地面驱动螺杆泵采油系统防反转装置评介.doc

地面驱动螺杆泵采油系统防反转装置评介臧 宏左少权彭美华刘东菊（辽河油田公司钻采工艺研究院、资产管理中心、锦州采油厂）摘要地面驱动螺杆泵采油系统是八十年代后期发展起来的一种适合于高粘度、高含砂、高气油比原油开采的机械采油设备，近年来，地 面驱动螺杆泵作为一种简单、高效、经济节能的人工举升方式，在稠油与含砂含水原油的开采中的得到了广泛应用。但在应用中不时发生 螺杆泵采油系统停机反转造成的系统故障，螺杆泵的反转会使杆柱脱扣、光杆甩弯，地面驱动装置零部件损坏；螺杆泵的反转不仅会危及设备的安全，还会危及现场维护操作人员的安全，成为生产事故的隐 患。本文依据地面驱动螺杆泵采油系统应用现状，根据地面驱动螺杆 泵采油系统结构及工作原理，分析了造成螺杆泵采油系统反转的原因及其带来的危害。介绍了几种地面驱动螺杆泵采油系统地面驱动装置的防反转技术，分别介绍了棘轮-棘爪机构，摩擦式防反转装置，楔 块防反转系统，电磁式防反转装置和液压防反转系统等几种方式的优 缺点，以及加拿大Kudu公司采油螺杆泵地面驱动装置防锁死制动系统（ABS）。地面驱动螺杆泵采油系统防反转装置评介臧 宏左少权彭美华刘东菊（辽河油田公司钻采工艺研究院、资产管理中心、锦州采油厂）摘要本文分析了造成螺杆泵采油系统停机反转的原因及其危害。介绍了几种地面驱动螺杆泵采油系统地面驱动装置的防反转技术，分别介绍了棘轮-棘爪机构，摩擦式防反转装置，楔块防反转系统，电磁式防反转装置和液压防 反转系统等几种方式的优缺点。并简单介绍了加拿大Kudu公司采油螺杆泵地面驱 动装置采用的防锁死制动系统（ABS）。前言地面驱动螺杆泵采油系统是八十年代后期发展起来的一种适合于高粘度、高含砂、高气油比原油开采的机械采油设备，近年来，地面驱动螺杆泵作为一种简 单、高效、经济节能的人工举升方式，在稠油与含砂含水原油的开采中的得到了广泛应用。但在应用中不时发生螺杆泵采油系统停机反转造成的系统故障，螺杆泵的反转会使杆柱脱扣、光杆甩弯，地面驱动装置零部件损坏；螺杆泵的反转不 仅会危及设备的安全，还会危及现场维护操作人员的安全，成为生产事故的隐患。本文依据地面驱动螺杆泵采油系统应用现状，根据地面驱动螺杆泵采油系统结构及工作原理，分析了造成螺杆泵采油系统反转的原因及其带来的危害。介绍 了几种地面驱动螺杆泵采油系统地面驱动装置的防反转技术，分别介绍了棘轮- 棘爪机构，摩擦式防反转装置，楔块防反转系统，电磁式防反转装置和液压防反 转系统等几种方式的优缺点，以及加拿大Kudu公司采油螺杆泵地面驱动装置防锁 死制动系统（ABS）。地面驱动螺杆泵采油系统应用现状螺杆泵作为一种机械采油设备，它属于容积式泵，具有其它抽油设备所不能替代的优越性，国内在制造、应用等方面都取得了长足的进步，井下泵已基本形 成系列化。但是，与国外石油公司相比，我国在螺杆泵的整体技术发展和应用等方面还存在着一定差距。 自20世纪60年代前苏联开发应用了潜油电泵采油系统用于井下原油的举升以来，单螺杆泵在石油工业领域得到了广泛的应用。并形成了排量为10-200m3/d、 扬程为600-1200m的系列产品。地面驱动螺杆泵采油起源于20世纪80年代初期， 法国、加拿大、美国和德国等相继开发并形成了排量为2-300m3/d ，扬程为500-2000m的系列产品，并得到广泛应用。我国自20世纪80年代中后期开始研发地面驱动螺杆泵采油系统以来，已形成排量为2-240m3/d、扬程为500-1800m的系 列产品，并已在国内各大油田逐步推广应用。地面驱动螺杆泵采油系统结构及工作原理采油用螺杆泵是单螺杆式水力机械的一种，是摆线内啮合螺旋齿轮副的一种应用。螺杆泵的转子、定子副（也叫螺杆衬套副）是利用摆线的多等效动点 效应，在空间形成封闭腔室，并当转子和定子作相对转动时，封闭腔室能作轴向移动，使其中的液体从一端移向另一端，实现机械能和液体能的相互转化，从而 实现举升作用。螺杆泵又有单头(或单线)螺杆泵和多头（或多线）螺杆泵之分。井下单螺杆泵由定子和转子组成。定子由钢制外套和橡胶衬套组成，转子由 合金钢的棒料经过精车、镀铬并抛光加工而成。转子有空心转子和实心转子两种。螺杆泵定子是用丁腈橡胶衬套浇铸粘接在钢体外套内而形成的一种腔体装置。定子内表面呈双螺旋曲面，与转子外表面相配合。沿着螺杆泵的全长，在转 子外表面与定子橡胶衬套内表面间形成多个密封腔室；随着转子的转动，在吸入 端转子与定子橡胶衬套内表面间会不断形成密封腔室，并向排出端推移，最后在排出端消失，油液在吸入端压差的作用下被吸入，并由吸入端推挤到排出端，压 力不断升高，流量非常均匀 。电机通电后旋转，经过二级减速（三角皮带和齿轮）后，通过方卡带动光杆旋转，光杆通过抽油杆柱将动力传递给井下螺杆泵，螺杆泵将机械能转变为液体 能，从而实现油液的有效举升。螺杆泵采油系统反转原因及危害一、螺杆泵采油系统反转的原因螺杆泵驱动头停机后或卡泵时存在潜在的倒转危险，贮存在杆柱中的弹性变 形能会快速释放，使杆柱快速反转。反转主要是由于杆柱松开所致。抽油杆的残余扭力会加速旋转。制动器在设计上就是能以安全的速度控制这种反转。反转的第二种情况是由于油管中的产出 液通过泵倒流所致。导致反转的原因取决于以下几种变量，它们是：1、油套环空和油管中液柱之间的压差2、流体的粘度3、流体脱气的影响4、杆柱的储能（扭力）5、驱动系统的惯性 停机后，在油管及外输管线内的液体与套管内井液压差作用下，螺杆泵会变成液压马达，使转子及连接的杆柱快速反转。油套压差越大，杆柱反转速度越快， 持续时间越长，直到油套压差恢复平衡为止。二、螺杆泵采油系统停机反转所带来的危害螺杆泵的反转会使杆柱脱扣、光杆甩弯，地面驱动装置零部件损坏； 螺杆泵的反转不仅会危及设备的安全，还会危及现场维护操作人员的安全，成为生产事故的隐患。地面驱动装置防反转结构形式及工作特点为了解决螺杆泵采油系统停机反转造成系统故障，目前我国采油用地面驱动螺杆泵普遍在驱动装置中设置机械防反转系统。防反转系统可以装在输出轴或输 入轴上，装在输入轴上的防反转系统受到的工作扭矩远小于装在输出轴上的工作扭矩，但装置横向尺寸也相应变大。综合考虑选用防反转系统装在输入轴上的方 案较好，易于调整维护。目前机械防反转系统主要有棘轮、棘爪机构、摩擦式防反转装置、楔块防反转系统、液压防反转系统和电磁式防反转装置等方式。其中棘轮棘爪防反转因结 构简单，而且能够释放贮存在光杆及装置上的反转扭矩，寿命较长，现场也可以随时更换，目前是国内应用最多的一种防反转装置结构形式。一、棘轮-棘爪式防反转装置该防反转系统一般装在驱动装置输入轴上，依靠刹车带的摩擦力释放反转势 能。当驱动装置工作时，棘爪在离心力的作用下与棘轮刹车带脱离啮合，防反转系统不工作。当停机时，杆柱反转带动光杆反转，这时棘爪在重力和弹簧力作用 下与棘轮刹车带啮合，防反转系统工作，依靠摩擦力避免驱动装置高速反转。通 过手动旋松扭矩释放螺栓，可以将贮存在杆柱中的反转扭矩释放掉，提高了驱动装置操作维护的安全性。该系统不仅结构简单，成本低，而且能够释放贮存在光杆及装置上的反转扭矩，现场也可以随时更换。 为保证防反转系统可靠工作，需要经常调整棘轮刹车带摩擦面的压紧力。低速时，棘轮棘爪由于接触会产生噪音和磨损。刹车带摩擦面压紧力调整及反转扭矩释放都需要人为近距离操作，而且在扭 矩释放过程中，杆柱还会以一定速度反转，如果人为操作不当或刹车带摩擦面打滑，也会对操作者带来安全隐患。二、摩擦式防反转装置摩擦式防反转装置是由一个闸瓦式制动器和一个能识别正、反转的超越离合 器组成。闸瓦铆在闸体上，两扇闸体通过螺栓将外圈拖紧。轮芯抽油时顺时针旋转，此时制动装置不起作用，外环不转动。当星轮反转时，滚柱楔入星轮与外环之间，使这三者成为一体。这时制动装置起阻尼作用，限制了星轮转速，达到防 反转作用。1闸体;2闸瓦;3外圈;4滚柱;5轮芯。摩擦式防反转工作示意图该种防反转装置是国内初期使用的防反转装置，因使用寿命较短，现场更换具有较大的危险性而逐渐被淘汰。三、楔块式防反转装置楔块式防反转装置是利用超越离合器工作原理。当内圈在输出轴带动下正转 时，楔块正向排列，与外圈线摩擦，防反转系统不工作。而当内圈在输出轴带动 下反转时，楔块反向排列，压紧在外圈摩擦面上，防反转系统工作，阻止杆柱反转。该种防反转系统结构简单紧凑，承载扭矩大。不足是：1）虽然防止了杆柱 的反转，但贮存在杆柱驱动装置中的反转扭矩并没有释放掉，因此在动杆柱过程 中，反转问题仍没有解决；2）更换维护不方便，日常管理需要加润滑油，拆卸 更换需要上吊车；3）如反转扭矩过大，会卡死。失效形式 楔块防反转没有按时添加润滑脂或润滑脂变质，防反转因缺油而摩擦过热卡死或失效。楔块防反转中的楔块由于磨损，间隙变大，楔块防反转卡死或失效。 操作性：更换维护不方便，需要上设备更换，存在安全隐患。四、电磁式防反转装置电磁式防反转装置是将拖动电机当作制动器。其作用原理为：当停抽时(拖 动电机放电)，将直流电输入给电机的定子绕阻，以产生平衡的直流磁场。这种 磁场吸引转子，对转子的反转产生阻尼作用。从而达到了限速作用。当限速终了 时，直流供电结束，并为下次启动电机做好准备。该种防反转系统只用电器元件构成，而没有专用机械零件，所以安装方便， 成本也不高。其缺点是限速时间不能过长，皮带断裂后电磁式防反转装置就不能 发挥作用。故现场不推荐使用。五、液压防反转系统该种防反转系统工作原理类同汽车刹车系统。当螺杆泵停机时，杆柱反转驱 动液压马达，输出的液压油驱动摩擦块作用于刹车盘，缓慢释放掉弹性能。反转 扭矩越大，摩擦力也越大，反转扭矩小，摩擦力也小。该种防反转系统可以完全释放掉杆柱弹性能，扭矩释放不需要人员参与，可 靠性较高。不足：价格较高，液压件要求具有较高的质量，对环境条件要求较高。失效形式：液压系统漏油，油品变质，液压马达损坏。操作性：更换维护方便，需要有专业人员操作。2005年初，辽河油田从法国引进了十套地面驱动螺杆泵采油系统，其地面驱动头为加拿大Kudu公司生产，地面驱动装置普遍采用液压防锁死制动系统（ABS）。Kudu公司ABS防锁死制动系统的特点：1、制动器在反转期间为驱动杆柱提供了消耗张力能量的制动能力2、盘式制动器分散了因制动产生的能量3、一台内部液压泵为上部轴承提供了润滑并为通风式盘式制动器提供了工 作压力4、润滑油是通过一个3微米的旋装式滤清器过滤的5、一条内置液压油路综合了许多液压组件，并使得这些组件结构紧凑，消 除了外部油路6、在驱动头工作期间，液压油液位窗显示油位（驱动头装载斜井上时除外）制动周期描述1、在反转期间，制动自动投入2、当驱动头反转时，内置液压泵将油供给制动卡钳并继续润滑上部轴承3、流量控制阀将剩余的液体排向油箱，根据井况将反转控制到一定速度4、当转速低于50转/分时，卡钳松开，释放系统的扭力5、当转速提高时，卡钳再次啮合。多次重复这一过程，直到扭力彻底释放 掉为止6、在润滑和制动油路上有两个测试孔，便于对它们诊断检查7、制动缓冲器要按月进行检查，而且一定要停车前和驱动头停车时进行8、制动缓冲器可以从制动器后边的开口处看到9、当制动器缓冲器上的凹口看不到了时，应更换制动器。制动缓冲器衬片 的厚度不应小于1/8结论通过在地面驱动螺杆泵采油系统的地面驱动装置中设置机械防反转系统，基本上解决了螺杆泵采油系统停机反转造成的系统故障，大大降低了螺杆泵生产过 程中的安全隐患，减少了抽油杆柱脱扣、光杆甩弯及地面驱动装置零部件损坏的 几率，保障了设备的安全及现场维护操作人员的安全。参考文献1 石油钻采机械 石油工业出版