常規驅動螺桿泵偏置式改造技術研究

付堯（大慶油田有限責任公司第六采油廠工程技術大隊）

常規驅動螺桿泵偏置式改造技術研究

付堯（大慶油田有限責任公司第六采油廠工程技術大隊）

螺桿泵常規驅動技術停機后反轉能量不能完全釋放，存儲在桿柱上，若其采用的機械式防反轉裝置中有部件損壞或失效不起作用，反轉會失控，導致桿柱高速反轉，同時帶動地面設備高速旋轉，發生“飛輪”，給人身安全造成危害[1]。針對上述問題，文中提出集成“常規驅動技術與直驅驅動技術”的優勢于一體，研制一種新型螺桿泵地面驅動技術，并且提出在常規螺桿泵驅動裝置的改造中應用該項技術。這樣，不僅可以解決常規驅動的安全問題，而且能夠適當降低舉升能耗。

螺桿泵 驅動 扭矩 永磁同步電動機

1 問題的提出

在油田采油領域中，螺桿泵舉升已經成為重要的人工舉升方式之一。該舉升工藝地面設備具有占地面積小、噪音低、結構簡單、便于維護和生產管理等優點[2]，目前國內外油田在用的螺桿泵地面驅動設備中絕大多數采用皮帶和齒輪兩級減速，即常規螺桿泵地面驅動技術，該技術運用棘輪-棘爪機械式防反轉技術。停機后反轉能量不能完全釋放，存儲在桿柱上，若棘輪-棘爪防反轉裝置中有部件損壞或失效不起作用，反轉就會失控，桿柱中儲存的能量瞬間釋放，導致桿柱產生高速反轉，同時帶動地面設備高速旋轉，發生“飛輪”，給人身安全造成危害。

隨著螺桿泵舉升應用規模的不斷擴大，相關配套工藝技術也在不斷完善。近兩年來，直驅螺桿泵地面驅動設備的應用更加突顯出螺桿泵在節能方面的優勢，同時，也更好的提高了設備的安全性能。該技術采用先進的能耗制動防反轉技術，可安全平穩的釋放掉桿柱中儲存的能量，使安全性能更高，但該技術也存在不足，由于其取消了齒輪傳動機構，使得同等裝機功率條件下的額定扭矩要小于常規驅動[3]，見表1。

表1 螺桿泵驅動裝置額定扭矩對照表

因此，提出集成“常規驅動技術與直驅驅動技術”的優勢于一體，開發研制一種新型的螺桿泵地面驅動技術，即偏置式螺桿泵驅動技術，并且提出將在常規螺桿泵驅動裝置的改造中應用該項技術，即將在用常規驅動裝置改造成偏置式驅動裝置。這樣，不僅可以解決常規驅動的安全問題，而且能夠適當降低舉升能耗，同時，還可以有效改善上調參數帶來的扭矩增大問題，對螺桿泵舉升工藝更好更快地發展具有重要的現實意義。

2 偏置式螺桿泵驅動技術思路

2.1 立式隔爆永磁同步電動機的開發與研制

偏置式螺桿泵驅動裝置應用小功率交流永磁電動機直接驅動高效平面傳動減速裝置，進而通過光桿驅動井下螺桿泵旋轉，實現原油舉升[4]。

交流永磁電動機設計思路：一是采用稀土永磁三相同步電動機；二是采用立式安裝方式；三是電動機使用防爆殼體；四是定子部分能夠與三相異步電動機通用；五是開發專用的非標電動機凸緣。

立式隔爆永磁同步電動機開發的重點為“同步轉子”的研制。采用稀土永磁電動機磁路設計理論，通過優化確定了轉子的結構形式，進而解決“同步轉子”的問題。同時，根據試驗結果，不斷完善電動機技術。最終，達到國家相關的永磁同步電動機質量標準。

2.2 耐高壓井口機械密封機構的研制

密封方式采用波紋管機械密封，密封效果好、壽命長，直接安裝在驅動裝置的上端，便于驅動裝置的拆裝及維護。為進一步提高波紋管機械密封的承壓能力，對其進行了幾何尺寸和材質的改進，在優化設計的基礎上，通過反復試驗，使其承壓能力能夠達到4.0 MPa，確保其安全工作的同時，可以滿足現場的生產需要。

2.3 高效平面專用減速機的開發與研制

采用硬齒面斜齒輪傳動減速裝置，增加了驅動裝置速度的選擇范圍。并對硬齒面斜齒輪表面實施高頻硬化處理，提高其使用壽命。同時，開發研制減速機構專用殼體，對其內部機構實施保護。

2.4 能耗制動控制系統的開發

在防反轉技術上采用軟剎車技術，即在控制箱內設有能耗電阻和獨立的剎車控制器，停機操作時，井下彈性釋能會拖動永磁電動機反轉，接通剎車電阻，反轉速度越大，電阻吸收能量越多，發電制動力就越大，最終使泵桿回到初始狀態，安全性能可靠。

3 常規螺桿泵驅動改造成偏置式螺桿泵驅動技術方案

3.1將常規驅動三相異步電動機改造為立式隔爆永磁同步電動機

為節約投入成本，結合我廠實際，最大限度地利用原常規驅動防爆電動機中可利用部件，將其改造成立式隔爆永磁同步電動機。

1）將原防爆電動機機座更換成隔爆B5機座。最大限度地利用原常規驅動電動機的定子部分，僅更換主機座與前端蓋中的軸承，同時，重新開發設計非標的電動機凸緣，方便立式隔爆永磁同步電動機與平面減速機的連接。

2）研制專用的永磁同步轉子。其主要由高強度電動機軸、矩形高磁通釹鐵硼磁鋼等組成。高強度電動機軸的材質選用40Cr，粗加工后要實施調質處理，最終通過精加工完成制造；而矩形高磁通釹鐵硼磁鋼是使用專用模具鑄造釹鐵硼磁鋼原材，實施必要的機械加工后充磁而成，可耐溫達到110℃，退磁率≤0.3%。最后，采用機械方法將“釹鐵硼磁鋼”固定在高強度電動機軸上，這樣，便完成了永磁同步轉子的研制。

3.2 采用先進的波紋管式機械密封方式

將臥式驅動中小彈簧機械密封改為波紋管機械密封，密封效果更好，壽命更長。

3.3 將常規驅動雙面螺旋齒減速機更換為高效平面減速機

常規驅動采用雙面圓弧齒輪傳動，傳動比不高，導致轉速調節范圍小。在改造中采用平面圓弧齒輪傳動取代雙面圓弧齒輪傳動，可以提高傳動比，進而擴大轉速調節范圍。為延長其使用壽命，減速機齒輪均要經過高頻淬火。

4 現場試驗情況

在1口井進行現場試驗，運轉正常，系統效率提高了4.33個百分點，有功節電率達11.44%，見表2。

表2 9-2111節能效果對比

5 結論與認識

1）在常規驅動裝置改造中應用該項技術，最大限度地利用舊裝置，可以實現節約投入成本，提高常規驅動的安全性能。

2）偏置式驅動技術能夠有效解決目前直驅驅動因井下扭矩增大過載停機問題。

3）偏置式螺桿泵驅動技術結合了常規驅動技術和直驅驅動技術二者的優勢，解決了常規驅動技術的安全問題，在適當降低舉升能耗的同時，還可以有效改善直驅驅動技術額定扭矩不足的問題。

[1]張連山.螺桿泵采油系統技術發展現狀與動向研究[J].石油機械，1994,22（1）:16－50.

[2]韓修廷,王秀玲,焦振強.螺桿泵采油原理及應用[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,1998:186-189.

[3]鄒艷霞.采油工藝原理[M].北京:石油工業出版社,2006.

[4]陳濤平.胡靖邦.石油工程[M].北京:石油工業出版社,2000：328-335.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.09.009

付堯，2006年畢業于大慶石油學院，助理工程師，現從事螺桿泵相關技術研究，地址：大慶油田第六采油廠工程技術大隊，163114。

2011-09-18)