孙双义（大庆油田第二采油厂第七作业区，黑龙江　大庆　163414）

螺杆泵驱动装置反转机理研究

孙双义
（大庆油田第二采油厂第七作业区，黑龙江大庆163414）

对大庆油田第二采油厂在用螺杆泵使用情况进行了简介，分析了螺杆泵井反转机理和存在问题，提出了风险防范措施。

螺杆泵；反转；防反转装置

螺杆泵采油技术具有一次性投资少、能耗低等特点，近年来随着其配套技术的不断完善，应用规模逐年扩大，并取得了较好的效果。目前采油二厂螺杆泵井1500台，占机采井达20%，但在生产过程中，由于螺杆泵井杆柱储存一定的扭矩，当螺杆泵停机或卡泵时，会导致杆柱反转，造成杆脱、光杆甩弯、地面设备损坏等问题，当员工进行换光杆、皮带等设备维护保养时，可能会威胁到操作人员安全。

一、螺杆泵井反转机理研究

螺杆泵停机卸扭矩时，杆柱反转的诱因包括两个部分，一是杆柱变形能恢复反转阶段，此阶段时间较短；二是因油套压差作用而引起的反转阶段，此部分时间较长。

1.杆柱储存的扭转势能导致反转

螺杆泵井在运转时，杆柱承受着井下螺杆泵定转子之间的摩擦扭矩、泵举升液体的有功扭矩以及与杆液的摩擦扭矩，抽油杆产生了弹性变形，储存着这部分扭转势能，当螺杆泵井停机后，杆柱储存扭转势能的释放导致了杆柱的反转。

2.油套压差引起的反转

当螺杆泵停机后，由于油管内液柱高于套管内液柱，因此油套压差对转子产生促使杆柱下端反转（逆时针）的扭矩，动液面越深，压差越大，对转子的力越大，产生的反扭矩也越大。

二、防反转装置及存在问题

目前我厂主要采用的防反转方法是在地面驱动头上安装棘轮棘爪式装置，即棘轮棘爪反转装置装在驱动装置输入轴上，依靠刹车带的摩擦力释放反转势能。当驱动装置工作时，棘爪在离心力的作用下与棘轮刹车带脱离啮合，防反转系统不工作。当停机时，杆柱反转带动光杆反转，这时棘爪在重力和弹簧力作用下与棘轮刹车带啮合，防反转系统工作，依靠摩擦力避免驱动装置高速反转。通过手动旋松扭矩释放螺栓，可以将贮存在杆柱中的反转扭矩释放掉，提高了驱动装置操作维护的安全性。

该装置存在以下问题：一是所在位置空间局促，员工在释放扭矩时操作不便，身体不能远离危险区域，操作风险大；二是释放扭矩时需要卸松螺丝来控制光杆返转速度，在释放过程中，人为因素较大，返转速度不好控制，如果释放过快，棘轮棘爪受离心力作用会脱开，此时再拧紧螺丝也无法控制返转；三是该装置靠刹车带与棘轮棘爪同时作用来防止返转，存在着两个风险点，在更换皮带或皮带轮时，为保证安全，需要释放扭矩，给生产操作带来不便，同时增加了风险系数。

三、反转风险防范措施

为确保螺杆泵地面驱动装置安全、平稳运转，主要采取以下几种防范措施。

1.应用钢质皮带轮

以往螺杆泵常规驱动装置上应用的皮带轮为铸铁材质，其缺点是脆性较大，在高速旋转时易出现碎裂情况。近年来在螺杆泵井上曾发生过几次因防反转装置失效而导致皮带轮高速旋转破碎飞出的情况，给周围的人员和设备带来了很大的威胁。

针对这种情况，将螺杆泵井应用的铸铁皮带轮改为钢质皮带轮，其抗拉强度在600MPa左右，约是铸铁皮带轮的3倍，能够大大降低皮带轮破碎带来的安全隐患。

2.应用橡胶防护罩

螺杆泵井方卡子部位为运转部件，为防止人员接近造成伤害安装了金属防护罩，但是在光杆高速反转的情况下金属防护罩本身却成为了一个风险点，如果光杆甩弯或方卡子脱出盘根盒击打在防护罩上，防护罩会被击碎，金属碎片四散飞出，对周围人员及设备危胁很大。

为此试验了软质的橡胶防护罩，通过降低防护罩所用材料的强度，减少其危害性，橡胶在被击打时一般会被撕裂而不是四散破碎，由于其材质较软，即使飞出对人员及设备的损害程度也会大大降低（图1）。

图1　橡胶与金属防护罩对比图

3.方卡子防上窜措施

油田大多数螺杆泵井的方卡子卡紧光杆后是靠全井杆柱的重力作用直接坐到驱动装置上的，在轴向上没有其他的固定措施，在一般情况下能够保证正常运转。但如果出现光杆高速反转、套管压力过高等特殊情况，则有可能出现光杆上窜的问题，严重的会威胁到周围设备和人员的安全。

针对螺杆泵井存在光杆上窜的安全风险，采取了光杆防上窜的技术改进措施。

其工作原理是将方卡子的形状由方形改为圆弧形，与盘根盒的外径保持一致，盘根盒上设计有横向凹槽，方卡子坐到盘根盒上后，将两个具有上下台肩的半圆形护套卡在方卡子与盘根盒上，台肩与凹槽相对应使两者进行轴向固定，之后再安装一个圆筒形护套，并用顶丝进行径向固定。

4.方卡子以上不外露光杆措施

螺杆泵井在作业施工时，为了保证转子完全进入泵筒，需要在杆柱下入到泵下的限位器后，再根据全井杆柱的长度和杆径的大小上提一定距离的防冲距。防冲距必须严格按照要求上提，上提过小会导致转子磨限位器而卡泵，上提过大会影响泵效。

由于杆管在量配时会存在一定的误差，因此光杆的外露长度通常设定为一个范围来消除量配产生的误差。原有螺杆泵井光杆外露长度的标准为30～60cm，在这个范围之下，作业施工时杆柱量配比较容易。

原有的光杆外露标准存在的安全风险为：当光杆高速反转时，由于其不能绝对于驱动装置垂直，因此会对光杆产生一个径向的弯矩，反转的速度越快、光杆外露的长度越长，产生的弯矩越大，光杆越容易甩弯或甩断，会对周围的人员和设备造成较大的风险。两年来我厂曾出现过2口井光杆被甩弯、甩断的情况，光杆外露的长度分别为51cm和80cm，可见该标准不能完全避免光杆存在的安全隐患。

针对以上问题，要求在作业施工时，根据全井杆柱的长度和杆径的大小上提防冲距后，通过准确调配管杆长度，保证光杆在方卡子以上不外露出。由于全井的管杆下井后，可能会存在一定的误差，因此通过加工0.7m、1m、1.5m等不同长度的抽油杆短接进行调整，来确保满足管杆上下匹配的要求。

四、结语

（1）螺杆泵杆柱反转主要受到弹性势能和油套压差的综合作用。杆柱弹性势能释放的速度快、时间短，会产生很大的瞬时扭矩和转速；油套压差作用会加剧杆柱反转，使转速越转越快。

（2）在螺杆泵井的地面设备上要做好防护措施，通过应用钢质皮带轮、橡胶防护罩、方卡子防窜机构以及降低光杆高度，保证在反转失效时的意外情况下将危险降至最低。

TE973.5

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1671-0711（2015）09-0072-02

（2015-08-19）