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(duì)）

常規(guī)驅(qū)動(dòng)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(duì)）

螺桿泵常規(guī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)停機(jī)后反轉(zhuǎn)能量不能完全釋放，存儲(chǔ)在桿柱上，若其采用的機(jī)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(huì)失控，導(dǎo)致桿柱高速反轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)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(duì)上述問(wèn)題，文中提出集成“常規(guī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)與直驅(qū)驅(qū)動(dòng)技術(shù)”的優(yōu)勢(shì)于一體，研制一種新型螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)技術(shù)，并且提出在常規(guī)螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置的改造中應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)。這樣，不僅可以解決常規(guī)驅(qū)動(dòng)的安全問(wèn)題，而且能夠適當(dāng)降低舉升能耗。

螺桿泵 驅(qū)動(dòng) 扭矩 永磁同步電動(dòng)機(jī)

1 問(wèn)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(jiǎn)單、便于維護(hù)和生產(chǎn)管理等優(yōu)點(diǎn)[2]，目前國(guó)內(nèi)外油田在用的螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備中絕大多數(shù)采用皮帶和齒輪兩級(jí)減速，即常規(guī)螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)技術(shù)，該技術(shù)運(yùn)用棘輪-棘爪機(jī)械式防反轉(zhuǎn)技術(shù)。停機(jī)后反轉(zhuǎn)能量不能完全釋放，存儲(chǔ)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(huì)失控，桿柱中儲(chǔ)存的能量瞬間釋放，導(dǎo)致桿柱產(chǎn)生高速反轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)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(kuò)大，相關(guān)配套工藝技術(shù)也在不斷完善。近兩年來(lái)，直驅(qū)螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)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(shì)，同時(shí)，也更好的提高了設(shè)備的安全性能。該技術(shù)采用先進(jìn)的能耗制動(dòng)防反轉(zhuǎn)技術(shù)，可安全平穩(wěn)的釋放掉桿柱中儲(chǔ)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(dòng)機(jī)構(gòu)，使得同等裝機(jī)功率條件下的額定扭矩要小于常規(guī)驅(qū)動(dòng)[3]，見(jiàn)表1。

表1 螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置額定扭矩對(duì)照表

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

2 偏置式螺桿泵驅(qū)動(dòng)技術(shù)思路

2.1 立式隔爆永磁同步電動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)與研制

偏置式螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)用小功率交流永磁電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)高效平面?zhèn)鲃?dòng)減速裝置，進(jìn)而通過(guò)光桿驅(qū)動(dòng)井下螺桿泵旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)原油舉升[4]。

交流永磁電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)思路：一是采用稀土永磁三相同步電動(dòng)機(jī)；二是采用立式安裝方式；三是電動(dòng)機(jī)使用防爆殼體；四是定子部分能夠與三相異步電動(dòng)機(jī)通用；五是開(kāi)發(fā)專用的非標(biāo)電動(dòng)機(jī)凸緣。

立式隔爆永磁同步電動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)為“同步轉(zhuǎn)子”的研制。采用稀土永磁電動(dòng)機(jī)磁路設(shè)計(jì)理論，通過(guò)優(yōu)化確定了轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而解決“同步轉(zhuǎn)子”的問(wèn)題。同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，不斷完善電動(dòng)機(jī)技術(shù)。最終，達(dá)到國(guó)家相關(guān)的永磁同步電動(dòng)機(jī)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 耐高壓井口機(jī)械密封機(jī)構(gòu)的研制

密封方式采用波紋管機(jī)械密封，密封效果好、壽命長(zhǎng)，直接安裝在驅(qū)動(dòng)裝置的上端，便于驅(qū)動(dòng)裝置的拆裝及維護(hù)。為進(jìn)一步提高波紋管機(jī)械密封的承壓能力，對(duì)其進(jìn)行了幾何尺寸和材質(zhì)的改進(jìn)，在優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，使其承壓能力能夠達(dá)到4.0 MPa，確保其安全工作的同時(shí)，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)需要。

2.3 高效平面專用減速機(jī)的開(kāi)發(fā)與研制

采用硬齒面斜齒輪傳動(dòng)減速裝置，增加了驅(qū)動(dòng)裝置速度的選擇范圍。并對(duì)硬齒面斜齒輪表面實(shí)施高頻硬化處理，提高其使用壽命。同時(shí)，開(kāi)發(fā)研制減速機(jī)構(gòu)專用殼體，對(duì)其內(nèi)部機(jī)構(gòu)實(shí)施保護(hù)。

2.4 能耗制動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

在防反轉(zhuǎn)技術(shù)上采用軟剎車(chē)技術(shù)，即在控制箱內(nèi)設(shè)有能耗電阻和獨(dú)立的剎車(chē)控制器，停機(jī)操作時(shí)，井下彈性釋能會(huì)拖動(dòng)永磁電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，接通剎車(chē)電阻，反轉(zhuǎn)速度越大，電阻吸收能量越多，發(fā)電制動(dòng)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(dòng)改造成偏置式螺桿泵驅(qū)動(dòng)技術(shù)方案

3.1將常規(guī)驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)改造為立式隔爆永磁同步電動(dòng)機(jī)

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

1）將原防爆電動(dòng)機(jī)機(jī)座更換成隔爆B5機(jī)座。最大限度地利用原常規(guī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的定子部分，僅更換主機(jī)座與前端蓋中的軸承，同時(shí)，重新開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)非標(biāo)的電動(dòng)機(jī)凸緣，方便立式隔爆永磁同步電動(dòng)機(jī)與平面減速機(jī)的連接。

2）研制專用的永磁同步轉(zhuǎn)子。其主要由高強(qiáng)度電動(dòng)機(jī)軸、矩形高磁通釹鐵硼磁鋼等組成。高強(qiáng)度電動(dòng)機(jī)軸的材質(zhì)選用40Cr，粗加工后要實(shí)施調(diào)質(zhì)處理，最終通過(guò)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(shí)施必要的機(jī)械加工后充磁而成，可耐溫達(dá)到110℃，退磁率≤0.3%。最后，采用機(jī)械方法將“釹鐵硼磁鋼”固定在高強(qiáng)度電動(dòng)機(jī)軸上，這樣，便完成了永磁同步轉(zhuǎn)子的研制。

3.2 采用先進(jìn)的波紋管式機(jī)械密封方式

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

3.3 將常規(guī)驅(qū)動(dòng)雙面螺旋齒減速機(jī)更換為高效平面減速機(jī)

常規(guī)驅(qū)動(dòng)采用雙面圓弧齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)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(dòng)取代雙面圓弧齒輪傳動(dòng)，可以提高傳動(dòng)比，進(jìn)而擴(kuò)大轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍。為延長(zhǎng)其使用壽命，減速機(jī)齒輪均要經(jīng)過(guò)高頻淬火。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

在1口井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，運(yùn)轉(zhuǎn)正常，系統(tǒng)效率提高了4.33個(gè)百分點(diǎn)，有功節(jié)電率達(dá)11.44%，見(jiàn)表2。

表2 9-2111節(jié)能效果對(duì)比

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

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

2）偏置式驅(qū)動(dòng)技術(shù)能夠有效解決目前直驅(qū)驅(qū)動(dòng)因井下扭矩增大過(guò)載停機(jī)問(wèn)題。

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

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

[2]韓修廷,王秀玲,焦振強(qiáng).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(duì)，163114。

2011-09-18)