李松 王一兵 李盛华 邹艳 卢显圣

（1.中石化石油机械股份有限公司；2.中石化石油机械股份有限公司研究院；3.中石化石油机械装备重点实验室）

近几年，大庆、胜利油田进入三次采油，聚合物驱、三元复合驱占据主导[1]，中原、江汉、江苏等油田进入二期末期开采，油藏具有高含水、高含砂特性[2-4]，螺杆泵以检泵周期长、泵效高、能耗低、适应性强等优势在油田逐步推广[5-6]。但在现场应用中，螺杆泵地面驱动装置却暴露出一些问题，如盘根盒漏原油需日常铲除、擦拭，增加了日常维护的频率和劳动强度；驱动装置长时间运转后，箱体油封处渗漏原油；密封更换需吊车等大型机械，增加修井作业成本；防反转装置不可靠造成抽油杆脱扣、光杆甩弯和飞轮等事故；防反转装置反扭矩释放速度慢，修井作业等待时间长等[7-9]。因此，研制了能克服现有缺点的新型螺杆泵驱动装置，采用上置式机械密封和自调节式油封，解决了盘根盒漏原油、箱体油封渗漏、密封更换不便等问题；采用可调节液压防反转装置，解决了防反转装置不可靠、反扭矩释放慢等问题。

1 结构特点及工作原理

1.1 结构特点

图1 地面驱动装置结构示意图

LBQ22-25FJ地面驱动装置主要由传动机构、支撑机构、密封机构和防反转机构组成（图1）。传动机构包括减速箱、大皮带轮、输入轴、小弧齿锥齿轮、大弧齿锥齿轮、主轴和光轴，经过点动皮带和刚性弧齿锥齿轮两级减速将扭矩传递到井下螺杆泵；支撑机构由轴承、井口总成、支撑杆总成和支撑架组成，将抽油杆及驱动装置自身重力传递到井口；密封机构由上置式机械密封总成、可调节油封和静密封轴头组成，光杆从其内孔穿过；防反转机构包括齿轮泵、超越离合器、泵齿轮、反制动大齿轮、液压油箱、调节阀总成和钳盘式制动器，反制动大齿轮安装在主轴上端，泵齿轮通过超越离合器与齿轮泵动力输入轴连接，反制动大齿轮与泵齿轮相互啮合，液压油箱、钳盘式制动器一起通过连接板固定安装在减速箱上，液压油箱连接齿轮泵，齿轮泵高压出口、调节阀总成、钳盘式制动器进油口通过高压油管连接。

与现有技术相比，LBQ22-25FJ地面驱动装置主要有以下优点：

1）可调节液压防反转装置，使抽油杆反转扭矩可以点动释放，避免了抽油杆脱扣、光杆甩弯和飞轮等事故发生，保证了系统的安全可靠性；同时可调节液压装置可以控制抽油杆反扭矩释放的快慢，避免反扭矩释放慢导致修井等待时间长、反扭矩释放快导致杆脱等问题，提升了修井作业效率。

2）采用上置式机械密封和自调节式油封，可实现井口零泄漏，密封维修更换简便，大幅降低了井口日常维护和密封维修作业的劳动强度。

1.2 工作原理

由于抽油杆柱自身储存弹性势能及油套压差[8]，都会导致螺杆泵停机时发生反转。为保证停机安全，地面驱动装置采用可调节液压防反转装置（图2），驱动装置正常运转时，反制动大齿轮、泵齿轮随主轴一起转动。由于齿轮泵上超越离合器的超越作用，齿轮泵不工作。驱动装置主轴反转时，通过反制动大齿轮与泵齿轮之间啮合，泵齿轮反转，与泵齿轮连接的超越离合器瞬时啮合带动齿轮泵工作。齿轮泵从液压油箱内吸取液压油，通过调节阀总成、高压油管供给钳盘式制动器，钳盘式制动器通过活塞将液压力作用到刹车片，使刹车片与反制动大齿轮接触产生摩擦制动力，使反制动大齿轮反转转速降低，齿轮泵的供液能力降低，钳盘式制动器的卡紧力降低，使反制动大齿轮反转转速升高，增加齿轮泵的供油量，提升钳盘式制动器的卡紧力，如此反复，实现螺杆泵抽油杆反扭矩的释放。

图2 防反转装置液压原理图

溢流阀可以调节制动油缸最大泄油压力，控制钳盘式制动器活塞作用到刹车片上的压力，从而实现调节反转扭矩释放时钳盘式制动器最大制动力大小；节流阀可以调节制动油缸液压油回路的流量，可实现调节反转扭矩释放时钳盘式制动器制动力变化的快慢，间接控制抽油杆反扭矩释放的快慢。

LBQ22-25FJ地面驱动装置采用上置式机械密封+可调节油封结构（图3）。机械密封总成的动环固定安装到光轴，静环固定安装在主轴，通过锁紧螺母和弹簧向动环和静环之间施加预紧力。地面驱动装置正常运转时，动环和静环之间接触面浸泡润滑油，形成流体膜实现长时间动密封。维修更换时，先用封井器卡紧光杆，将上部卡瓦卸下，再将可调节油封和静密封轴头卸下，旋松紧定螺钉、旋下锁紧螺母，就可以更换机械密封总成。

图3 上置式机械密封+可调节油封结构

可调节油封通过内六角螺钉推动销钉向前运动，销钉倒角斜面挤压压盖上部斜面，使压盖向下运动对骨架油封施加预紧力。驱动装置长时间运转后，由于轴向松动或径向挤压骨架油封可能会出现渗漏。通过调节内六角螺钉向骨架油封施加预紧力，从而使骨架油封重新建立良好的密封状态。

2 设计计算

2.1 制动力矩计算

选用钳盘式制动器（表1），制动盘有效工作半径[9]：

式中：R——制动盘有效工作半径，m；

Ry——刹车片外圆半径，m；

Rn——刹车片内圆半径，m。

表1 钳盘式制动器主要参数

选用额定压力21 MPa的HGP-1A-F4R型齿轮泵，通过压力表将溢流阀的泄油压力调节为13 MPa，由于液压管路较短，管道压力损失小可以忽略不计，钳盘式制动器液压缸输入压力：

式中：P——液压缸输入压力，MPa；

Pv——系统压力损失，MPa；

P1——系统最大压力，MPa。

钳盘式制动器制动力矩[10]：

式中：μ——摩擦系数；

M——制动力矩，Nm；

P——液压缸压力，MPa；

S——液压缸面积，mm2；

R——有效制动半径，m；

n——液压缸个数。

2.2 机械密封端面比压计算

密封介质为原油，密封压力（表压）3 MPa，选用H75N-55型机械密封（表2），动、静密封环使用SiC。安装轴外径为55 mm；补偿环内径为57 mm；补偿环外径为61 mm。

内装型载荷系数：

式中：d1——光轴外径，mm；

d2——补偿环内径，mm；

db——补偿环外径，mm。

端面比压：

式中：Pc——端面比压，MPa；

Ps——弹簧比压，选取0.2～0.3；

P1——密封压力（表压），MPa；

λ——反压系数，选取0.33；

K——内装型载荷系数。

端面比压计算值基本满足推荐数值1.1～1.3（表 3）。

表3 推荐端面比压计算值

3 型式实验

LBQ22-25FJ地面驱动装置在大庆国家电动潜油泵质量监督检验中心进行检测，中心拥有螺杆泵地面驱动装置检测系统[11]，可在室内模拟现场实际工况，检测其各项性能指标，还可实现防反转性能检测，主要由扭矩加载系统、轴向力加载系统、密封试压系统、反扭矩加载系统及辅助装置组成。

3.1 防反转装置性能实验

依据GB/T 21411.2—2019推荐的实验方法进行检测（图4），从图中可看出地面驱动装置最大释放转速为91 r/min，此时制动扭矩为956 Nm，制动功率为9.1 kW；最大制动扭矩为1 994 Nm，此时释放转速为13 r/min，制动功率为2.71 kW。最大制动扭矩基本符合溢流阀泄油压力调节为13 MPa时的设计计算制动力矩。

图4 地面驱动装置制动扭矩测试图

对驱动装置密封性能进行测试（图5），在150 r/min转速下，试验压力3 MPa运转10 min，密封无泄漏。

图5 地面驱动装置密封性能测试图

3.2 工业试验

2台LBQ22-25FJ地面驱动装置于2018年3月在江汉油田2口井进行工业试验（图6），截至2019年6月，2台地面驱动装置上置式机械密封均无渗漏现象，大幅降低了井口维护的劳动强度。1台地面驱动装置油封无渗漏现象，1台地面驱动装置运转1个月后油封出现1次渗漏，通过调节可调节油封渗漏现象终止。2台地面驱动装置分别停机多次，液压防反转装置均能够点动刹车将反转扭矩缓慢释放，最高反转速度为43 r/min，最高反扭矩释放时间83 s，无因反转扭矩造成光杆甩弯、抽油杆脱扣现象。

图6 2口井地面驱动装置工业试验

4 结论

1）可调节液压防反转装置可连续进行点动制动，避免了抽油杆脱扣、光杆甩弯和飞轮等事故发生，保证了系统的安全可靠性；同时可调节制动力和制动速度，控制停机后反扭矩释放等待时间，提升了修井作业效率。

2）上置式机械密封和可调节油封可实现井口零泄漏，免去日常更换密封、擦除油污工作，大幅降低井口维护强度及维护频率；可调节油封可在长时间运转出现渗漏后进行调节终止渗漏现象；同时维修方便，通过封井器实现不用吊车即可进行机械密封更换，降低了维护成本。