螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置光桿防飛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊偉民，孫亮，孫雙

（1.大慶油田水務(wù)公司，黑龍江 大慶163458；2. 中石化石油工程建設(shè)有限公司，北京100101；3.大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江 大慶163311）

0 引 言

螺桿泵采油作為一種有效地舉升原油的工藝技術(shù)，其應(yīng)用已日趨廣泛，同抽油機(jī)和潛油電泵等采油設(shè)備相比，它具有體積小、安裝方便、投資少、泵效高和能耗低等明顯優(yōu)勢，特別是在稠油井、高含砂井、高含氣井及聚合物驅(qū)等井上使用更能表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性。但是目前井上普遍應(yīng)用的螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)裝置[1]的反轉(zhuǎn)剎車控制部分，無論是棘輪棘爪機(jī)械剎車，還是鉗盤制動(dòng)液壓剎車，亦或是能耗電阻電磁剎車，在螺桿泵停抽檢修或意外停電的情況下，在抽油桿柱存儲(chǔ)的彈性勢能及油管內(nèi)液柱壓差的雙重作用下，抽油桿柱反向加速轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)若驅(qū)動(dòng)裝置的反轉(zhuǎn)剎車控制部分一旦失效，高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力很容易將方卡子[2]和光桿從上支撐套甩出，不但會(huì)對采油系統(tǒng)造成破壞，還會(huì)對現(xiàn)場操作人員及周圍的建筑物造成嚴(yán)重?fù)p傷。

1 驅(qū)動(dòng)裝置方卡子及光桿連接結(jié)構(gòu)

螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)裝置方卡子（如圖1）是傳遞驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)矩、承載整個(gè)桿柱載荷的專用裝夾工具，為兩片式對稱結(jié)構(gòu)，對合后由螺栓緊固在井口光桿上。方卡子內(nèi)部設(shè)計(jì)有豎牙和橫牙，安裝時(shí)豎牙方向在上端，豎牙主要用于給整個(gè)光桿、抽油桿柱采油系統(tǒng)傳遞轉(zhuǎn)矩，方卡子下端為橫牙，橫牙主要用于承載整個(gè)抽油桿柱及井液的重量。下端U形長槽卡在驅(qū)動(dòng)裝置上支撐套（如圖2）上，方卡子通過4條螺栓與光桿緊固在一起，方卡子和上支撐套間無連接固定裝置。

圖1 方卡子

圖2 上支撐套

作業(yè)時(shí)，方卡子安裝于螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)裝置（如圖3）上端，用于將驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力通過光桿傳遞給抽油桿柱，帶動(dòng)井下螺桿泵旋轉(zhuǎn)，依靠螺桿泵容腔的漸進(jìn)效能，把井液舉升到地面。

2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

圖3 驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

原有結(jié)構(gòu)的最大缺點(diǎn)是方卡子和上支撐套間無連接固定裝置，驅(qū)動(dòng)裝置停機(jī)檢修作業(yè)或意外停電時(shí)，一旦反轉(zhuǎn)剎車控制失效，抽油桿柱高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力很容易將方卡子和光桿從上支撐套甩飛，為避免這種事故的發(fā)生，通過對驅(qū)動(dòng)裝置連接結(jié)構(gòu)分析，有針對性地對方卡子和上支撐套結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)[3]，將方卡子與上支撐套設(shè)計(jì)成緊固連接結(jié)構(gòu)，為了防止方卡子飛出，在方卡子上增加連接裝置，方卡子兩端各鉆一螺栓孔M12（如圖5），并在上支撐套上端兩側(cè)銑扁處設(shè)計(jì)4個(gè)長槽4×16×26（如圖7），長槽結(jié)構(gòu)主要是便于防脫螺栓定位及防滑脫，為防止改后的上支撐套兩側(cè)原M10螺紋孔過長不便于現(xiàn)場安裝，將M10螺紋孔設(shè)計(jì)成階梯孔形狀。設(shè)計(jì)4條高強(qiáng)度防脫螺栓（如圖8），材質(zhì)為35CrMo，將方卡子與上支撐套通過防脫螺栓牢固連接在一起，同時(shí)為防止防脫螺栓前端擠壓使螺紋牙型變形，將防脫螺栓前端設(shè)計(jì)成光軸結(jié)構(gòu)，這樣防脫螺栓不但安裝拆卸方便，而且不易損壞。改進(jìn)后方卡子與上支撐套裝配圖如圖9所示。采取這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，現(xiàn)場應(yīng)用能夠完全避免方卡子與光桿飛出，減少傷害事故發(fā)生，大大提高了螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置的安全性。

圖4 原方卡子

圖5 改進(jìn)后方卡子

圖6 原上支撐套

圖7 改進(jìn)后上支撐套

圖8 防脫螺栓

3 防脫螺栓力學(xué)計(jì)算

通過對采油井口的結(jié)構(gòu)分析，螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，井口壓力為1 MPa左右，洗井時(shí)壓力最大，油套環(huán)空壓力可達(dá)P=10 MPa，按照光桿直徑φ38 mm計(jì)算方卡子和上支撐套間的防脫螺栓受力情況[4]：

螺栓機(jī)械性能等級為12.9；螺栓屈服強(qiáng)度σs=1080 MPa；受剪直徑（螺栓小徑）d0=10.106 mm；受擠壓高度δ=6 mm；受剪面?zhèn)€數(shù)m=4；許用擠壓強(qiáng)度[σp]=σs/1.25=864 MPa；許用抗剪強(qiáng)度[τ]=σs/2.5=432 MPa；橫向載荷[FA′]=P·S=10×π×382÷4=11341.15 N；擠壓強(qiáng)度σp=FA′/(d0·δ)=11341.15÷(10.106×6)=187 MPa；抗剪強(qiáng)度τ=FA′/[m·(π/4)·d0]=11341.15÷[4×(π/4)×10.106]=357.21 MPa。

校核計(jì)算結(jié)果：σp＜[σp]；τ＜[τ]。通過計(jì)算驗(yàn)證，防脫螺栓力學(xué)性能符合要求。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

相比原有方卡子和上支撐套連接結(jié)構(gòu)，此優(yōu)化設(shè)計(jì)在保證強(qiáng)度的同時(shí)，增加了方卡子和上支撐套間的限位裝置，完全避免了驅(qū)動(dòng)裝置反轉(zhuǎn)剎車控制失效時(shí)方卡子及光桿甩飛情況的發(fā)生，為螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置現(xiàn)場安全應(yīng)用提供有力保障。截止到2019年底，采用此種設(shè)計(jì)的地面驅(qū)動(dòng)裝置現(xiàn)場應(yīng)用200余套，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值760萬元，現(xiàn)場零事故發(fā)生，得到操作人員的高度認(rèn)可。

5 結(jié) 論

通過現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，改進(jìn)設(shè)計(jì)后的地面驅(qū)動(dòng)裝置，相比原有上支撐套和方卡子連接結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的特點(diǎn)，使用安全、可靠性高，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好，為螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)裝置在油田的大批量推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖9 改進(jìn)后方卡子與上支撐套裝配圖