地面驱动螺杆泵井反转失速控制

大庆油田质量安全环保监督评价中心 戴建辉｜文

螺杆泵井是油田采油厂常用的一种采油设备，主要通过地面驱动设备提供举升动力将原油从井底采出至地面。与抽油机举升工艺相比，螺杆泵井设备具有投资低、能耗低、噪声小、占地小等特点。目前，笔者所在单位大庆油田拥有超过4 000口螺杆泵井。

图1 螺杆泵采油举升工艺图

在实践中，地面驱动反转失速是企业应用螺杆泵井过程中较为常见的安全问题之一。对此，大庆油田在控制螺杆泵地面驱动反转失速技术方面做了大量工作，但由于违章、外界环境影响等因素，因“反转失速”而引发的安全问题仍时有发生，威胁着作业及人员安全。因此，大庆油田通过分析螺杆泵驱动原理及失速起因，结合失速后现象，从现场实际问题入手，应用光杆防断装置、控制外露长度、更换防护罩、应用钢质轮等安全措施，有效提高了螺杆泵井安全性，并大幅降低了其可能造成的危害程度，保障了作业安全。

反转失速起因简述

图1为一口典型普通螺杆泵地面驱动设备及井内管柱的工艺图。其中，地面驱动设备由电机、皮带轮、减速器等组成。井内管柱由油管、抽油杆、螺杆泵（包括定子、转子）、管锚等组成。地面电机通过皮带减速器减速提扭，带动抽油杆以一般不大于150转/分钟的速度旋转。随着抽油杆转动，泵内定转子的三维曲面配合形成密封腔，从泵下抽吸井液并向上源源不断生产至地面。

当地面设备停止时，由于传递扭矩抽油杆变形需要复原，此时井口观察结果为光杆反向旋转；同时，油管内液体与油套空间井液存在高差，根据连通原理，高的一端液体将向低的一端流动，并带动螺杆泵泵内转子转动，使液柱势能不断转化为转子转动机械能，不断加速反转，最后转子会通过抽油杆带动地面光杆高速反转失速失控。

危害控制

尽管大庆油田针对螺杆泵失速问题进行了大量系统研究，前后应用了机械式、液压式和电磁式多种类型的井口失速控制装置，较好地遏制了失速问题的发生。但不可否认，“反转失速”的风险仍然存在，不管概率多低，危险仍有可能发生。对此，在积极预防相关问题出现的同时，大庆油田将失速问题发生时如何降低其危害程度作为了一项重点解决工作。

图2 驱动装置结构图

图3 驱动装置结构图

根据多年实践，大庆油田将反转失速后危害的表现，归纳为“光杆上顶飞出”“光杆弯曲，防护罩碎，铁片高速飞出”“皮带轮甩碎，碎块飞出”3个类型，并基于对于失速后现象的分析，制定了相关控制措施。

光杆上顶飞出

目前，螺杆泵井的光杆主要是通过方卡子卡住并“坐”在防喷盒上的方形槽内，防喷盒下面是减速箱输出轴，当电机启动后，减速箱输出轴会带动方卡子和光杆一起运动，进而驱动井下螺杆泵运动，完成抽吸排液（设备位置如图2所示）。当螺杆泵反转失速时，光杆会高速转动并上行，带起方卡子从电机上平面一同顶出，离心旋转产生离心力会导致光杆某一脆点断裂，进而飞出井筒，飞向地面，伤及周围工作人员。

对此，大庆油田工程人员为解决该问题，应用了“光杆防断”装置。该装置主要由光杆承重螺母、护套和光杆卡子组成，其结构如图3所示，原理如下：

常用的光杆卡子同时具有横牙和竖牙，横牙承受轴向载荷，竖牙承受光杆扭矩。根据测算，横牙需承受的力约6万牛顿，竖牙承受的力仅为3.57万牛顿（光杆扭矩为1 000牛·米时）。为防止光杆脱落，只能按横牙的要求拧紧光杆，这就使光杆承受了本不该承受的竖牙损伤，在卡子根部受力状况不好而易断。经过改进后，光杆卡子没有横牙只有竖牙，完全克服了上述弊端。同时该工艺具有一定抗弯曲功能：支撑套外径Ф50毫米、下部尺寸为Ф80毫米，相当于加大了光杆的外径，大大增加了光杆的抗弯强度。经室内实验，不加支撑套时，0.5米长悬臂光杆在2 000牛顿的作用下约偏斜10°，同样条件加支撑套时仅偏斜2°，由此可见，其“防弯”效果很好。

光杆弯曲，防护罩碎，铁片高速飞出

通常来说，光杆的标准长度为9～10米。下杆柱完井时，上提防冲距后，方卡子上部外露的遗留长度无法人为干预，根据实践经验，现场外露长度有长有短，一般控制在1米以内。当反转失速时，外露光杆会在离心机作用下被甩弯，此时方卡子处刚度最大，被甩弯的外露光杆会以方卡为轴心作平面旋转运动，并与周围的铁质防护罩发生撞击，通常会将防护罩撞碎，碎片则会飞向井口四周，对周围设备和人员造成伤害。

为解决该问题，大庆油田的技术人员主要从以下3个方面入手：一是减少光杆外露长度，使其即使甩弯，也不会撞击防护罩。主要是在现场采用0.5～1.5米的抽油杆短节调整光杆外露长度，使其不高于0.3米，有时反复调节均达不到要求时，也会采取气割割短。二是用橡胶材质防护罩代替铁质护罩，使其不易被撞碎撞飞，即使撞击飞出也不会碎裂，且材质轻、动能低，能够有效降低危害后果。三是严格控制护罩和光杆间距，重点防止护罩固定点不合理、护罩过小或护罩歪斜，保证其和光杆间保持较大间距，并保持护罩整体高度与光杆卡子的上平面对齐（太低护罩起不到作用，太高有被撞击隐患）。

皮带轮甩碎，碎块飞出

通常来说，在电机正常运动时，其能量传递顺序为电机—主轴皮带轮—侧轴皮带轮—减速箱—光杆—螺杆泵转子，而当出现反转失速时，能量传递则正相反，侧轴大皮带轮会被光杆通过减速器带动快速旋转，皮带轮主要为铸铁材质，韧性差、脆性高，一旦高速旋转很容易引发其碎裂，且其碎块会沿着旋转方向的切线方向飞出，很容易对周围人员造成伤害。

为解决该问题，大庆油田采用了塑性、韧性更高，抗冲击性能更好的钢制轮，替代了传统的铸铁皮带轮，由于其脆性大幅度降低，韧性提高，即便出现失速，也不易碎裂，有效防止了“碎块飞出”情况的发生。安