淺析螺桿泵采油井防反轉(zhuǎn)技術(shù)

精品文檔-下載后可編輯淺析螺桿泵采油井防反轉(zhuǎn)技術(shù)【摘要】針對螺桿泵采油井停機(jī)桿柱反轉(zhuǎn)問題，分析了其產(chǎn)生機(jī)理和造成的危害，并對目前現(xiàn)有的幾種解決措施進(jìn)行了技術(shù)分析，認(rèn)為只有采取綜合措施才能很好地解決螺桿泵采油井停機(jī)反轉(zhuǎn)問題。

【關(guān)鍵詞】螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置防反轉(zhuǎn)棘輪棘爪防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)

1前言

在螺桿泵采油工藝中，由于螺桿泵可以在液壓作用下變成液壓馬達(dá)，再加上旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使桿柱儲(chǔ)存了大量的變形扭轉(zhuǎn)勢能，造成許多螺桿泵采油井存在停機(jī)或卡泵時(shí)桿柱反轉(zhuǎn)問題，危及設(shè)備和人員的安全。目前大慶油田普遍的做法是在螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置上設(shè)計(jì)安裝各種防反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。由于井況千差萬別，各種防反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作性能不同，總體來說防反轉(zhuǎn)應(yīng)用效果不是十分理想。因此有必要深入分析螺桿泵產(chǎn)生機(jī)理和造成的危害，對現(xiàn)有技術(shù)措施進(jìn)行評價(jià)，研究出更好的防反轉(zhuǎn)技術(shù)。

2螺桿泵系統(tǒng)反轉(zhuǎn)機(jī)理及危害

2.1造成螺桿泵采油系統(tǒng)停機(jī)反轉(zhuǎn)的原因

螺桿泵停機(jī)后或卡泵時(shí)，貯存在桿柱中的變形扭轉(zhuǎn)勢能會(huì)快速釋放，使桿柱快速反轉(zhuǎn)。

停機(jī)后，在油管及外輸管線內(nèi)的高壓液體與套管內(nèi)井液壓差作用下，螺桿泵會(huì)變成液壓螺桿馬達(dá)，使轉(zhuǎn)子及連接的桿柱快速反轉(zhuǎn)。油套壓差越大，桿柱反轉(zhuǎn)速度越快，持續(xù)時(shí)間越長，直到油套壓差恢復(fù)平衡為止。

桿柱反轉(zhuǎn)過程是由慢到快、由快到慢兩個(gè)階段組成。在這過程中，桿柱會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)振動(dòng)，當(dāng)它的激勵(lì)頻率與桿柱自振頻率或井口自振頻率相同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振，反轉(zhuǎn)速度瞬間會(huì)達(dá)到高速飛車狀態(tài)。

2.2螺桿泵采油系統(tǒng)停機(jī)反轉(zhuǎn)所帶來的危害

（1）使桿柱脫扣、光桿甩彎，地面驅(qū)動(dòng)裝置零部件損壞；

（2）造成部分零部件過熱，點(diǎn)燃井口游離氣，造成井口燃燒爆炸；

（3）不僅會(huì)危及設(shè)備的安全，還會(huì)危及現(xiàn)場維護(hù)操作人員的安全，成為生產(chǎn)事故的隱患。

3目前螺桿泵井防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀

為了解決螺桿泵停機(jī)反轉(zhuǎn)問題，在螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置上設(shè)計(jì)安裝了防反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。到目前為止螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置使用的防反轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)形式有：外嚙合棘輪棘爪防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)、內(nèi)嚙合棘輪棘爪防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)、楔塊防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)、液壓防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)。從安裝的位置來分有電機(jī)軸安裝、輸入軸安裝和輸出軸安裝三種形式。3.1外嚙合棘輪棘爪防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)

反轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝在驅(qū)動(dòng)裝置輸入軸上，棘輪棘爪采用外嚙合方式，依靠剎車帶摩擦力釋放反轉(zhuǎn)勢能。驅(qū)動(dòng)裝置工作時(shí)，棘爪在離心力作用下與棘輪剎車帶脫離嚙合，防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)不工作。驅(qū)動(dòng)裝置停機(jī)時(shí)，桿柱反轉(zhuǎn)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置反轉(zhuǎn)，棘爪在重力作用下與棘輪剎車帶嚙合，防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作，依靠摩擦力避免驅(qū)動(dòng)裝置高速反轉(zhuǎn)。通過手動(dòng)旋松扭矩釋放螺栓，可以將儲(chǔ)存在桿柱驅(qū)動(dòng)裝置中的反轉(zhuǎn)扭矩釋放掉，提高驅(qū)動(dòng)裝置操作維護(hù)的安全性。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，能夠釋放儲(chǔ)存在光桿及裝置上的反轉(zhuǎn)扭矩，現(xiàn)場能隨時(shí)更換。缺點(diǎn)：

為保證防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)可靠工作，需經(jīng)常調(diào)整棘輪剎車帶摩擦面壓緊力；

低速時(shí)，棘輪棘爪接觸會(huì)產(chǎn)生噪音和磨損；

剎車帶摩擦面壓緊力調(diào)整及反轉(zhuǎn)扭矩釋放需要人為近距離操作，在扭矩釋放過程中，桿柱會(huì)以一定速度反轉(zhuǎn)，如操作不當(dāng)或剎車帶摩擦面打滑，也會(huì)對操產(chǎn)生安全隱患。

失效形式：剎車帶摩擦面磨損；棘輪棘爪及棘爪軸沖擊損壞。

操作性：更換維護(hù)方便。

3.2內(nèi)嚙合棘輪棘爪防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)

該產(chǎn)品將棘輪直接固定在減速箱箱體上，雖然防止了桿柱的反轉(zhuǎn)，但儲(chǔ)存在桿柱驅(qū)動(dòng)裝置中的反轉(zhuǎn)扭矩沒有釋放掉，在動(dòng)桿柱過程中，仍有反轉(zhuǎn)的可能性。

該種防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)棘輪機(jī)構(gòu)采用內(nèi)置式，外觀簡潔合理，無噪聲，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。缺點(diǎn)是運(yùn)轉(zhuǎn)后，棘輪截面應(yīng)垂直向下，才能保證棘輪棘爪自動(dòng)嚙合和脫開。在動(dòng)桿柱過程中，反轉(zhuǎn)問題沒有解決。

失效形式：棘輪棘爪及棘爪軸沖擊損壞。

操作性：更換維護(hù)不方便，手工更換，存在安全隱患。

3.3楔塊防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)

該種防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)是利用超越離合器工作原理。當(dāng)內(nèi)圈在輸出軸帶動(dòng)正轉(zhuǎn)時(shí)，楔塊正向排列，與外圈線摩擦，防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)不工作。而當(dāng)內(nèi)圈在輸出軸帶動(dòng)反轉(zhuǎn)時(shí)，楔塊反向排列，壓緊在外圈摩擦面上，防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作，阻止桿柱反轉(zhuǎn)。

該種防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，承載扭矩大。缺點(diǎn)：

雖然防止了桿柱反轉(zhuǎn)，但儲(chǔ)存在桿柱驅(qū)動(dòng)裝置中的反轉(zhuǎn)扭矩并沒有釋放掉，因此在動(dòng)桿柱過程中，反轉(zhuǎn)問題仍沒有解決；

更換維護(hù)不方便，日常管理需要加油，拆卸更換需要上吊車；

如反轉(zhuǎn)扭矩過大，會(huì)產(chǎn)生楔塊錯(cuò)誤反轉(zhuǎn)問題，使防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)卡死。

失效形式：楔塊防反轉(zhuǎn)沒有按時(shí)添加脂或脂變質(zhì)，防反轉(zhuǎn)因缺油而摩擦過熱卡死或失效；楔塊防反轉(zhuǎn)中的楔塊由于磨損，間隙變大，楔塊防反轉(zhuǎn)卡死或失效。

操作性：更換維護(hù)不方便，需要上設(shè)備更換，存在安全隱患。3.4液壓防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)

該種防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作原理類同汽車剎車系統(tǒng)。當(dāng)螺桿泵停機(jī)時(shí)，桿柱反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，輸出的液壓油驅(qū)動(dòng)摩擦塊作用于剎車盤，釋放反轉(zhuǎn)勢能。反轉(zhuǎn)扭矩越大，摩擦力也越大；反轉(zhuǎn)扭矩小，摩擦力也小。

該種防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以完全釋放掉桿柱反轉(zhuǎn)勢能，扭矩釋放不需要人員參與，可靠性較高。缺點(diǎn)：價(jià)格較高，液壓件要求具有較高的質(zhì)量，對環(huán)境條件要求較高。

失效形式：液壓系統(tǒng)漏油，油品變質(zhì)，液壓馬達(dá)損壞。

操作性：更換維護(hù)方便，需要有專業(yè)人員操作。

從目前應(yīng)用效果看：外嚙合棘輪棘爪防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)效果較好，功率不大于15kW的地面驅(qū)動(dòng)裝置，使用壽命能達(dá)到1年或更長，現(xiàn)場可人工更換剎車片和釋放桿柱反轉(zhuǎn)勢能，成本低。

4防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)技術(shù)攻關(guān)方向

從螺桿泵系統(tǒng)反轉(zhuǎn)機(jī)理來看，防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)技術(shù)攻關(guān)方向可從如下兩方面考慮：

4.1液體單流閥

通過研制地面或井下單流閥，當(dāng)螺桿泵停機(jī)時(shí)，單流閥工作，油管內(nèi)的高壓液體不能或者是緩慢流回井底，或者高壓液體回流過程中不會(huì)造成桿柱反轉(zhuǎn)，目的是減少作用在桿柱上的反轉(zhuǎn)勢能，降低反轉(zhuǎn)速度，減少地面驅(qū)動(dòng)裝置防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)的工作負(fù)荷。

4.2地面驅(qū)動(dòng)裝置防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)

進(jìn)一步研制技術(shù)上安全可靠、經(jīng)濟(jì)上可行的地面驅(qū)動(dòng)裝置防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)，綜合現(xiàn)有各種機(jī)械式防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合地面驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)形式，研制性能更好的新型機(jī)械式防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)，解決目前機(jī)械式防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)存在的問題；或者研制適合油田工作環(huán)境的液壓防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)。無論是哪種系統(tǒng)都要能夠使地面驅(qū)動(dòng)裝置低速反轉(zhuǎn)，緩慢釋放作用在桿柱上的反轉(zhuǎn)勢能，對人機(jī)不會(huì)造成各種傷害，而且便于現(xiàn)場操作人員的維護(hù)保養(yǎng)。

5結(jié)論及建議

（1）逐步淘汰楔塊防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)以及其他不能釋放扭矩的防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)。

（2）對于功率不大于15kW的地面驅(qū)動(dòng)裝置，采用棘輪棘爪防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)是比較適合的，它能夠長期安全可靠的工作。需要作進(jìn)一步完善的是改進(jìn)釋放機(jī)構(gòu)，使操作人員在扭矩釋放過程中，操作過程安全易行。另外地面驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)超過1年后，必須強(qiáng)制更換剎車片。

（3）對于功率在15