封閉式螺桿泵直驅裝置研究與應用

劉玉龍 王培龍（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

近幾年隨著螺桿泵及相關配套技術的逐步完善，在油田上得到了大量的推廣應用。地面驅動裝置方面先后推廣使用了普通驅動和直接驅動兩種裝置，但是在應用過程中發現了諸多安全隱患和實際應用問題，如普通驅動裝置易反轉導致光桿被甩彎、護罩擊碎、皮帶輪破裂飛出，造成人員傷亡；直驅驅動裝置方卡子和光桿外露，在意外停電（電纜斷、虛接等）反轉時，電磁剎車失效，仍存在安全隱患；機械密封使用壽命短，一旦密封不嚴，液體易進入電動機，造成電動機燒毀[1-5]。

針對目前存在的諸多問題，試驗應用了封閉式螺桿泵直驅技術。該裝置采用集成式機械傳動機構，桿柱重量由傳動機構承擔，電動機軸向不受力，將光桿和方卡子等傳動部件完全內置，減少了安全隱患，并且在傳動、扭矩釋放、漏油保護、密封及電動機受力等方面均優于目前應用的地面驅動裝置。

1 技術原理及特點

封閉式螺桿泵直接驅動裝置的應用，進一步提高了驅動系統的可靠性，滿足了螺桿泵在不同的工況下對驅動系統的要求，完善了螺桿泵井配套工藝技術，對于螺桿泵的普及和發展具有重要意義。

1.1 基本結構及原理

封閉式螺桿泵直驅裝置的永磁電動機處于該傳動裝置的最上部，電動機主軸下端通過花鍵與直驅傳動裝置的帽頭相連接并傳遞扭矩，帽頭上部設計有燕尾凸鍵，與方卡子的燕尾槽配合在一起用來傳遞扭矩，方卡子內孔處加工有橫向和縱向的凸點，旋緊方卡子螺栓后既能抱緊光桿防脫、承重，又能起到傳遞扭矩的作用，當電動機啟動旋轉后，電動機帶動帽頭、方卡子與光桿旋轉，從而驅動井下螺桿泵工作，其中傳動裝置的主軸與殼體間采用一組軸承組件，很好的起到了確保裝置運行平穩的作用，下部采用安全可靠的封井器裝置，既能起到密封作用，同時又能起到夾緊卸載作用[6]，封閉直驅結構示意圖見圖1。

圖1 封閉直驅結構示意圖

表1 螺桿泵普通驅動、常規直驅與封閉式直驅裝置技術參數對比

1.2 技術特點及優勢

與普通驅動和常規直驅裝置相比，螺桿泵普通驅動、常規直驅與封閉式直驅裝置技術參數對比見表1，封閉式螺桿泵直驅裝置存在以下幾方面優點：

1）光桿、方卡子安裝方面：該裝置將方卡子安裝于機座內部，徹底消除了方卡子飛出傷人的安全隱患，現場應用螺桿泵直驅裝置，方卡子裸露于外部并且置于裝置的最頂端，一旦方卡子松動飛出傷人或者甩桿，后果不堪設想，存在極大的安全隱患。

2）扭矩釋放方面：該裝置采用梯度遞減式主動釋放扭矩和電阻電磁制動方式相結合，扭矩勢能主動釋放。極特殊情況下電磁制動失效時，可調整電動機與直驅機座間螺栓抬高電動機，對接鍵脫開，扭矩徹底釋放，消除反轉安全隱患，形成釋放反轉扭矩的雙保險作用，極大的保證了人員作業安全；現場應用螺桿泵直驅裝置，采用單一電磁制動方式，安全系數低。

3）電動機保護方面：該裝置采用電動機與密封濕干分離設計，在帽頭內部有一組盤根墊，密封光桿，防止油、液上行，一旦漏液，液體自動下泄，不進入電動機而造成電動機燒毀；現場應用螺桿泵直驅裝置，機械密封裝在電動機軸內，密封失效時液體容易進入電動機內部，燒毀電動機；該直驅裝置在方卡子卡緊光桿后，全井抽油桿力量作用于直驅機座上，電動機不承受軸向力，使用壽命大幅度提高，而圖2 現場應用螺桿泵直驅裝置，方卡子卡緊光桿后，抽油桿軸向力作用于電動機上，容易造成電動機壽命降低.

4）密封方面：該裝置采用雙密封結構設計，兩組機械密封極大的延長密封維護周期，現場應用螺桿泵直驅裝置，只采用一組機械密封，密封周期縮短短。

5）裝置高度方面：該裝置總體高度1 180 mm左右，現場應用螺桿泵直驅裝置高度達到1 300 mm左右，整體高度降低，運行更加平穩、安全、可靠。

6）光桿調整方面所示，該裝置光桿調整范圍在一個電動機高度之內而不露頭，現場應用螺桿泵直驅裝置光桿只能高出方卡子以外很有限的尺寸，調整范圍擴大。

2 應用效果評價

該裝置已在全區選取環境敏感、使用年限長、安全隱患大的普通直驅螺桿泵井進行了試驗應用，截止目前共更換42 口井，封閉直驅實物圖見圖2，針對目前已安裝該裝置的井進行了多方面的應用效果評價，主要包括：安全及穩定性評價、噪音對比評價、節能效果評價及綜合效益評價。

圖2 封閉直驅實物圖

2.1 安全及穩定性評價

為了驗證封閉式螺桿泵直驅裝置安全及穩定性能是否符合設計要求，按照常規功率驅動與泵徑配比原則，在大慶油田A 區塊優選出5 口井進行觀察，不同功率驅動裝置運行情況如表2 所示。

表2 不同功率驅動裝置運行情況

5 口井中安裝時間最長877 天，最短691 天，經過現場觀察，5 口井目前均運行平穩，未出現任何故障，不同功率驅動與泵徑匹配良好。

2.2 噪音對比評價

為了評價封閉式螺桿泵直驅裝置的噪聲情況，在相同功率，相同泵徑條件下，選擇常規直驅裝置與封閉式螺桿泵直驅裝置螺桿泵井測試噪音強度，進行噪音對比。按功率22、30、37 kW 三個等級，泵徑300、500、800、1 200 mm 四個等級，在10 m處用噪聲測試儀測試相同轉數條件下常規直驅裝置與封閉式螺桿泵直驅裝置噪音大小，螺桿泵常規直驅與封閉式直驅裝置噪音對比如表3 所示。從測試數據可知，不同生產條件下，封閉式直驅在噪音方面均略優于常規直驅。

表3 螺桿泵常規直驅與封閉式直驅裝置噪音對比

2.3 節能效果評價

為了評價封閉式螺桿泵直驅裝置的節電效果，我們分別測定了不同功率、不同泵徑普通驅動、普通直驅、封閉式直驅的噸液百米耗電量，封閉式直驅裝置生產運行數據對比如表4 所示。

從統計數據分析可知，普通驅動裝置平均噸液百米耗電量為0.93 kWh，普通直驅裝置平均噸液百米耗電量為0.75 kWh，封閉式直驅裝置平均噸液百米耗電量為0.74 kWh。封閉式直驅裝置與普通直驅裝置的能耗相近，與普通驅動裝置相比平均綜合節電率達20.8%，節能效果較好，且大泵高產井比小泵低產井節電效果好。

2.4 綜合效益評價

為了評價封閉式螺桿泵直驅裝置的效益情況，我們對普驅裝置、普通直驅裝置、封閉式直驅裝置進行了經濟效益分析。其中普通驅動裝置購置費用為3.99萬元，使用壽命為8年，折舊費用為0.5萬元/a，平均單井電費6.04 萬元/a，更換密封費用0.2 萬元/a，維修費用0.1 萬元/a，更換皮帶費用0.15 萬元/a。普通直驅裝置購置費用為7.7 萬元，使用壽命為8年，折舊費用為0.96 萬元/a，平均單井電費4.98 萬元/a，更換密封費用0.2 萬元/a。封閉式直驅裝置購置費用為7.8 萬元，使用壽命為8 年，折舊費用為0.97 萬元/a，平均單井電費4.95 萬元/a，更換密封費用0.1 萬元/a（預測值，一直未更換過），兩種驅動方式平均每年消耗費用數據如表5所示。

表4 封閉式直驅裝置生產運行數據對比

表5 兩種驅動方式平均每年消耗費用

通過統計數據可以看出，綜合一次性投入費用、年耗電費用及年維修費用，與普通地面驅動裝置相比平均年消耗費用減少0.97 萬元，與普通直驅裝置相比平均年消耗費用減少0.12 萬元，具有較好的經濟效益。

3 結論

1）封閉式螺桿泵直驅裝置將傳動部件完全內置，可徹底消除了反轉帶來的安全隱患，而且在電動機保護、扭矩釋放、防沖距調節方面具有一定優勢，是一項有前景的螺桿泵地面驅動技術。

2）與普通驅動裝置相比，封閉式直驅裝置平均年可節省近1 萬元，有效降低螺桿泵采油成本。

3）封閉式直驅裝置與普通直驅裝置采油成本相近，但封閉式直驅裝置在安全方面具有明顯優勢，具有良好的社會效益。

4）封閉式螺桿泵直驅裝置經過前期現場試驗后已經可以進行推廣應用。