螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)原因分析及應(yīng)對(duì)探討

陳志國(guó)

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司技術(shù)研發(fā)中心，黑龍江大慶 163000）

0 引言

在油田開(kāi)采過(guò)程中需要使用大量先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備，其中螺桿泵的使用十分普遍。螺桿泵的運(yùn)行水平與油田生產(chǎn)的安全性息息相關(guān)，也會(huì)對(duì)石油的開(kāi)采效率造成較大影響。在進(jìn)行油田開(kāi)采的過(guò)程中，受多種因素影響容易造成螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)，這種情況不但會(huì)對(duì)螺桿泵設(shè)備造成極大的損害，也會(huì)增加安全事故的發(fā)生概率，引起嚴(yán)重后果。針對(duì)螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)問(wèn)題，需要明確造成其反轉(zhuǎn)的主要原因，采取相應(yīng)的處理措施，以提高螺桿泵設(shè)備運(yùn)行管理水平。

1 螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)原因及危害分析

1.1 螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)原因分析

在使用螺桿泵進(jìn)行油田開(kāi)采的過(guò)程中，螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)是比較常見(jiàn)的故障之一，造成螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)的原因比較復(fù)雜，其中最為主要的原因就是由于螺桿泵在運(yùn)行中發(fā)生停機(jī)、卡泵等現(xiàn)象，使得桿柱變形扭曲，而此類(lèi)變形扭曲的快速釋放就會(huì)引起螺桿泵井桿柱的反轉(zhuǎn)故障。具體而言，在螺桿泵設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，如果突然停機(jī)或卡泵，在輸油管道和管線內(nèi)部滯留的高壓液體與管道內(nèi)部的井液壓之間就會(huì)產(chǎn)生一定的壓差，在壓力作用下驅(qū)使螺桿泵成為液壓螺桿馬達(dá)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子和與轉(zhuǎn)子相連的桿柱快速反轉(zhuǎn)。

螺桿泵井桿柱的反轉(zhuǎn)會(huì)受油套壓差的影響，在反轉(zhuǎn)時(shí)間和反轉(zhuǎn)速度上表現(xiàn)出一定的差異性。一般而言，油套壓差越大，驅(qū)動(dòng)螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)的速度越快，持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，而隨著油套壓差逐漸下降，螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)的速度和持續(xù)的時(shí)間也會(huì)相應(yīng)下降，直至油套壓差趨于平衡，螺桿泵井桿柱的反轉(zhuǎn)也會(huì)逐漸消失。當(dāng)螺桿泵井桿柱出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象時(shí)，桿柱產(chǎn)生比較強(qiáng)烈的振動(dòng)，如果在振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生共振現(xiàn)象，也就是螺桿泵井桿柱在反轉(zhuǎn)中的振動(dòng)頻率與井口的自振頻率達(dá)到了同步，就會(huì)使得螺桿泵井桿柱的反轉(zhuǎn)速度在瞬間快速上升至最高速，在這種情況下就會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(zhuǎn)的危害

螺桿泵井桿柱的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象受反轉(zhuǎn)速度和持續(xù)時(shí)間的影響，會(huì)產(chǎn)生不同程度的危害，情況嚴(yán)重的將會(huì)引發(fā)現(xiàn)場(chǎng)安全事故，造成十分嚴(yán)重的后果。具體而言，螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)所造成的危害主要表現(xiàn)為以下3 個(gè)方面：

（1）螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)會(huì)使桿柱脫離原位，造成螺桿泵井光桿甩動(dòng)，在這種情況下會(huì)對(duì)螺桿泵設(shè)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(zhuǎn)的過(guò)程中，如果反轉(zhuǎn)速度過(guò)快、持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)造成反轉(zhuǎn)部位的零部件溫度不斷升高，將井口的可燃?xì)怏w點(diǎn)燃，引發(fā)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的爆炸事故，造成不可預(yù)估的嚴(yán)重后果。

（3）螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)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(yè)現(xiàn)場(chǎng)四處飛散，會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的人身安全造成傷害，破壞油田開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)，降低油田開(kāi)采效率，增加各類(lèi)安全事故的發(fā)生概率。

2 螺桿泵井桿柱防反轉(zhuǎn)常用裝置

2.1 棘輪棘爪式防反轉(zhuǎn)裝置

此類(lèi)防反轉(zhuǎn)裝置是借助于棘輪棘爪的單向回轉(zhuǎn)來(lái)達(dá)到防反轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)裝置正常運(yùn)行的情況下，棘爪會(huì)受離心力的作用，與棘輪剎車(chē)帶相互脫離，在這種情況下防反轉(zhuǎn)裝置不會(huì)啟動(dòng)；而當(dāng)螺桿泵在運(yùn)行狀態(tài)下突然停機(jī)時(shí)，螺桿泵井桿柱在慣性作用下發(fā)生反轉(zhuǎn)，當(dāng)螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)時(shí)棘爪會(huì)受重力和彈簧力的作用，與棘輪的剎車(chē)帶嚙合，繼而啟動(dòng)防反轉(zhuǎn)裝置，通過(guò)該裝置的摩擦力作用來(lái)消解螺桿泵井桿柱高速反轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的扭矩。

棘輪棘爪式防反轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，安裝比較便捷，裝置的整體造價(jià)較低，靈活性和操控性較強(qiáng)；但棘輪棘爪式防反轉(zhuǎn)裝置必須要在人為的近距離操作下才能啟動(dòng)，如果操作不當(dāng)有可能造成摩擦面打滑，存在一定的安全隱患，并且在應(yīng)用棘輪棘爪式防反轉(zhuǎn)裝置的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，同時(shí)也會(huì)對(duì)裝置造成較大的沖擊和磨損，因此需要經(jīng)常更換部件。

2.2 摩擦式防反轉(zhuǎn)裝置

摩擦式防反轉(zhuǎn)裝置是由能夠識(shí)別正反轉(zhuǎn)的超越離合器和閘瓦制動(dòng)器兩部分組成。在摩擦式防反轉(zhuǎn)裝置中，閘瓦與閘體通過(guò)鉚接的方式連接，兩個(gè)閘體分別拖緊外圈，在螺桿泵裝置正常運(yùn)行的情況下，螺桿泵的驅(qū)動(dòng)裝置處于正轉(zhuǎn)的狀態(tài)，也就是順時(shí)針?lè)较虻霓D(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)摩擦式防反轉(zhuǎn)裝置不會(huì)啟動(dòng)；而當(dāng)螺桿泵在運(yùn)行中突然停機(jī)造成反轉(zhuǎn)時(shí)，螺桿泵的驅(qū)動(dòng)裝置呈現(xiàn)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)，此時(shí)滾柱會(huì)進(jìn)入星輪與外環(huán)當(dāng)中，驅(qū)動(dòng)該裝置產(chǎn)生作用，在阻尼作用的影響下對(duì)星輪的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行限制，從而達(dá)到防反轉(zhuǎn)的效果[1]。但由于摩擦式防反轉(zhuǎn)裝置的操作需要人為控制，操作不當(dāng)很容易造成裝置失效，并且更換該裝置時(shí)還存在較大的安全隱患，因此目前在螺桿泵井的應(yīng)用較少。

2.3 楔塊防反轉(zhuǎn)裝置

楔塊防反轉(zhuǎn)裝置的工作原理是依據(jù)超越離合器的工作原理。具體而言，當(dāng)螺桿泵裝置正常運(yùn)行時(shí)，螺桿泵井桿柱處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)該裝置中的楔塊呈現(xiàn)正常排列的狀態(tài)，與外環(huán)相互脫開(kāi)，在這種情況下楔塊防反轉(zhuǎn)裝置不啟動(dòng)；而當(dāng)螺桿泵在運(yùn)行中突然停機(jī)時(shí)，螺桿泵井桿柱發(fā)生反轉(zhuǎn)，在反扭矩的情況下該裝置反方向旋轉(zhuǎn)，裝置內(nèi)的楔塊呈現(xiàn)反方向的排列，與外環(huán)互相鎖死，避免螺桿泵井桿柱的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

楔塊防反轉(zhuǎn)裝置的構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，易于安裝，操控性強(qiáng)，工作過(guò)程安全性高，不易引發(fā)安全事故，且該裝置的使用壽命較長(zhǎng)，不需要經(jīng)常進(jìn)行零部件的更換；但該裝置的缺點(diǎn)是不能從根本上解決螺桿泵井桿柱的反轉(zhuǎn)問(wèn)題，在裝置發(fā)生作用的情況下，一旦反轉(zhuǎn)扭矩超過(guò)了楔塊所能夠承受的范圍，就會(huì)引起楔塊故障，造成裝置失靈，并且該裝置的日常維護(hù)存在諸多不便。

2.4 液壓式防反轉(zhuǎn)裝置

液壓式防反轉(zhuǎn)裝置的工作原理與汽車(chē)的剎車(chē)系統(tǒng)有一定的相似之處。當(dāng)螺桿泵裝置在運(yùn)行中突然停機(jī)，螺桿泵井桿柱即將發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí)，液壓防反轉(zhuǎn)裝置中的液壓馬達(dá)就會(huì)啟動(dòng)，裝置內(nèi)的摩擦塊通過(guò)液壓油驅(qū)動(dòng)作用在剎車(chē)盤(pán)上，釋放出較大的反轉(zhuǎn)勢(shì)能，通過(guò)反轉(zhuǎn)勢(shì)能的作用達(dá)到消解螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)的目的。

液壓式防反轉(zhuǎn)裝置的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是該裝置的運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定性強(qiáng)，安全可靠，不會(huì)產(chǎn)生噪聲，也不會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)人員造成危害，且該裝置的維修、更換和日常的養(yǎng)護(hù)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(zhuǎn)問(wèn)題，保障螺桿泵裝置運(yùn)行的安全性；液壓式防反轉(zhuǎn)裝置的缺點(diǎn)是整體造價(jià)較高，且對(duì)于液壓元件的品質(zhì)要求相對(duì)嚴(yán)格，因此后期維修和更換元件的費(fèi)用也會(huì)相對(duì)較高，并且該裝置在運(yùn)行過(guò)程中如果出現(xiàn)了油品變質(zhì)或漏油等情況，有可能對(duì)液壓防反轉(zhuǎn)裝置的性能造成影響，因此需要定期進(jìn)行保養(yǎng)和維護(hù)。

3 應(yīng)對(duì)螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)的措施

3.1 研發(fā)與應(yīng)用更加安全可靠的防反轉(zhuǎn)裝置

通過(guò)對(duì)造成螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的原因進(jìn)行深入分析可以得出，引起螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)的主要因素就是桿柱儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能以及油套壓差的作用。針對(duì)螺桿泵井桿柱的反轉(zhuǎn)問(wèn)題，如不能采取有效措施加以控制，在反轉(zhuǎn)速度較快、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的情況下會(huì)產(chǎn)生一系列的嚴(yán)重后果，引發(fā)安全事故，對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)及人員造成極大的危害。因此，針對(duì)螺桿泵井桿柱的反轉(zhuǎn)問(wèn)題，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，在現(xiàn)有的防反轉(zhuǎn)裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)和改進(jìn)，研發(fā)與應(yīng)用更加安全可靠的防反轉(zhuǎn)裝置，確保在螺桿泵運(yùn)行突然停機(jī)時(shí)可以安全釋放扭矩，有效消除油套壓差，減少因反轉(zhuǎn)作用造成的安全風(fēng)險(xiǎn)。螺桿泵井桿柱防反轉(zhuǎn)的常用裝置，需要深入分析其工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上針對(duì)性地加以改進(jìn)，從而提高防反轉(zhuǎn)裝置的穩(wěn)定性與可靠性，減少裝置使用中的安全風(fēng)險(xiǎn)，最大限度地保障螺桿泵設(shè)備的運(yùn)行安全。

3.2 應(yīng)用井下防倒流開(kāi)關(guān)

井下防倒流開(kāi)關(guān)的應(yīng)用可以有效應(yīng)對(duì)液力作用所引起的螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)問(wèn)題。井下防倒流開(kāi)關(guān)由盤(pán)、球、頂桿、銷(xiāo)釘、變徑接箍等部件組成，其在螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置中的應(yīng)用可以減少螺桿泵在突然停機(jī)發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生扭矩，降低反轉(zhuǎn)的速度，減少因油套壓差所引起的螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)問(wèn)題。通過(guò)消解液力的作用來(lái)達(dá)到控制反轉(zhuǎn)的目的，同時(shí)也解決了桿柱脫扣的問(wèn)題。防倒流開(kāi)關(guān)的整體構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，安裝也比較方便，目前已經(jīng)在油田開(kāi)發(fā)工作中得到了比較廣泛的應(yīng)用，且井下防倒流開(kāi)關(guān)的穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高，應(yīng)用前景廣闊。

3.3 加強(qiáng)地面安全管理

為了有效控制螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)問(wèn)題，不但要為螺桿泵設(shè)備配備相應(yīng)的防反轉(zhuǎn)裝置，還需要在地面工作中加強(qiáng)安全管理，做好安全防護(hù)措施，減少螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)造成的不良后果。具體措施：①相關(guān)人員需要做好螺桿泵設(shè)備的日常檢修、維護(hù)和保養(yǎng)工作，完善設(shè)備管理記錄，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，提高安全防范能力；②對(duì)螺桿泵設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行全程監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)螺桿泵運(yùn)行中的異常情況，第一時(shí)間采取措施進(jìn)行故障診斷和排查，減少反轉(zhuǎn)的發(fā)生概率；③制定完善的應(yīng)急處理預(yù)案，針對(duì)突發(fā)的螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)問(wèn)題，應(yīng)立即啟動(dòng)應(yīng)急處理方案，降低安全事故的發(fā)生概率。

4 結(jié)語(yǔ)

螺桿泵是油田生產(chǎn)中的重要設(shè)備，螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)油田生產(chǎn)造成不利影響，一旦發(fā)生安全事故將會(huì)造成嚴(yán)重后果。針對(duì)螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，需要結(jié)合造成反轉(zhuǎn)的具體原因采取相應(yīng)的處理措施，提高安全管理能力，減輕反轉(zhuǎn)引發(fā)的危害。