提高螺桿泵的安全性與節能效果

楊永純（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

隨著油田開采時間的延長，含水上升導致低產低效井所占比率越來越多。螺桿泵在高含水井尤其是稠油井開發上得到了廣泛的應用，見到了明顯的增產節能效果[1]。然而，常規型螺桿泵在大量投入使用的同時也存在著風險。2013年12月，薩北油田發生了一起嚴重的螺桿泵井機械事故。

1 螺桿泵井事故

該事故發生在薩北油田北2-321-P44井，該井在2007年采用常規減速型螺桿泵投產，理論排量為147.46 t，發生事故時日產液量43.56 t，產油2.22t，電流為25 A ，轉速為128r/min。

2013年11月21日管井員工發現該井停機，且無法啟動，2013年11月24日使用蒸汽車洗井核實問題，洗井井口溫度返回到80 ℃，壓力3.0 M Pa，啟井發現防反轉裝置幾乎不起作用，電流一直上升到配電箱保護器保護斷電。現場發現防反轉裝置有些不靈敏，停機后需等一段時間才能停下。于是，維修班人員檢查棘輪棘爪，發現無異常，接著調整扭矩釋放螺絲。

2013年11月25日技術員到現場核實泵況，試啟一次，和11月24日情況基本一樣，電流一直上升到配電箱保護器保護斷電，過程大概1 min左右。之后，安裝壓力表關回油摻水套管放氣等閥門，準備憋泵。啟井之后電流依然一直上升到配電箱保護器保護斷電，但是斷電之后井口異常響聲巨大。此時技術員并沒有離開螺桿泵房，過了大概5~10s在螺桿泵井房內聽到“砰”一聲巨響，過了5 min，外面沒有其他響聲，該技術員走出螺桿泵房查看井口情況，發現螺桿泵護罩已破損，皮帶已經破損不見。附近沒有看見掉落的大皮帶輪和護罩殘片。井口套管250放空閘門下方有3個被砸出來的坑，為部分大皮帶輪的碎塊，井口房被砸掉一塊，皮帶飛出20m遠，其中最大一塊碎塊沿皮帶輪切線方向向東飛出，直接落在距離該井約500m的北2-20-P35抽油機井的井場處，于第二日被發現。

2 原因分析

通過專業人員現場勘驗分析，該井由于螺桿泵井下泵硬卡，加之防反轉裝置未能及時起作用，導致配電箱保護器保護斷電后螺桿泵螺桿迅速反轉，從而使大皮帶輪轉裂飛出。結合類似事故，認識到螺桿泵發生事故的一些原因。

2.1 相關管理人員經驗不足、技術教育不到位

對于螺桿泵卡泵，由于部分員工和專業管理人員未親身經歷，亦未進行過相關教育，員工對卡泵的危害認識不足。對裝有變頻器的螺桿泵，當螺桿泵電動機電流逐漸增大時，說明油井明顯出砂。如果使用變頻器無法啟泵，就應向上級部門匯報，采取洗井或檢泵措施，而不應再進行憋泵和私自啟泵運轉。

2.2 變頻器的過載電流值設置過小

部分螺桿泵的變頻器過載電流設置過小，油井出砂后或者溫度太低原油特稠時，啟動電流增大，螺桿泵無法啟動運行。為了使油井投產，部分員工可能使用工頻電路啟動電動機，維持生產。

2.3 棘輪、棘爪剎車裝置存在缺陷

該裝置剎車力矩較小，只能滿足正常停車或因為油管內液體與油套環空液面的高度差造成的抽油桿反轉的剎車需要，不能滿足卡泵造成的抽油桿超高轉速剎車需要，而且制動后不能自動釋放光桿扭矩。并且，螺桿泵長時間運轉，棘輪、棘爪磨損較大容易失靈，安全系數降低。

2.4 預留光桿過長

由于教育培訓不到位，作業人員對光桿過長的危害認識不足，加之現場缺少插接桿短節，完井時倉促收工，有些外露光桿長度都超過0.5 m，采油單位也認識不足，監督不到位。當抽油桿發生高速反轉時，在巨大離心力作用下，光桿被甩彎，彎曲程度不斷增大，并與卡子護罩刮碰，導致折斷飛出。

2.5 未設置光桿扭矩卸載裝置

當螺桿泵卡泵后，抽油桿下部不再轉動，而地面的電動機繼續給光桿施加扭矩，光桿彈性勢能不斷增加。當驅動頭停止轉動時，光桿的反向扭距無法緩慢卸掉，一旦剎車失靈，巨大的彈性勢能帶動地面驅動裝置高速反轉。因此，在靠近驅動頭的抽油桿上應考慮加裝扭矩卸載裝置。

2.6 驅動頭皮帶輪安裝不科學

驅動頭的大皮帶輪上開有3個螺栓孔，依靠3個螺栓將皮帶輪固定在驅動頭上，因緊固不到位或長期運轉，會造成皮帶輪松動。當抽油桿柱高速反轉時，因應力集中，導致皮帶輪在3個固定螺栓處斷裂，在巨大離心力作用下飛出。正確的連接方式應為鍵槽連接，再配以較大的“靠背輪”及背帽加以固定。

2.7 設備保養不到位

部分使用單位未對螺桿泵按規定及時進行保養，棘輪、棘爪粘有油污，棘爪磨損，彈簧彈力減弱。

3 解決方案

針對事故發生的原因，采取有針對性的解決方案，從設備本質安全、技術及管理三個方面解決目前螺桿泵存在的安全隱患。

3.1 加強對員工和部分管理者的專項安全和技術教育

由技術及安全主管部門組織，對采油管理干部、員工以及作業隊人員進行專項培訓，提高操作人員的安全及技術素質。在采油隊層面要注重安全的實效性，在更換皮帶、啟機、關井等關鍵點實施重點控制。嚴格做到“三把關”：一是嚴把皮帶斷井分析判斷關，皮帶斷井要盤輪確認原因，分析排除卡泵因素，確保啟機時不發生危險。二是嚴把啟機后運轉狀況關，啟機后查看電流是否持續上升，確認運轉狀況，電流持續上升立即采取停機措施，防止因卡泵出現“飛輪”事故。三是嚴把長關井流程關，長期關井的螺桿泵，因井底套壓上升易造成光桿頂出傷人，長期關井要打開其套管生產閘門；同時，為避免自噴結蠟造成卡泵，應關閉生產閘門，確保流程合理。

3.2 合理設置恰當的過載電流

過載電流“因井而宜”，應充分考慮油井的油品黏度系數、泵掛深度、出砂情況、供液能力等，不能一刀切。結合螺桿泵工作特點及危險性，最大值設定在電動機額定電流的1.05倍為宜；對于電流持續升高的油井，必須安排洗井或檢泵作業，不得強行運行。

3.3 改造棘輪、棘爪剎車系統

采用技術先進的螺桿泵液壓防反轉剎車裝置，對現有棘輪、棘爪剎車裝置進行改造。該液壓防反轉剎車裝置的工作原理類似汽車的“A B S”剎車系統。當螺桿泵停機時，桿柱反轉驅動液壓電動機，輸出液壓油驅動摩擦塊作用于剎車盤上，緩慢釋放掉反轉勢能。反轉扭矩越大，剎車盤轉速越高，摩擦力也越大，減速作用越明顯。

3.4 縮短預留光桿長度

限定光桿外露長度，消減形變風險。外露光桿過長，一旦反轉，極易發生彎曲變形或卡子脫出傷人，嚴控光桿的外露長度是一項有效的規避措施。通過現場實踐總結，光桿的外露長度應嚴格控制在30cm以內。加強作業監督，完井時必須保證光桿長度在30cm以內，否則，利用插接桿短節進行調整。這樣即使抽油桿柱發生高速反轉，光桿也不會被甩斷飛出。對超長井要由專業隊伍治理，禁止采油隊以切割方式降低長度。另外，從作業施工源頭控制，加強作業監督跟蹤環節，對光桿超長井拒絕接井。

3.5 采用光桿扭矩卸載裝置及扭矩釋放專業操作

在沒有完全采用液壓防反轉剎車裝置前，棘輪、棘爪剎車裝置的螺桿泵還在使用。當螺桿泵發生卡泵，或者正常停止運行，以及液柱重力作用，抽油桿柱均會反向轉動扭矩。一旦松開剎車，彈性勢能將帶動地面驅動裝置快速反轉，危險仍然沒有解除，因此在靠近驅動頭的抽油桿上應加裝扭矩卸載裝置。在扭矩釋放時，操作人員頭頂必須低于方卡高度，佩戴安全帽，做好安全措施。釋放螺栓動作要緩慢，開度要小，以桿柱轉速30r/min為宜；對螺桿泵井進行維修、維護、調參、作業、測試等正常生產操作時，由礦、隊專門人員負責；對于卡泵或非正常原因的故障井，要上報主管人員，由專業維修人員進行處理。

3.6 加固安裝驅動頭皮帶輪

對于目前使用螺栓固定的在用螺桿泵，更換固定螺栓，采用加長的螺栓，再配以較大的靠背輪及背帽加以固定。新安裝的螺桿泵應改變設計，采用鍵槽連接方式。

3.7 更換皮帶輪及光桿卡子護罩

使用棘輪棘爪剎車裝置的螺桿泵，其皮帶輪及光桿卡子護罩采用1 mm厚鋼板配合絲網組成護罩，強度不足。在進行剎車裝置改造時，應一起進行改造，使用厚度2mm以上的鋼板護罩。

3.8 制定管理規范及定期保養設備

根據多起飛輪事故現場的勘查調研，皮帶輪碎裂飛出方向均是沿著旋轉方向呈扇形分布，這一區間為危險區域。因此，螺桿泵控制柜必須設置在與電動機皮帶輪切線成45°~135°之間的安全區域內。技術主管部門應修訂操作規程及安全注意事項，下發到基層崗位并監督執行。員工發現異常情況必須向主管部門報告，不得私自處理。設備主管部門要加強設備管理，制定管理規范并監督落實。使用單位必須按規定定期保養設備，清除棘輪、棘爪附著的油污，檢查棘爪磨損情況，更換磨損的棘爪。檢查彈簧彈力，及時更換彈簧。對驅動頭上的大皮帶輪進行檢查，重點檢查螺栓磨損松動情況、螺栓孔磨損情況、輪盤有無裂痕等，對存在問題的必須立即進行更換，并應使用鑄鋼材質的皮帶輪。對潤滑部位及時加注潤滑脂等。通過保養，使得設備處于良好的運轉狀態。

3.9 推廣使用直驅型螺桿泵替代常規減速驅動型螺桿泵

直驅型螺桿泵由光桿方卡、機械密封、電動機、軸承箱和封井器等組成，光桿由電動機空心軸中穿過，通過方卡子與空心軸連接，電動機轉子帶動光桿轉動，驅動井下螺桿泵運轉。由于不存在皮帶輪等其他傳動環節，而且電動機的最高轉速只有300 r/min，安全性能明顯提高，且節能效果明顯[2]。直驅型螺桿泵與常規減速驅動型螺桿泵能耗對比節電率為21.6%，平均年節電1.87萬元，年均減少維修費用2.02萬元[3]。

4 結論與建議

1）在事故分析基礎上，制定的應對措施要貫徹實施，主管部門監督執行。

2）盡快落實整改資金，對現有的存在隱患的設備進行更新改造。

3）新工藝、新技術、新設備的安全配套措施必須是先進的，而且應慎重推廣。在新工藝、新設備引進初期，安全、設備等主管部門應盡早介入，進行充分的風險識別與評價。

4）直驅型螺桿泵在安全與節能方面與常規減速驅動型螺桿泵相比有明顯的優勢。

[1]韓修挺.螺桿泵采油原理及應用[M].北京:工程大學出版社,2007:19-38.

[2]熊高明.螺桿泵節能型驅動配套技術研究[J].石油石化節能,2012(4):3-4.

[3]馮華勝.直流電動機直驅螺桿泵節能效果評價[J].石油石化節能,2013(3):30-32.