿泵井的地面驅(qū)動(dòng)裝置卻暴露出一些問題：如中間減速機(jī)構(gòu)機(jī)械損失較高，最大可達(dá) 15%；減速器損壞維修費(fèi)用高；傳動(dòng)裝置存在安全隱患等。針對這些問題，許多廠家對螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置做出了改進(jìn)，應(yīng)用直流電動(dòng)機(jī)直拖螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)、偏置式螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng) 技術(shù)，從而有效解決螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置存在的問題[1]。

1 常規(guī)螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置存在的問題

常規(guī)螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)裝置是由電動(dòng)機(jī)通過皮帶輪帶動(dòng)雙面螺旋齒輪，由輸出軸帶動(dòng)抽油桿旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)螺桿泵實(shí)現(xiàn)抽吸井下流體。

常規(guī)驅(qū)動(dòng)頭存在皮帶輪間接驅(qū)動(dòng)螺桿泵工作，啟動(dòng)扭矩大，功率損耗大，系統(tǒng)效率低。其制動(dòng)采用棘輪剎車機(jī)構(gòu)存在安全隱患，且由于雙面螺旋齒傳 動(dòng)存在轉(zhuǎn)速 受 限 （理 論 上 ≤8r/min）、 影響螺桿泵這種舉升方式的廣泛應(yīng)用。

1）安全問題。常規(guī)螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置輸入皮帶輪 （即驅(qū)動(dòng)頭大輪）的連接強(qiáng)度偏低，三條 M16的固定螺栓、難于承受高扭矩的剪切應(yīng)力，存在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生飛輪的隱患；棘輪剎車裝置的卸載需人工手動(dòng)松開緊固螺栓來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)操作不當(dāng)或緊固螺栓存在質(zhì)量問題時(shí)易造成傷人事故。

2）效率問題。常規(guī)螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置由于采用皮帶間接傳動(dòng)，故此其傳動(dòng)效率明顯低于直接驅(qū)動(dòng)；常規(guī)驅(qū)動(dòng)頭的調(diào)速是更換皮帶輪，而皮帶輪傳動(dòng)的致命缺陷就是打滑、丟轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)輸出扭矩?fù)p失嚴(yán)重，只有靠增加電動(dòng)機(jī)功率來彌補(bǔ)。因此增加了一次性投入成本。

3）耗能問題。常規(guī)螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置由于采用皮帶傳動(dòng)，存在動(dòng)力損失，因此匹配的電動(dòng)機(jī)功率偏大，能耗相對較高，增加了采油成本。

2 直流電動(dòng)機(jī)直拖螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)技術(shù)特點(diǎn)

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)用電子換向裝置替代了普通直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向器，解決了普通直流電動(dòng)機(jī)的換向產(chǎn)生火花等問題，它具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，非常適合螺桿泵的負(fù)載特性[2]。

2.1技術(shù)特點(diǎn)

1）調(diào)速性能好：實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的無級調(diào)速，轉(zhuǎn) 速 可 由 0r/min 到 200r/min 之 間 任 意調(diào)整 ， 比 變頻調(diào)速方式更方便、穩(wěn)定。

2）運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性好：直驅(qū)裝置的重心與光桿重合，對中性好，與電動(dòng)機(jī)側(cè)置式裝置相比，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性更好。

3）電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大：啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可為額定轉(zhuǎn)矩的 3～4倍，可保證螺桿泵的順利啟動(dòng)。

4）可靠的防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)：它由電磁牽制，過壓釋放和能耗制動(dòng)三級組成。剎車為能耗制動(dòng)方式，停機(jī)時(shí)光桿的彈性恢復(fù)力使光桿反轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，剎車電阻及時(shí)投入，消耗電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)能量，從而達(dá)到抑制電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)的目的。

2.2直流電動(dòng)機(jī)直拖螺桿泵試驗(yàn)效果

截至2011年 8月全廠應(yīng)用直驅(qū)螺桿泵驅(qū)動(dòng)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(qū)驅(qū)動(dòng)頭后平均單井日節(jié)電45kWh。

3 偏置式螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)技術(shù)

3.1工作原理

偏置式螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置，應(yīng)用小功率電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)高效平面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)光桿轉(zhuǎn)動(dòng)。由于高效平面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比范圍大，且體積小、匹配電動(dòng)機(jī)功率低，制造工藝技術(shù)成熟，由此實(shí)現(xiàn)了常規(guī)螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置與電動(dòng)機(jī)直驅(qū)螺桿泵的優(yōu)勢結(jié)合，見圖1。

圖1 偏置式螺桿泵原理

3.2技術(shù)特點(diǎn)

1）應(yīng)用了高效平面?zhèn)鲃?dòng)減速機(jī)構(gòu)。高效平面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比可達(dá)到15，匹配電動(dòng)機(jī)小，輸出扭矩高；平面齒輪結(jié)構(gòu)簡單、速比范圍寬、適用范圍廣，其輸出最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到 600r/min。

2）應(yīng)用了永磁電動(dòng)機(jī)固有的特性，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)防反轉(zhuǎn)卸載軟剎車技術(shù)。剎車裝置在控制箱內(nèi)設(shè)有能耗電阻和獨(dú)立的剎車控制器。停機(jī)操作時(shí)（或系統(tǒng)失電），泵桿彈性釋放，會(huì)拖動(dòng)永磁電機(jī)反轉(zhuǎn)，接通剎車電阻，電阻吸收能量，發(fā)電制動(dòng)力驅(qū)動(dòng)剎車裝置制動(dòng)，最終使泵桿回到初始狀態(tài)。同時(shí)螺桿泵下次啟動(dòng)時(shí)，初始啟動(dòng)力矩很小，便于啟動(dòng)，修井作業(yè)也不會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)問題?？捎行П苊獬橛蜅U脫扣及機(jī)械損壞甚至人身傷害事故。

3）專用控制柜功能強(qiáng)大，采用安裝矢量變頻器的專用控制裝置，配合其自動(dòng)控制軟件，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速時(shí)其扭矩恒定，從而確保了減速機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下具有足夠的工作扭矩；自動(dòng)控制軟件實(shí)現(xiàn)了軟啟、軟停及停機(jī)后自動(dòng)釋放扭矩的功能；自動(dòng)控制軟件依據(jù)電動(dòng)機(jī)的工作電流變化情況，可以對參數(shù)調(diào)整情況做出提示；完善的保護(hù)功能可確保電動(dòng)機(jī)的安全、平穩(wěn)運(yùn)行。

4）保留了性能穩(wěn)定的機(jī)械密封裝置，與常規(guī)驅(qū)動(dòng)頭的通用。

3.3偏置式螺桿泵試驗(yàn)效果

偏置式螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置克服了常規(guī)驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)效率低、能耗高等問題，又在現(xiàn)有直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置基礎(chǔ)上做出一定改進(jìn)，降低電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)功率，相比之下具有一定的優(yōu)勢，目前已經(jīng)在許多采油廠進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。

2010 年偏置式螺桿泵已經(jīng)在大慶油田采油一廠、二廠開展了對比試驗(yàn)，安裝后運(yùn)行平穩(wěn)，能耗大幅度下降，安裝偏置式驅(qū)動(dòng)頭后生產(chǎn)和測試數(shù)據(jù)見表1。

安 裝 偏 置 式 驅(qū) 動(dòng) 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(jié)電率達(dá) 16.3%，與普通螺桿泵驅(qū)動(dòng)相比節(jié)能效果顯著。

4 直驅(qū)螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置與偏置式螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置經(jīng)濟(jì)效益對比

以驅(qū)動(dòng)頭終端輸出扭矩為 1050.5Nm 為例，電動(dòng)機(jī)直驅(qū)與偏置式螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對比見表2。

表1 螺桿泵井換偏置式前后能耗參數(shù)對比

表2 直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置與偏置式驅(qū)動(dòng)裝置參數(shù)對比

由表2可以看出：同扭矩輸出兩者電動(dòng)機(jī)額定功率不同，電動(dòng)機(jī)直驅(qū)需要輸入的動(dòng)力也明顯高于偏置式螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置。電動(dòng)機(jī)級數(shù)不同體積用料不同，電動(dòng)機(jī)直驅(qū)制造成本加大。直驅(qū)與偏置式直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置出現(xiàn)問題的維護(hù)費(fèi)用為其制造成本的80%，電動(dòng)機(jī)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置的維護(hù)費(fèi)用也相對較高。從能源消耗上看，在同扭矩同轉(zhuǎn)速工況下，電動(dòng)機(jī)直驅(qū)明顯高于偏置式螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置。

4.1直驅(qū)螺桿泵經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

1）投入費(fèi)用：設(shè)備單價(jià) 8.7 萬元。

2）產(chǎn)出效益：安裝螺桿泵直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置后平均 單 井 日 節(jié) 電 45kWh，單井年節(jié)電規(guī)模 1.64× 104kWh，10 年節(jié)電費(fèi)用 16.425 萬元。

3）維修費(fèi)用：按照使用壽命 10 年，10 年中維修一次計(jì)算，一臺(tái)螺桿泵直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置使用過程中的維護(hù)費(fèi)用6萬元。電動(dòng)機(jī)直驅(qū)至少需要半天時(shí)間，卻還要有大型吊車配合，影響油 2.5t，原油價(jià)格按 1848.3 元/t，共影響原油 損失 0.46 萬元。所以電動(dòng)機(jī)維修產(chǎn)生的費(fèi)用合計(jì) 6.46 萬元。直驅(qū)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(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

1）投入費(fèi)用：設(shè)備單價(jià) 7萬元。

2）產(chǎn)出效益：安裝螺桿泵偏置式驅(qū)動(dòng)裝置后平均單 井日節(jié)電 43kWh，單 井年節(jié)電規(guī)模 1.57× 104kWh，10 年節(jié)電費(fèi)用 9.02 萬元。

3）維修費(fèi)用：按照使用壽命 10 年，10 年中維修一次計(jì)算，一臺(tái)螺桿泵直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置使用過程中的維護(hù)費(fèi)用 0.5 萬元。偏置式螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置只需30min， 影 響 油 0.4t， 原 油 價(jià) 格 按 1848.3 元 /t， 共影響原油損失 0.08萬元。所以電動(dòng)機(jī)維修產(chǎn)生的費(fèi)用合計(jì) 0.58 萬元。年效益為 1.44 萬元。

由此可見偏置式螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置使用后節(jié)能效果較好，費(fèi)用相對較低，此外電動(dòng)機(jī)直驅(qū)需要有大型吊車配合，4～6個(gè)人才能拆下，而偏置式螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置只需兩個(gè)人即可恢復(fù)運(yùn)行，大大縮短了檢修時(shí)間。

5 結(jié)論和認(rèn)識

1）偏置式螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置采用直接驅(qū)動(dòng)，且采用了高減速比的平面減速機(jī)構(gòu)，有效的降低了裝機(jī)功率，減少生產(chǎn)成本，同時(shí)確保了高扭矩的輸出，達(dá)到了節(jié)能的目的。

2）簡化了原機(jī)械式螺桿泵地面上的驅(qū)動(dòng)部分，無需減速箱和皮帶傳動(dòng)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(qū)動(dòng)裝置維護(hù)費(fèi)用較低，生產(chǎn)成本和直驅(qū)螺桿泵驅(qū)動(dòng)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(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,1998.

[2]馮華勝.直流電動(dòng)機(jī)直驅(qū)螺桿泵節(jié)能效果評價(jià)[J].石油石 化 節(jié) 能 ,2013,3（3）:30-31.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.005.012

2012-10-23）

雷瑩，2008年畢業(yè)于東北石油大學(xué) （石油工程專業(yè)），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(zé)任公司第三采油廠工程技術(shù)大隊(duì)三采室，163000。