螺桿泵井驅動裝置安全性能優化改造

孫向輝（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

1 螺桿泵井驅動裝置現狀及工作原理

螺桿泵因其地面裝置緊湊，占地面積小，安裝施工快速等優勢，為油田廣泛采用。初期配套的地面驅動裝置多為普通常規驅動。其結構簡單，維護保養方便；但該裝置最初設計時未考慮停機反轉問題，后期陸續加裝機械式棘輪剎車裝置（圖1）。隨著大功率直驅電動機的出現，目前安裝的螺桿泵多采用直驅式驅動裝置。截至目前，薩北開發區共有螺桿泵地面驅動裝置井993口，其中普通驅動裝置井762口，直驅驅動裝置井231口。

圖1 機械式棘輪剎車裝置

1.1 機械式棘輪剎車裝置

當螺桿泵正常運轉時，由于離心力作用，棘爪克服彈簧彈力與棘輪脫開。停機后，棘爪與棘輪在彈簧彈力作用下結合，使光桿不能反轉。桿柱在運轉過程中積蓄了一定的彈性能，停泵檢修時，只能人工采用工具慢慢松開抱閘，使光桿慢慢反轉到停止，從而釋放扭矩[1]。

1.2 直驅驅動裝置

光桿穿過永磁無刷直流電動機的空心軸，通過方卡子與電動機空心軸連接。直流電動機的定子上產生的磁場與轉子永磁磁場相互作用而使轉子帶動光桿轉動，把動力直接傳遞到井下抽油桿和螺桿泵，來驅動螺桿泵運轉[2]直驅驅動裝置及結構見圖2。

圖2 直驅驅動裝置及結構

2 安全性能存在問題

傳統的棘輪棘爪裝置自應用以來，防反轉功能失效事件時有發生（圖3）。通過對現場35 臺頻繁失效的高轉速、大排量螺桿泵的統計發現，該裝置失效主要有以下三種情況：棘輪棘爪嚙合失效、反轉釋放失效、剎車片失效[3-5]。

圖3 剎車失效現場照片

當螺桿泵工作轉速過高、轉動加速度過大時，棘爪在離心力的作用下不易回彈，從而棘輪棘爪不能嚙合，導致嚙合失效。棘爪盤沒有檢查孔，日常檢查與維護時不能檢查外棘爪，隨著運行時間的增長內部結構運轉安全性得不到掌握，人工釋放扭矩時因抱閘抱死而發生釋放失效。裝置制動瓦尺寸較小，強度及制動扭矩不能滿足大排量井要求，剎車失效偶有發生[6]。

直驅驅動裝置取消了皮帶輪、皮帶、護罩等部件，從根本上避免了飛輪情況發生。但由于直驅驅動裝置采用電磁式地面驅動系統，遇停電等情況會造成制動系統失靈，無法實現防反轉功用；如果光桿露出方卡過長，存在光桿甩彎等安全隱患，反轉后光桿彎曲照片見圖4。

圖4 反轉后光桿彎曲照片

3 改造方案

為消除螺桿泵井停井后抽油桿反轉出現的“斷桿”、“飛輪”等各類安全隱患，制定了“驅動裝置安全性能優化”三年改造方案。具體措施為：根據驅動頭風險及使用年限，對于年限長、泵型較大、風險大的普通驅動頭，安裝“雙釋放液壓防反轉裝置”或“多重保險防反轉控制裝置”兩種新型防反轉系統，把部分普通驅動改為直驅驅動，將現有的鐵質防護罩更換為橡膠材質的防護罩，降低防護罩打飛后傷人的危險系數。在油井作業設計中，要求作業隊伍施工時將光桿防掉帽下平面與方卡子上平面實現零距離，防止光桿露出過長，杜絕光桿甩彎事故發生。

3.1 新型防反轉系統安裝

1）雙釋放液壓防反轉裝置。該裝置是在常規驅動裝置上進行技術改造。裝置正常運轉時大、小齒輪隨主軸轉動，單向機構脫開，齒輪泵不工作。停機后主軸產生反轉時，單向機構瞬時嚙合，帶動齒輪泵工作。齒輪泵通過高壓油管將液壓油供給液壓鉗，推動液壓鉗卡緊制動盤，限制螺桿泵旋轉，這時大齒輪轉速下降，齒輪泵供油能力降低，液壓油的壓力及液壓鉗的卡緊力也降低；液壓鉗釋放制動盤，反轉轉速提高，齒輪泵的供油量增加，提高液壓系統壓力，如此反復直至螺桿泵反轉扭矩完全釋放，雙釋放液壓防反轉裝置見圖5。

圖5 雙釋放液壓防反轉裝置

2）多重保險防反轉控制裝置。相較于傳統的棘輪棘爪式防反轉剎車系統，該裝置采用了多棘爪和多重制動的組合設計，實現了“卡住”和“釋放”多重保險。外棘爪采用向外甩開與制動盤嚙合設計，扭矩越大、轉速越高，越容易甩開與制動盤嚙合。該設計還解決了由原內棘爪扭簧失效而導致嚙合失效的問題。外棘爪扭簧失效后，不但能及時發現，而且更容易向外甩開與棘輪嚙合[7-10]。棘爪盤設有外棘爪檢查孔，可實現不拆卸棘爪盤檢查外棘爪，從而方便裝置日常檢查與維護，多重保險防反轉控制裝置見圖6。

圖6 多重保險防反轉控制裝置

3.2 其他安全改造措施

將部分老舊不具備改造價值的常規驅動裝置直接更換為安全性能較高的直驅式驅動裝置，將現有的鐵質防護罩更換為橡膠材質的防護罩，杜絕反轉失靈后光桿打飛防護罩的二次傷害事故。在油井小修檢泵等作業過程中，要求作業隊伍施工時將光桿防掉帽下平面與方卡子上平面實現零距離，防止光桿露出過長，杜絕光桿甩彎事故發生。

安裝直驅驅動裝置50 套，將光桿防掉帽下平面與方卡子上平面實現零距離等措施用于353口井上。鐵質防護罩已全部更換為橡膠材質的防護罩。

4 效果評價及效益分析

方案采用的兩種新型防反轉裝置具有安全可靠、操作方便、經濟效益好等優點。改造方案的實施，實現了抽油桿扭矩的緩慢釋放，減少了由于高轉速反轉對井下桿管所造成的疲勞傷害。按每井每年減少1次檢泵作業計算，單井可減少作業費用約9.05萬元（表1），同時也避免了頻繁檢泵帶來的環境污染問題。

表1 單井作業費用

方案實施后螺桿泵地面驅動裝置的安全性能大大提高，因剎車裝置失靈而造成飛輪、護罩打飛等安全隱患得以消除，避免了人員傷亡，具有較高的社會效益。

該方案共計改造安裝50 套直驅驅動裝置、209 套雙釋放液壓防反轉裝置、22套多重保險防反轉控制裝置，共計改造了281 套，總投入費用為827.2 萬元。若按每井每年減少1 次檢泵作業節約9.05萬元計算，最終創經濟效益1 715.85萬元。

5 結論

1）直驅式地面驅動系統簡化了原有的驅動部分，杜絕了皮帶輪飛出傷人的不安全隱患，但其投入費用較高。

2）雙釋放液壓防反轉裝置和多重保險防反轉控制裝置都具有安全可靠、操作方便、經濟效益好等優點，至今均未發生因制動失靈所造成的“飛輪”等安全事故，具有較好的可推廣性。

3）螺桿泵井常規作業應保證光桿防掉帽下平面與方卡子上平面“零距離”。

4）定期維修保養螺桿泵驅動裝置，加強井筒熱洗清防蠟工作，減少運行負荷。