地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵井反轉(zhuǎn)失速控制

大慶油田質(zhì)量安全環(huán)保監(jiān)督評(píng)價(jià)中心 戴建輝｜文

螺桿泵井是油田采油廠常用的一種采油設(shè)備，主要通過地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備提供舉升動(dòng)力將原油從井底采出至地面。與抽油機(jī)舉升工藝相比，螺桿泵井設(shè)備具有投資低、能耗低、噪聲小、占地小等特點(diǎn)。目前，筆者所在單位大慶油田擁有超過4 000口螺桿泵井。

圖1 螺桿泵采油舉升工藝圖

在實(shí)踐中，地面驅(qū)動(dòng)反轉(zhuǎn)失速是企業(yè)應(yīng)用螺桿泵井過程中較為常見的安全問題之一。對(duì)此，大慶油田在控制螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)反轉(zhuǎn)失速技術(shù)方面做了大量工作，但由于違章、外界環(huán)境影響等因素，因“反轉(zhuǎn)失速”而引發(fā)的安全問題仍時(shí)有發(fā)生，威脅著作業(yè)及人員安全。因此，大慶油田通過分析螺桿泵驅(qū)動(dòng)原理及失速起因，結(jié)合失速后現(xiàn)象，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問題入手，應(yīng)用光桿防斷裝置、控制外露長度、更換防護(hù)罩、應(yīng)用鋼質(zhì)輪等安全措施，有效提高了螺桿泵井安全性，并大幅降低了其可能造成的危害程度，保障了作業(yè)安全。

反轉(zhuǎn)失速起因簡(jiǎn)述

圖1為一口典型普通螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備及井內(nèi)管柱的工藝圖。其中，地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備由電機(jī)、皮帶輪、減速器等組成。井內(nèi)管柱由油管、抽油桿、螺桿泵（包括定子、轉(zhuǎn)子）、管錨等組成。地面電機(jī)通過皮帶減速器減速提扭，帶動(dòng)抽油桿以一般不大于150轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋轉(zhuǎn)。隨著抽油桿轉(zhuǎn)動(dòng)，泵內(nèi)定轉(zhuǎn)子的三維曲面配合形成密封腔，從泵下抽吸井液并向上源源不斷生產(chǎn)至地面。

當(dāng)?shù)孛嬖O(shè)備停止時(shí)，由于傳遞扭矩抽油桿變形需要復(fù)原，此時(shí)井口觀察結(jié)果為光桿反向旋轉(zhuǎn)；同時(shí)，油管內(nèi)液體與油套空間井液存在高差，根據(jù)連通原理，高的一端液體將向低的一端流動(dòng)，并帶動(dòng)螺桿泵泵內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，使液柱勢(shì)能不斷轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能，不斷加速反轉(zhuǎn)，最后轉(zhuǎn)子會(huì)通過抽油桿帶動(dòng)地面光桿高速反轉(zhuǎn)失速失控。

危害控制

盡管大慶油田針對(duì)螺桿泵失速問題進(jìn)行了大量系統(tǒng)研究，前后應(yīng)用了機(jī)械式、液壓式和電磁式多種類型的井口失速控制裝置，較好地遏制了失速問題的發(fā)生。但不可否認(rèn)，“反轉(zhuǎn)失速”的風(fēng)險(xiǎn)仍然存在，不管概率多低，危險(xiǎn)仍有可能發(fā)生。對(duì)此，在積極預(yù)防相關(guān)問題出現(xiàn)的同時(shí)，大慶油田將失速問題發(fā)生時(shí)如何降低其危害程度作為了一項(xiàng)重點(diǎn)解決工作。

圖2 驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖3 驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)多年實(shí)踐，大慶油田將反轉(zhuǎn)失速后危害的表現(xiàn)，歸納為“光桿上頂飛出”“光桿彎曲，防護(hù)罩碎，鐵片高速飛出”“皮帶輪甩碎，碎塊飛出”3個(gè)類型，并基于對(duì)于失速后現(xiàn)象的分析，制定了相關(guān)控制措施。

光桿上頂飛出

目前，螺桿泵井的光桿主要是通過方卡子卡住并“坐”在防噴盒上的方形槽內(nèi)，防噴盒下面是減速箱輸出軸，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)后，減速箱輸出軸會(huì)帶動(dòng)方卡子和光桿一起運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)井下螺桿泵運(yùn)動(dòng)，完成抽吸排液（設(shè)備位置如圖2所示）。當(dāng)螺桿泵反轉(zhuǎn)失速時(shí)，光桿會(huì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)并上行，帶起方卡子從電機(jī)上平面一同頂出，離心旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力會(huì)導(dǎo)致光桿某一脆點(diǎn)斷裂，進(jìn)而飛出井筒，飛向地面，傷及周圍工作人員。

對(duì)此，大慶油田工程人員為解決該問題，應(yīng)用了“光桿防斷”裝置。該裝置主要由光桿承重螺母、護(hù)套和光桿卡子組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，原理如下：

常用的光桿卡子同時(shí)具有橫牙和豎牙，橫牙承受軸向載荷，豎牙承受光桿扭矩。根據(jù)測(cè)算，橫牙需承受的力約6萬牛頓，豎牙承受的力僅為3.57萬牛頓（光桿扭矩為1 000?！っ讜r(shí)）。為防止光桿脫落，只能按橫牙的要求擰緊光桿，這就使光桿承受了本不該承受的豎牙損傷，在卡子根部受力狀況不好而易斷。經(jīng)過改進(jìn)后，光桿卡子沒有橫牙只有豎牙，完全克服了上述弊端。同時(shí)該工藝具有一定抗彎曲功能：支撐套外徑Ф50毫米、下部尺寸為Ф80毫米，相當(dāng)于加大了光桿的外徑，大大增加了光桿的抗彎強(qiáng)度。經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，不加支撐套時(shí)，0.5米長懸臂光桿在2 000牛頓的作用下約偏斜10°，同樣條件加支撐套時(shí)僅偏斜2°，由此可見，其“防彎”效果很好。

光桿彎曲，防護(hù)罩碎，鐵片高速飛出

通常來說，光桿的標(biāo)準(zhǔn)長度為9～10米。下桿柱完井時(shí)，上提防沖距后，方卡子上部外露的遺留長度無法人為干預(yù)，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)外露長度有長有短，一般控制在1米以內(nèi)。當(dāng)反轉(zhuǎn)失速時(shí)，外露光桿會(huì)在離心機(jī)作用下被甩彎，此時(shí)方卡子處剛度最大，被甩彎的外露光桿會(huì)以方卡為軸心作平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并與周圍的鐵質(zhì)防護(hù)罩發(fā)生撞擊，通常會(huì)將防護(hù)罩撞碎，碎片則會(huì)飛向井口四周，對(duì)周圍設(shè)備和人員造成傷害。

為解決該問題，大慶油田的技術(shù)人員主要從以下3個(gè)方面入手：一是減少光桿外露長度，使其即使甩彎，也不會(huì)撞擊防護(hù)罩。主要是在現(xiàn)場(chǎng)采用0.5～1.5米的抽油桿短節(jié)調(diào)整光桿外露長度，使其不高于0.3米，有時(shí)反復(fù)調(diào)節(jié)均達(dá)不到要求時(shí)，也會(huì)采取氣割割短。二是用橡膠材質(zhì)防護(hù)罩代替鐵質(zhì)護(hù)罩，使其不易被撞碎撞飛，即使撞擊飛出也不會(huì)碎裂，且材質(zhì)輕、動(dòng)能低，能夠有效降低危害后果。三是嚴(yán)格控制護(hù)罩和光桿間距，重點(diǎn)防止護(hù)罩固定點(diǎn)不合理、護(hù)罩過小或護(hù)罩歪斜，保證其和光桿間保持較大間距，并保持護(hù)罩整體高度與光桿卡子的上平面對(duì)齊（太低護(hù)罩起不到作用，太高有被撞擊隱患）。

皮帶輪甩碎，碎塊飛出

通常來說，在電機(jī)正常運(yùn)動(dòng)時(shí)，其能量傳遞順序?yàn)殡姍C(jī)—主軸皮帶輪—側(cè)軸皮帶輪—減速箱—光桿—螺桿泵轉(zhuǎn)子，而當(dāng)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)失速時(shí)，能量傳遞則正相反，側(cè)軸大皮帶輪會(huì)被光桿通過減速器帶動(dòng)快速旋轉(zhuǎn)，皮帶輪主要為鑄鐵材質(zhì)，韌性差、脆性高，一旦高速旋轉(zhuǎn)很容易引發(fā)其碎裂，且其碎塊會(huì)沿著旋轉(zhuǎn)方向的切線方向飛出，很容易對(duì)周圍人員造成傷害。

為解決該問題，大慶油田采用了塑性、韌性更高，抗沖擊性能更好的鋼制輪，替代了傳統(tǒng)的鑄鐵皮帶輪，由于其脆性大幅度降低，韌性提高，即便出現(xiàn)失速，也不易碎裂，有效防止了“碎塊飛出”情況的發(fā)生。安