付堯（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠工程技術(shù)大隊）

常規(guī)驅(qū)動螺桿泵偏置式改造技術(shù)研究

付堯（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠工程技術(shù)大隊）

螺桿泵常規(guī)驅(qū)動技術(shù)停機后反轉(zhuǎn)能量不能完全釋放，存儲在桿柱上，若其采用的機械式防反轉(zhuǎn)裝置中有部件損壞或失效不起作用，反轉(zhuǎn)會失控，導(dǎo)致桿柱高速反轉(zhuǎn)，同時帶動地面設(shè)備高速旋轉(zhuǎn)，發(fā)生“飛輪”，給人身安全造成危害[1]。針對上述問題，文中提出集成“常規(guī)驅(qū)動技術(shù)與直驅(qū)驅(qū)動技術(shù)”的優(yōu)勢于一體，研制一種新型螺桿泵地面驅(qū)動技術(shù)，并且提出在常規(guī)螺桿泵驅(qū)動裝置的改造中應(yīng)用該項技術(shù)。這樣，不僅可以解決常規(guī)驅(qū)動的安全問題，而且能夠適當(dāng)降低舉升能耗。

螺桿泵 驅(qū)動 扭矩 永磁同步電動機

1 問題的提出

在油田采油領(lǐng)域中，螺桿泵舉升已經(jīng)成為重要的人工舉升方式之一。該舉升工藝地面設(shè)備具有占地面積小、噪音低、結(jié)構(gòu)簡單、便于維護和生產(chǎn)管理等優(yōu)點[2]，目前國內(nèi)外油田在用的螺桿泵地面驅(qū)動設(shè)備中絕大多數(shù)采用皮帶和齒輪兩級減速，即常規(guī)螺桿泵地面驅(qū)動技術(shù)，該技術(shù)運用棘輪-棘爪機械式防反轉(zhuǎn)技術(shù)。停機后反轉(zhuǎn)能量不能完全釋放，存儲在桿柱上，若棘輪-棘爪防反轉(zhuǎn)裝置中有部件損壞或失效不起作用，反轉(zhuǎn)就會失控，桿柱中儲存的能量瞬間釋放，導(dǎo)致桿柱產(chǎn)生高速反轉(zhuǎn)，同時帶動地面設(shè)備高速旋轉(zhuǎn)，發(fā)生“飛輪”，給人身安全造成危害。

隨著螺桿泵舉升應(yīng)用規(guī)模的不斷擴大，相關(guān)配套工藝技術(shù)也在不斷完善。近兩年來，直驅(qū)螺桿泵地面驅(qū)動設(shè)備的應(yīng)用更加突顯出螺桿泵在節(jié)能方面的優(yōu)勢，同時，也更好的提高了設(shè)備的安全性能。該技術(shù)采用先進的能耗制動防反轉(zhuǎn)技術(shù)，可安全平穩(wěn)的釋放掉桿柱中儲存的能量，使安全性能更高，但該技術(shù)也存在不足，由于其取消了齒輪傳動機構(gòu)，使得同等裝機功率條件下的額定扭矩要小于常規(guī)驅(qū)動[3]，見表1。

表1 螺桿泵驅(qū)動裝置額定扭矩對照表

因此，提出集成“常規(guī)驅(qū)動技術(shù)與直驅(qū)驅(qū)動技術(shù)”的優(yōu)勢于一體，開發(fā)研制一種新型的螺桿泵地面驅(qū)動技術(shù)，即偏置式螺桿泵驅(qū)動技術(shù)，并且提出將在常規(guī)螺桿泵驅(qū)動裝置的改造中應(yīng)用該項技術(shù)，即將在用常規(guī)驅(qū)動裝置改造成偏置式驅(qū)動裝置。這樣，不僅可以解決常規(guī)驅(qū)動的安全問題，而且能夠適當(dāng)降低舉升能耗，同時，還可以有效改善上調(diào)參數(shù)帶來的扭矩增大問題，對螺桿泵舉升工藝更好更快地發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

2 偏置式螺桿泵驅(qū)動技術(shù)思路

2.1 立式隔爆永磁同步電動機的開發(fā)與研制

偏置式螺桿泵驅(qū)動裝置應(yīng)用小功率交流永磁電動機直接驅(qū)動高效平面?zhèn)鲃訙p速裝置，進而通過光桿驅(qū)動井下螺桿泵旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)原油舉升[4]。

交流永磁電動機設(shè)計思路：一是采用稀土永磁三相同步電動機；二是采用立式安裝方式；三是電動機使用防爆殼體；四是定子部分能夠與三相異步電動機通用；五是開發(fā)專用的非標(biāo)電動機凸緣。

立式隔爆永磁同步電動機開發(fā)的重點為“同步轉(zhuǎn)子”的研制。采用稀土永磁電動機磁路設(shè)計理論，通過優(yōu)化確定了轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式，進而解決“同步轉(zhuǎn)子”的問題。同時，根據(jù)試驗結(jié)果，不斷完善電動機技術(shù)。最終，達到國家相關(guān)的永磁同步電動機質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 耐高壓井口機械密封機構(gòu)的研制

密封方式采用波紋管機械密封，密封效果好、壽命長，直接安裝在驅(qū)動裝置的上端，便于驅(qū)動裝置的拆裝及維護。為進一步提高波紋管機械密封的承壓能力，對其進行了幾何尺寸和材質(zhì)的改進，在優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過反復(fù)試驗，使其承壓能力能夠達到4.0 MPa，確保其安全工作的同時，可以滿足現(xiàn)場的生產(chǎn)需要。

2.3 高效平面專用減速機的開發(fā)與研制

采用硬齒面斜齒輪傳動減速裝置，增加了驅(qū)動裝置速度的選擇范圍。并對硬齒面斜齒輪表面實施高頻硬化處理，提高其使用壽命。同時，開發(fā)研制減速機構(gòu)專用殼體，對其內(nèi)部機構(gòu)實施保護。

2.4 能耗制動控制系統(tǒng)的開發(fā)

在防反轉(zhuǎn)技術(shù)上采用軟剎車技術(shù)，即在控制箱內(nèi)設(shè)有能耗電阻和獨立的剎車控制器，停機操作時，井下彈性釋能會拖動永磁電動機反轉(zhuǎn)，接通剎車電阻，反轉(zhuǎn)速度越大，電阻吸收能量越多，發(fā)電制動力就越大，最終使泵桿回到初始狀態(tài)，安全性能可靠。

3 常規(guī)螺桿泵驅(qū)動改造成偏置式螺桿泵驅(qū)動技術(shù)方案

3.1將常規(guī)驅(qū)動三相異步電動機改造為立式隔爆永磁同步電動機

為節(jié)約投入成本，結(jié)合我廠實際，最大限度地利用原常規(guī)驅(qū)動防爆電動機中可利用部件，將其改造成立式隔爆永磁同步電動機。

1）將原防爆電動機機座更換成隔爆B5機座。最大限度地利用原常規(guī)驅(qū)動電動機的定子部分，僅更換主機座與前端蓋中的軸承，同時，重新開發(fā)設(shè)計非標(biāo)的電動機凸緣，方便立式隔爆永磁同步電動機與平面減速機的連接。

2）研制專用的永磁同步轉(zhuǎn)子。其主要由高強度電動機軸、矩形高磁通釹鐵硼磁鋼等組成。高強度電動機軸的材質(zhì)選用40Cr，粗加工后要實施調(diào)質(zhì)處理，最終通過精加工完成制造；而矩形高磁通釹鐵硼磁鋼是使用專用模具鑄造釹鐵硼磁鋼原材，實施必要的機械加工后充磁而成，可耐溫達到110℃，退磁率≤0.3%。最后，采用機械方法將“釹鐵硼磁鋼”固定在高強度電動機軸上，這樣，便完成了永磁同步轉(zhuǎn)子的研制。

3.2 采用先進的波紋管式機械密封方式

將臥式驅(qū)動中小彈簧機械密封改為波紋管機械密封，密封效果更好，壽命更長。

3.3 將常規(guī)驅(qū)動雙面螺旋齒減速機更換為高效平面減速機

常規(guī)驅(qū)動采用雙面圓弧齒輪傳動，傳動比不高，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍小。在改造中采用平面圓弧齒輪傳動取代雙面圓弧齒輪傳動，可以提高傳動比，進而擴大轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍。為延長其使用壽命，減速機齒輪均要經(jīng)過高頻淬火。

4 現(xiàn)場試驗情況

在1口井進行現(xiàn)場試驗，運轉(zhuǎn)正常，系統(tǒng)效率提高了4.33個百分點，有功節(jié)電率達11.44%，見表2。

表2 9-2111節(jié)能效果對比

5 結(jié)論與認識

1）在常規(guī)驅(qū)動裝置改造中應(yīng)用該項技術(shù)，最大限度地利用舊裝置，可以實現(xiàn)節(jié)約投入成本，提高常規(guī)驅(qū)動的安全性能。

2）偏置式驅(qū)動技術(shù)能夠有效解決目前直驅(qū)驅(qū)動因井下扭矩增大過載停機問題。

3）偏置式螺桿泵驅(qū)動技術(shù)結(jié)合了常規(guī)驅(qū)動技術(shù)和直驅(qū)驅(qū)動技術(shù)二者的優(yōu)勢，解決了常規(guī)驅(qū)動技術(shù)的安全問題，在適當(dāng)降低舉升能耗的同時，還可以有效改善直驅(qū)驅(qū)動技術(shù)額定扭矩不足的問題。

[1]張連山.螺桿泵采油系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與動向研究[J].石油機械，1994,22（1）:16－50.

[2]韓修廷,王秀玲,焦振強.螺桿泵采油原理及應(yīng)用[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,1998:186-189.

[3]鄒艷霞.采油工藝原理[M].北京:石油工業(yè)出版社,2006.

[4]陳濤平.胡靖邦.石油工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,2000：328-335.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.09.009

付堯，2006年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院，助理工程師，現(xiàn)從事螺桿泵相關(guān)技術(shù)研究，地址：大慶油田第六采油廠工程技術(shù)大隊，163114。

2011-09-18)