螺桿泵井驅(qū)動裝置安全性能優(yōu)化改造

孫向輝（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

1 螺桿泵井驅(qū)動裝置現(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，為油田廣泛采用。初期配套的地面驅(qū)動裝置多為普通常規(guī)驅(qū)動。其結(jié)構(gòu)簡單，維護保養(yǎng)方便；但該裝置最初設計時未考慮停機反轉(zhuǎn)問題，后期陸續(xù)加裝機械式棘輪剎車裝置（圖1）。隨著大功率直驅(qū)電動機的出現(xiàn)，目前安裝的螺桿泵多采用直驅(qū)式驅(qū)動裝置。截至目前，薩北開發(fā)區(qū)共有螺桿泵地面驅(qū)動裝置井993口，其中普通驅(qū)動裝置井762口，直驅(qū)驅(qū)動裝置井231口。

圖1 機械式棘輪剎車裝置

1.1 機械式棘輪剎車裝置

當螺桿泵正常運轉(zhuǎn)時，由于離心力作用，棘爪克服彈簧彈力與棘輪脫開。停機后，棘爪與棘輪在彈簧彈力作用下結(jié)合，使光桿不能反轉(zhuǎn)。桿柱在運轉(zhuǎn)過程中積蓄了一定的彈性能，停泵檢修時，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)動裝置

光桿穿過永磁無刷直流電動機的空心軸，通過方卡子與電動機空心軸連接。直流電動機的定子上產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子永磁磁場相互作用而使轉(zhuǎn)子帶動光桿轉(zhuǎn)動，把動力直接傳遞到井下抽油桿和螺桿泵，來驅(qū)動螺桿泵運轉(zhuǎn)[2]直驅(qū)驅(qū)動裝置及結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 直驅(qū)驅(qū)動裝置及結(jié)構(gòu)

2 安全性能存在問題

傳統(tǒng)的棘輪棘爪裝置自應用以來，防反轉(zhuǎn)功能失效事件時有發(fā)生（圖3）。通過對現(xiàn)場35 臺頻繁失效的高轉(zhuǎn)速、大排量螺桿泵的統(tǒng)計發(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)場照片

當螺桿泵工作轉(zhuǎn)速過高、轉(zhuǎn)動加速度過大時，棘爪在離心力的作用下不易回彈，從而棘輪棘爪不能嚙合，導致嚙合失效。棘爪盤沒有檢查孔，日常檢查與維護時不能檢查外棘爪，隨著運行時間的增長內(nèi)部結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)安全性得不到掌握，人工釋放扭矩時因抱閘抱死而發(fā)生釋放失效。裝置制動瓦尺寸較小，強度及制動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)動裝置取消了皮帶輪、皮帶、護罩等部件，從根本上避免了飛輪情況發(fā)生。但由于直驅(qū)驅(qū)動裝置采用電磁式地面驅(qū)動系統(tǒng)，遇停電等情況會造成制動系統(tǒng)失靈，無法實現(xiàn)防反轉(zhuǎn)功用；如果光桿露出方卡過長，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)動頭風險及使用年限，對于年限長、泵型較大、風險大的普通驅(qū)動頭，安裝“雙釋放液壓防反轉(zhuǎn)裝置”或“多重保險防反轉(zhuǎn)控制裝置”兩種新型防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)，把部分普通驅(qū)動改為直驅(qū)驅(qū)動，將現(xiàn)有的鐵質(zhì)防護罩更換為橡膠材質(zhì)的防護罩，降低防護罩打飛后傷人的危險系數(shù)。在油井作業(yè)設計中，要求作業(yè)隊伍施工時將光桿防掉帽下平面與方卡子上平面實現(xiàn)零距離，防止光桿露出過長，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)動裝置上進行技術改造。裝置正常運轉(zhuǎn)時大、小齒輪隨主軸轉(zhuǎn)動，單向機構(gòu)脫開，齒輪泵不工作。停機后主軸產(chǎn)生反轉(zhuǎn)時，單向機構(gòu)瞬時嚙合，帶動齒輪泵工作。齒輪泵通過高壓油管將液壓油供給液壓鉗，推動液壓鉗卡緊制動盤，限制螺桿泵旋轉(zhuǎn)，這時大齒輪轉(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的組合設計，實現(xiàn)了“卡住”和“釋放”多重保險。外棘爪采用向外甩開與制動盤嚙合設計，扭矩越大、轉(zhuǎn)速越高，越容易甩開與制動盤嚙合。該設計還解決了由原內(nèi)棘爪扭簧失效而導致嚙合失效的問題。外棘爪扭簧失效后，不但能及時發(fā)現(xiàn)，而且更容易向外甩開與棘輪嚙合[7-10]。棘爪盤設有外棘爪檢查孔，可實現(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，多重保險防反轉(zhuǎn)控制裝置見圖6。

圖6 多重保險防反轉(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值的常規(guī)驅(qū)動裝置直接更換為安全性能較高的直驅(qū)式驅(qū)動裝置，將現(xiàn)有的鐵質(zhì)防護罩更換為橡膠材質(zhì)的防護罩，杜絕反轉(zhuǎn)失靈后光桿打飛防護罩的二次傷害事故。在油井小修檢泵等作業(yè)過程中，要求作業(yè)隊伍施工時將光桿防掉帽下平面與方卡子上平面實現(xiàn)零距離，防止光桿露出過長，杜絕光桿甩彎事故發(fā)生。

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

4 效果評價及效益分析

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)濟效益好等優(yōu)點。改造方案的實施，實現(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)計算，單井可減少作業(yè)費用約9.05萬元（表1），同時也避免了頻繁檢泵帶來的環(huán)境污染問題。

表1 單井作業(yè)費用

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

該方案共計改造安裝50 套直驅(qū)驅(qū)動裝置、209 套雙釋放液壓防反轉(zhuǎn)裝置、22套多重保險防反轉(zhuǎn)控制裝置，共計改造了281 套，總投入費用為827.2 萬元。若按每井每年減少1 次檢泵作業(yè)節(jié)約9.05萬元計算，最終創(chuàng)經(jīng)濟效益1 715.85萬元。

5 結(jié)論

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

2）雙釋放液壓防反轉(zhuǎn)裝置和多重保險防反轉(zhuǎn)控制裝置都具有安全可靠、操作方便、經(jīng)濟效益好等優(yōu)點，至今均未發(fā)生因制動失靈所造成的“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)動裝置，加強井筒熱洗清防蠟工作，減少運行負荷。