螺桿泵驅(qū)動裝置反轉(zhuǎn)機(jī)理研究

孫雙義（大慶油田第二采油廠第七作業(yè)區(qū)，黑龍江　大慶　163414）

螺桿泵驅(qū)動裝置反轉(zhuǎn)機(jī)理研究

孫雙義
（大慶油田第二采油廠第七作業(yè)區(qū)，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(jìn)行了簡介，分析了螺桿泵井反轉(zhuǎn)機(jī)理和存在問題，提出了風(fēng)險防范措施。

螺桿泵；反轉(zhuǎn)；防反轉(zhuǎn)裝置

螺桿泵采油技術(shù)具有一次性投資少、能耗低等特點(diǎn)，近年來隨著其配套技術(shù)的不斷完善，應(yīng)用規(guī)模逐年擴(kuò)大，并取得了較好的效果。目前采油二廠螺桿泵井1500臺，占機(jī)采井達(dá)20%，但在生產(chǎn)過程中，由于螺桿泵井桿柱儲存一定的扭矩，當(dāng)螺桿泵停機(jī)或卡泵時，會導(dǎo)致桿柱反轉(zhuǎn)，造成桿脫、光桿甩彎、地面設(shè)備損壞等問題，當(dāng)員工進(jìn)行換光桿、皮帶等設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)時，可能會威脅到操作人員安全。

一、螺桿泵井反轉(zhuǎn)機(jī)理研究

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

1.桿柱儲存的扭轉(zhuǎn)勢能導(dǎo)致反轉(zhuǎn)

螺桿泵井在運(yùn)轉(zhuǎn)時，桿柱承受著井下螺桿泵定轉(zhuǎn)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(chǎn)生了彈性變形，儲存著這部分扭轉(zhuǎn)勢能，當(dāng)螺桿泵井停機(jī)后，桿柱儲存扭轉(zhuǎn)勢能的釋放導(dǎo)致了桿柱的反轉(zhuǎn)。

2.油套壓差引起的反轉(zhuǎn)

當(dāng)螺桿泵停機(jī)后，由于油管內(nèi)液柱高于套管內(nèi)液柱，因此油套壓差對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生促使桿柱下端反轉(zhuǎn)（逆時針）的扭矩，動液面越深，壓差越大，對轉(zhuǎn)子的力越大，產(chǎn)生的反扭矩也越大。

二、防反轉(zhuǎn)裝置及存在問題

目前我廠主要采用的防反轉(zhuǎn)方法是在地面驅(qū)動頭上安裝棘輪棘爪式裝置，即棘輪棘爪反轉(zhuǎn)裝置裝在驅(qū)動裝置輸入軸上，依靠剎車帶的摩擦力釋放反轉(zhuǎn)勢能。當(dāng)驅(qū)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(zhuǎn)系統(tǒng)不工作。當(dāng)停機(jī)時，桿柱反轉(zhuǎn)帶動光桿反轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)系統(tǒng)工作，依靠摩擦力避免驅(qū)動裝置高速反轉(zhuǎn)。通過手動旋松扭矩釋放螺栓，可以將貯存在桿柱中的反轉(zhuǎn)扭矩釋放掉，提高了驅(qū)動裝置操作維護(hù)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(yuǎn)離危險區(qū)域，操作風(fēng)險大；二是釋放扭矩時需要卸松螺絲來控制光桿返轉(zhuǎn)速度，在釋放過程中，人為因素較大，返轉(zhuǎn)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(zhuǎn)；三是該裝置靠剎車帶與棘輪棘爪同時作用來防止返轉(zhuǎn)，存在著兩個風(fēng)險點(diǎn)，在更換皮帶或皮帶輪時，為保證安全，需要釋放扭矩，給生產(chǎn)操作帶來不便，同時增加了風(fēng)險系數(shù)。

三、反轉(zhuǎn)風(fēng)險防范措施

為確保螺桿泵地面驅(qū)動裝置安全、平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，主要采取以下幾種防范措施。

1.應(yīng)用鋼質(zhì)皮帶輪

以往螺桿泵常規(guī)驅(qū)動裝置上應(yīng)用的皮帶輪為鑄鐵材質(zhì)，其缺點(diǎn)是脆性較大，在高速旋轉(zhuǎn)時易出現(xiàn)碎裂情況。近年來在螺桿泵井上曾發(fā)生過幾次因防反轉(zhuǎn)裝置失效而導(dǎo)致皮帶輪高速旋轉(zhuǎn)破碎飛出的情況，給周圍的人員和設(shè)備帶來了很大的威脅。

針對這種情況，將螺桿泵井應(yīng)用的鑄鐵皮帶輪改為鋼質(zhì)皮帶輪，其抗拉強(qiáng)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(yīng)用橡膠防護(hù)罩

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

為此試驗(yàn)了軟質(zhì)的橡膠防護(hù)罩，通過降低防護(hù)罩所用材料的強(qiáng)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(zhì)較軟，即使飛出對人員及設(shè)備的損害程度也會大大降低（圖1）。

圖1　橡膠與金屬防護(hù)罩對比圖

3.方卡子防上竄措施

油田大多數(shù)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(qū)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(yùn)轉(zhuǎn)。但如果出現(xiàn)光桿高速反轉(zhuǎn)、套管壓力過高等特殊情況，則有可能出現(xiàn)光桿上竄的問題，嚴(yán)重的會威脅到周圍設(shè)備和人員的安全。

針對螺桿泵井存在光桿上竄的安全風(fēng)險，采取了光桿防上竄的技術(shù)改進(jìn)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(shè)計(jì)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(hù)套卡在方卡子與盤根盒上，臺肩與凹槽相對應(yīng)使兩者進(jìn)行軸向固定，之后再安裝一個圓筒形護(hù)套，并用頂絲進(jìn)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(yè)施工時，為了保證轉(zhuǎn)子完全進(jìn)入泵筒，需要在桿柱下入到泵下的限位器后，再根據(jù)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(yán)格按照要求上提，上提過小會導(dǎo)致轉(zhuǎn)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(shè)定為一個范圍來消除量配產(chǎn)生的誤差。原有螺桿泵井光桿外露長度的標(biāo)準(zhǔn)為30～60cm，在這個范圍之下，作業(yè)施工時桿柱量配比較容易。

原有的光桿外露標(biāo)準(zhǔn)存在的安全風(fēng)險為：當(dāng)光桿高速反轉(zhuǎn)時，由于其不能絕對于驅(qū)動裝置垂直，因此會對光桿產(chǎn)生一個徑向的彎矩，反轉(zhuǎn)的速度越快、光桿外露的長度越長，產(chǎn)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(shè)備造成較大的風(fēng)險。兩年來我廠曾出現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)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(yè)施工時，根據(jù)全井桿柱的長度和桿徑的大小上提防沖距后，通過準(zhǔn)確調(diào)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(jìn)行調(diào)整，來確保滿足管桿上下匹配的要求。

四、結(jié)語

（1）螺桿泵桿柱反轉(zhuǎn)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(chǎn)生很大的瞬時扭矩和轉(zhuǎn)速；油套壓差作用會加劇桿柱反轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)速越轉(zhuǎn)越快。

（2）在螺桿泵井的地面設(shè)備上要做好防護(hù)措施，通過應(yīng)用鋼質(zhì)皮帶輪、橡膠防護(hù)罩、方卡子防竄機(jī)構(gòu)以及降低光桿高度，保證在反轉(zhuǎn)失效時的意外情況下將危險降至最低。

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