多功能機桿泵保護器的研制與應用

剪樹旭（遼河油田分公司　鉆采工藝研究院，遼寧　盤錦124010）

多功能機桿泵保護器的研制與應用

剪樹旭
（遼河油田分公司鉆采工藝研究院，遼寧盤錦124010）①

介紹了多功能機桿泵保護器的結構原理、技術參數及實現功能。該產品在一定程度上解決了桿管因偏磨、振動而導致的桿柱斷脫及“三抽”設備因振動而損壞問題。在65口井的實施均取得成功，減少作業63井次，減少作業占產1 839 t，節約施工費用，年節電量約57．38×104k W·h。

機桿泵保護器；偏磨；保護；節能

目前，國內各大油田采油過程多數是以“三抽”設備（抽油機、抽油桿和抽油泵）為主的有桿抽油系統來實現的。但在實際工作中，有桿泵抽油系統因偏磨、振動的共同作用導致抽油桿柱斷脫及抽油系統耗能增大。以遼河油田高升采油廠雷家區塊為例，該區塊是1990年以來陸續投產的稀油區塊，油層埋藏較深，在1 950～2 650 m，區塊內定向井居多，井斜角超過10°的占總井數55%以上。近年來，隨著挖潛的不斷深入，泵掛逐步加深，管、桿偏磨現象日趨嚴重，致使油管漏失、桿柱斷脫井次增多，檢泵周期下降，給生產帶來了諸多負面影響。為此，針對偏磨問題，筆者在防磨及抗磨等方式上做了大量探索和實踐，其中在抗磨方式上嘗試過抽油桿扶正器及雙向保護接箍，在防磨方式上嘗試了多功能機桿泵保護器。該產品在柔性鏈的帶動下可使抽油桿柱緩慢轉動，使得抽油桿柱與油管內壁偏磨位置從15°擴大到360°，消除了因偏磨造成抽油桿柱的應力集中，減少桿柱斷脫現象。根據試用效果，近年來重點對旋轉防磨多功能機桿泵保護器做了推廣，取得了良好的應用效果［1 2］。

1 多功能機桿泵保護器結構及原理

1．1 結構

多功能機桿泵保護器的結構如圖1所示，儲能碟簧的結構尺寸如圖2所示。

圖1 多功能機桿泵保護器結構

圖2 儲能碟簧結構

1．2 原理

1．2．1 抽油桿柱旋轉原理

在抽油桿柱做上下往復運動過程中，利用驢頭上下運動，通過一端固定于抽油機機體合適位置的柔性鏈帶動離合器殼體進行一定角度的轉動，離合器殼體通過釹鐵硼永磁體吸附棘爪與棘輪相嚙合，棘輪與一級蝸桿為鍵連接，這樣離合器殼體轉動的同時，一級蝸桿同步轉動。一級蝸桿的蝸桿部分與一級蝸輪相嚙合，一級蝸輪與二級蝸桿為鍵連接。二級蝸桿的蝸桿部分與蝸輪主軸的蝸輪部分相嚙合，這樣一級蝸桿的轉動通過兩級減速帶動蝸輪主軸進行旋轉。蝸輪主軸的蝸輪下部臺階坐落于承載軸承上，蝸輪主軸的上端面與儲能碟簧相接觸，復合軸承套套于蝸輪主軸的外圓和內孔處對蝸輪主軸起扶正作用。儲能碟簧為2片碟簧背對背方式疊加，碟簧的上端面與摩擦盤的環形槽處平面相接觸，摩擦盤上端面與方卡子相接觸，阻擋螺釘可阻止摩擦盤上行。方卡子通過內部卡牙與光桿剛性連接，這樣井下抽油桿柱及液柱重力通過方卡子加載于摩擦盤上，力通過摩擦盤、碟簧、蝸輪主軸承載軸承傳導至殼體上。抽油機驢頭通過繩辮子、鋼墜與殼體相連接，最終殼體上的力由抽油機驢頭承擔。當柔性鏈帶動離合器殼體進行一定角度的旋轉時，此力得到多功能機桿泵保護器內部兩級減速的放大后，經由摩擦盤、方卡子帶動光桿進行轉動。由于減速比達900，柔性鏈只需較小力即可驅動抽油桿柱進行極其緩慢的旋轉［3 4］。

1．2．2 減震原理

減震功能由儲能碟簧來實現，碟簧對能量具有一定的存儲和釋放功能。驢頭上沖程負荷上升時，碟簧存儲能量，驢頭下沖程負荷下降時，碟簧釋放能量，可減輕震動及液擊對三抽設備的影響；于此同時，可使驢頭懸點最大載荷減小，最小載荷略有上升，使得循環應力幅值變化小，抽油桿桿柱折算應力下降，有利延長桿柱壽命。

2 技術參數

配用光桿直徑25，28，36 m m

額定工作載荷≤160 k N

光桿轉速0．01～0．13（°）／沖次

長度410～540 m m

高度170～230 m m

殼體下端部外直徑?160±20 m m

3 實現功能

3．1 防止抽油桿偏磨、脫扣

可使抽油桿柱產生緩慢的旋轉，可有效防止抽油桿偏磨，避免了抽油桿因偏磨而發生的斷脫；同時產生的順時針方向旋轉，也可以防止抽油桿因扭矩影響而產生的脫扣事故，從而延長油井檢泵周期，有利于提高油井抽油時率，降低維護費用。

3．2 具有減震功能

碟簧對能量具有一定的存儲和釋放功能，驢頭上沖程負荷上升時，存儲能量，驢頭下沖程負荷下降時，釋放能量，可減輕振動及液擊對三抽設備的影響。于此同時，可使驢頭懸點最大負荷減小，最小負荷略有上升，使得循環應力幅值變化小，抽油桿桿柱折算應力下降，有利延長桿柱壽命。

3．3 具有節能效應

該產品通過能量的存儲與釋放，減輕了慣性及震動負荷對整個抽油系統的影響，實測示功圖面積縮小，光桿功率有所下降。因此，該裝置具有一定的節能效應，節電率達3%～7%［5］。

3．4 提高機采系統效率

機采效率［6］提高2%～4%。

4 關鍵技術

1） 因為井下工況極為復雜，較低的轉速有利于旋轉力矩均勻釋放到底部抽油桿柱。多功能機桿泵保護器在懸繩器部位有限的空間內要實現抽油桿柱均勻、緩慢地旋轉，因而設計了兩級減速機構，減速比最高可達900，抽油桿柱轉速最低可為0．01（°）／沖次，而單級減速結構的抽油桿柱轉速最低僅為0．3（°）／沖次［7］。

2） 傳統儲能碟簧在一定變化范圍內的交變應力作用下產生形變，其疲勞壽命一般在20～250萬次。抽油機驢頭上下運行頻率按5 min－1計算，其交變應力的頻率為259．2萬次／年，可見傳統碟簧使用11．58個月即發生失效，使用壽命較短，不利于該產品推廣應用。現場多次試驗發現，改變碟簧的局部結構尺寸可較大幅度延長碟簧使用壽命。如圖2所示，創新型儲能碟簧的平面端部與外圓交界處以圓角結構取代了傳統儲能碟簧的尖角結構并將底部設計成寬度為2 m m的平臺。圓角結構降低了應力集中，寬度為2 m m的平臺增強了碟簧的承載能力。現場應用證明創新型儲能元件—碟簧使用壽命達到了1．5 a。

5 現場應用

遼河油田高升采油廠雷64 34 新28井，是雷64 塊2004 07投產的一口油井，生產井段2 154～ 2 218 m，投產泵掛1 601 m。生產過程中，抽油桿偏磨較為嚴重，在未采取任何防磨措施條件下，泵掛1 601 m時檢泵周期為505 d；2008 12，泵掛加深到1 799．8 m，偏磨加劇，檢泵周期降到244 d；改下扶正器后，磨損狀況有所緩解，檢泵周期延長到了310 d；2010 11使用多功能機桿泵保護器后，檢泵周期延長到了780 d以上，統計如表1。

表1 雷64 34 新28井作業施工統計

使用多功能機桿泵保護器后，震動及“液擊”現象得到明顯緩解。實施前后對比，最大載荷下降7．7 k N，最小載荷上升6．4 k N，循環應力幅下降，折算應力由91．4M Pa降至72．7M Pa，下降幅度20．5%。折算應力越低，越有利于延長桿柱使用壽命，如表2。

表2 雷64 34 新28井實施前后指標對比

同時，示功圖面積減小，輸入功率下降了1．02 k W，系統效率上升了2．86%，年節電量0．894×104k W·h。

根據井斜數據分析及作業跟蹤結果，2011下半年后實施多功能機桿泵保護器65口井次，減少作業63井次，減少作業占產1 839 t，節約施工費用￥178．56萬元，年節電量57．38×104k W·h。

6 結論

1） 通過多功能機桿泵保護器的實施，較好地解決了抽油桿柱偏磨問題，延長了檢泵周期。

2） 多功能機桿泵保護器可有效緩解振動及液擊給整個抽油系統帶來的負面影響，并具有較好節能效果，節電率達到3%～7%。

3） 機采效率提高2%～4%。

4） 現場施工工藝簡單，為安全環保節能產品，有較好的推廣前景。

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［2］ 魏納，李悅欽，王連敏，等．套管采油井桿管偏磨機理研究［J］．石油礦場機械，2007，36（9）：17 20．

［3］ 楊榮建，李翔翔，張軍，等．抽油桿自動間歇旋轉器的研制與應用［J］．石油礦場機械，2005，34（5）：90 91．

［4］ 成大先，王德夫．機械設計手冊：彈簧的設計［K］．5版，2010．

［5］ 武衛麗，焦培林，彭利果，等．抽油機節能技術研究綜述［J］．重慶科技學院學報（自然科學版），2009，11（4）：111 139．

［6］ 陳強．影響抽油機井機采系統效率因素淺析［J］．中國石油和化工標準與質量，2011（12）：296．

［7］ 劉曉旭，林元華，曾德智，等．有桿抽油系統桿管偏磨磨損量預測研究［J］．石油礦場機械，2009，38（1）：34 37．

Deveiop ment and Appiication of Muiti function Rod Pum p Protector

JIA N Shuxu
（Liaohe Oilfield Branch Drilling Technologu Research Institute，Panjin124010，China）

Multi function Rod Pump Protector is introduced the structure principle，technical parameters and realize the function，the product to a certain extent，solves the rod tube due to eccen tric wear and vibration caused by a broken pole and the pu m ping device to damage due to vibra tion．Theim plementation of the 65 W ells all success，reduce ho mew ork 63 welltimes，reduce oper ating production 1 839 tons，annual festival of 57．38×104k W·h．

rod pu m p protector；eccentric wear；protect；energy saving

T E933．2

B

10．3969／j．issn．1001 3842．2015．06．018

1001 3482（2015）06 0079 04

①2014 12 21

剪樹旭（1974 ），男，遼寧盤錦人，工程師，主要從事油田采油工具技術研發工作，Email：jsxboy＠sina．co m。