王迪李和懿王艷文

（1.大慶油田供水公司；2.東北石油大學(xué)；3.大慶文迪電氣科技有限公司）

偏置式螺桿泵驅(qū)動裝置的應(yīng)用

王迪1李和懿2王艷文3

（1.大慶油田供水公司；2.東北石油大學(xué)；3.大慶文迪電氣科技有限公司）

介紹了文中對螺桿泵驅(qū)動裝置的歷史和現(xiàn)狀，指出了目前螺桿泵驅(qū)動裝置存在的問題，詳述了偏置式螺桿泵驅(qū)動裝置的工作原理和技術(shù)特征。該裝置具有體積小、匹配電動機(jī)功率低、工藝技術(shù)成熟等優(yōu)勢，它不僅滿足油田生產(chǎn)的需要，而且能使油田企業(yè)節(jié)電效果非常顯著。

螺桿泵 轉(zhuǎn)子 驅(qū)動裝置 應(yīng)用

螺桿泵作為一種新型的機(jī)采舉升方式，在國內(nèi)外應(yīng)用日益廣泛。它主要由兩部分組成：地下部分是定子和抽油桿相連的轉(zhuǎn)子；地面部分是與井口部分相連接的驅(qū)動裝置。由于這種采油裝置體積小，無泄漏，無污染，綠色環(huán)保，安全可靠，耗能少，安裝方便，能對稠油、高含氣、含砂油進(jìn)行開采，適合鬧市區(qū)、居民區(qū)安裝。

1 螺桿泵驅(qū)動裝置的歷史和現(xiàn)狀

螺桿泵問世于20世紀(jì)30年代，莫伊諾（Mouneau）在法國首先獲得了螺桿泵的第一個專利。美國最早把螺桿泵應(yīng)用于機(jī)采舉升；從1936年起，就開始從事深井采油用螺桿泵的嘗試和研究；20世紀(jì)50年代中期，又應(yīng)用螺桿泵的原理開發(fā)鉆井用的螺桿泵鉆具，并由Smith International公司率先取得成功，命名為DynaDrill。前蘇聯(lián)的全部石油地質(zhì)儲量中，有一半是高黏油，用常規(guī)方法（有桿泵和電動潛油離心泵）難以開采；20世紀(jì)50年代末，設(shè)計出井下驅(qū)動的三螺桿泵，用來開采稠油。法國雖然是最先制造螺桿泵的國家，但把它應(yīng)用到石油工業(yè)上卻較晚；20世紀(jì)60年代末，才在Solaief礦場完成井下采油螺桿泵的臺架實驗和取得開采高黏原油現(xiàn)場實驗的成功。

Robbins&Myers公司是美國制造井下螺桿泵歷史最長和技術(shù)力量最雄厚的廠家，在生產(chǎn)井下采油螺桿泵的同時，仍堅持不懈地進(jìn)行用高強(qiáng)度抽油桿替代潛油電動機(jī)的地面驅(qū)動螺桿泵的研究，累計耗資數(shù)千萬美元。盡管其間幾經(jīng)波折，曾一度停頓10多年，但終于在20世紀(jì)80年代一舉成功。地面驅(qū)動螺桿泵不用井下潛油電動機(jī)和電纜，將動力源由井下移到地面，直接用加強(qiáng)級抽油桿傳遞旋轉(zhuǎn)動力，這樣與常規(guī)抽油機(jī)——桿式泵采油系統(tǒng)相比，大幅度地降低了成本和故障率。地面驅(qū)動螺桿泵的成功是現(xiàn)代采油技術(shù)上的一大突破。

我國從20世紀(jì)80年代中期將螺桿泵引入到油田生產(chǎn)當(dāng)中，1986年大慶油田從加拿大Griffin公司引進(jìn)螺桿泵在油田試用，從此國內(nèi)廠家便開始了較系統(tǒng)地研制井下采油螺桿泵。然而，傳統(tǒng)的螺桿泵地面驅(qū)動裝置（簡稱常規(guī)驅(qū)動頭）是由電動機(jī)通過皮帶輪帶動雙面螺旋齒輪，由輸出軸帶動抽油桿旋轉(zhuǎn)驅(qū)動螺桿泵實現(xiàn)抽吸井下流體。常規(guī)驅(qū)動頭存在皮帶輪間接驅(qū)動螺桿泵工作，啟動扭矩大，功率損耗大，系統(tǒng)效率低。其制動采用棘輪剎車機(jī)構(gòu)存在安全隱患，且由于雙面螺旋齒傳動存在轉(zhuǎn)速受限（理論上≤8），影響螺桿泵這種舉升方式的廣泛應(yīng)用[1]。

近年來，針對傳統(tǒng)螺桿泵采油設(shè)備存在的問題，許多廠家研制開發(fā)了交流、直流電動機(jī)直接驅(qū)動螺桿泵采油的設(shè)備，即螺桿泵電動機(jī)直驅(qū)裝置，該裝置是采用低速空心軸電動機(jī)直接帶動抽油桿旋轉(zhuǎn)，通常選用12級或24級的同步電動機(jī)作為動力源，需要配備變頻控制裝置來控制電動機(jī)。其特點是結(jié)構(gòu)形式簡單，直接驅(qū)動，轉(zhuǎn)速范圍大，適合于高速，借助于變頻易實現(xiàn)軟啟、軟停。缺點是電動機(jī)體積大，成本高，能耗高，扭矩小，電動機(jī)維修困難，費用高。在油田使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)停井現(xiàn)象，增加作業(yè)次數(shù)。

2 目前螺桿泵驅(qū)動裝置存在的問題

2.1 安全

現(xiàn)代社會強(qiáng)調(diào)以人為本，生產(chǎn)安全始終是油田管理的第一要素。常規(guī)螺桿泵驅(qū)動裝置輸入皮帶輪（驅(qū)動頭大輪）的連接強(qiáng)度偏低，3個M16的固定螺栓難于承受高扭矩的剪切應(yīng)力，存在運(yùn)轉(zhuǎn)時發(fā)生飛輪的隱患；棘輪剎車裝置的卸載需人工手動松開緊固螺栓來實現(xiàn)，當(dāng)操作不當(dāng)或緊固螺栓存在質(zhì)量問題時易造成傷人事故。

2.2 效率

效率是降低生產(chǎn)成本的主要手段，常規(guī)螺桿泵驅(qū)動裝置由于采用皮帶間接傳動，故此其傳動效率明顯低于直接驅(qū)動；常規(guī)驅(qū)動頭的調(diào)速是更換皮帶輪，而皮帶輪傳動的致命缺陷就是打滑、丟轉(zhuǎn)，電動機(jī)輸出扭矩?fù)p失嚴(yán)重，只有靠增加電動機(jī)功率來彌補(bǔ)。因此，增加了一次性投入成本。

2.3 耗能

常規(guī)螺桿泵驅(qū)動裝置由于采用皮帶傳動，存在動力損失，因此匹配的電動機(jī)功率偏大，能耗相對較高，增加了采油成本。

2.4 成本

螺桿泵電動機(jī)直驅(qū)裝置選用12級或24級的同步電動機(jī)作為動力源，電動機(jī)輸出軸是空心的，轉(zhuǎn)子加粗，定子加大，電動機(jī)整體增大，增加了制造成本。

2.5 扭矩

常規(guī)驅(qū)動頭由于其傳動比受限，因而它需要增加扭矩，只能匹配大功率的電動機(jī)；當(dāng)匹配的電動機(jī)功率一定時，其輸出扭矩就相對較小。電動機(jī)直驅(qū)裝置由于靠電動機(jī)直接驅(qū)動抽油桿轉(zhuǎn)動，因此其輸出扭矩取決于電動機(jī)的極對數(shù)和功率；極對數(shù)越高其輸出扭矩、電動機(jī)的體積就越大，這也就是為何直驅(qū)裝置通常使用12極或24級電機(jī)的緣故。即便如此，對于定功率的直驅(qū)裝置而言，其輸出轉(zhuǎn)矩還是遠(yuǎn)低于常規(guī)驅(qū)動頭，緣由是直驅(qū)裝置缺少減速機(jī)（扭矩放大器）。

2.6 維修

螺桿泵電動機(jī)直驅(qū)裝置電動機(jī)體積大，一旦電動機(jī)出現(xiàn)故障，必須將其拆下進(jìn)行維修，困難大費用極高。

基于上述螺桿泵驅(qū)動裝置存在的問題，最新研制生產(chǎn)的偏置式螺桿泵驅(qū)動裝置，既為油田提供了新的高效節(jié)能的螺桿泵驅(qū)動裝置，又填補(bǔ)了國內(nèi)機(jī)械直驅(qū)的空白。

3 偏置式螺桿泵驅(qū)動裝置工作原理

最新研制生產(chǎn)的偏置式螺桿泵驅(qū)動裝置（圖1），應(yīng)用小功率電動機(jī)直接驅(qū)動高效平面?zhèn)鲃訖C(jī)構(gòu)帶動光桿轉(zhuǎn)動。由于高效平面?zhèn)鲃訖C(jī)構(gòu)的傳動比范圍大，且體積小、匹配電動機(jī)功率低，制造工藝技術(shù)成熟，由此實現(xiàn)了常規(guī)螺桿泵驅(qū)動裝置與電動機(jī)直驅(qū)螺桿泵的優(yōu)勢結(jié)合。

1）電動機(jī)與驅(qū)動裝置連為一體，輸出為空心軸直接套裝在螺桿泵的驅(qū)動桿上，由方卡子直接和空心軸連接，驅(qū)動螺桿泵旋轉(zhuǎn)。

2）密封方式為波紋管機(jī)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(hù)。

3）偏置式螺桿泵驅(qū)動裝置改變了傘齒輪傳動的方式，改由硬齒面斜齒輪傳動，沒有了傘齒輪傳動比的限制，增加了驅(qū)動裝置速度的選擇范圍。

4）偏置式螺桿泵驅(qū)動裝置采用的硬齒面斜齒輪經(jīng)過高頻淬火，齒輪強(qiáng)度大，裝置體積小，使用壽命長。

5）由于電動機(jī)和驅(qū)動裝置為一體，機(jī)械效率大幅提高，減少了由于皮帶損壞造成的經(jīng)濟(jì)損失及維護(hù)成本。

6）由于驅(qū)動裝置傳動部件外露部分少，維護(hù)的工作量減少，工人的勞動強(qiáng)度降低，操作簡單安全，同時也提高了設(shè)備的利用率。

7）由于采用直接驅(qū)動，且采用了高減速比的平面減速機(jī)構(gòu)，有效降低了裝機(jī)功率，同時確保了高扭矩的輸出，達(dá)到了節(jié)能的目的。

4 偏置式螺桿泵驅(qū)動裝置技術(shù)特點

偏置式螺桿泵驅(qū)動裝置技術(shù)特點[2]包括以下幾個方面。

1）應(yīng)用高效平面斜齒輪傳動減速機(jī)構(gòu)。

◇高效平面?zhèn)鲃訖C(jī)構(gòu)的傳動比可大于15，匹配電動機(jī)小，輸出扭矩高。

◇與雙面錐齒輪相比，平面斜齒輪具有結(jié)構(gòu)簡單、速比范圍寬、適用范圍廣的優(yōu)勢。

◇平面斜齒輪明顯優(yōu)于圓錐齒輪傳動，其輸出最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到600 r/min。

◇高效平面?zhèn)鲃訙p速機(jī)構(gòu)，以其性能穩(wěn)定、速比范圍寬、適用范圍廣的絕對優(yōu)勢，可適應(yīng)不同性能螺桿泵的需求，為今后實現(xiàn)不同種類螺桿泵驅(qū)動裝置的個性化設(shè)計提供了廣闊的空間。

2）利用永磁電動機(jī)固有特性，實現(xiàn)自動防反轉(zhuǎn)卸載軟剎車技術(shù)。

軟剎車技術(shù)屬于抑制型控制方式,在控制箱內(nèi)設(shè)有能耗電阻和獨立的剎車控制器。停機(jī)操作時（或系統(tǒng)失電），泵桿彈性釋放，會拖動永磁電動機(jī)反轉(zhuǎn)，接通剎車電阻。泵桿反轉(zhuǎn)的加速度越大，電阻吸收的能量就越多，即發(fā)電制動力就越大，最終使泵桿回到初始狀態(tài)；同時，螺桿泵下次啟動時，初始啟動力矩很小，便于啟動,修井作業(yè)也不會出現(xiàn)反轉(zhuǎn)問題，可有效避免抽油桿脫扣及機(jī)械損壞甚至人身傷害事故。

3）專用控制柜功能強(qiáng)大。

采用安裝矢量變頻器的專用控制裝置，配合其自動控制軟件，實現(xiàn)了如下功能：

◇變頻調(diào)速時其扭矩恒定，從而確保了減速機(jī)構(gòu)在不同轉(zhuǎn)速下具有足夠的工作扭矩；

◇自動控制軟件實現(xiàn)了軟啟、軟停及停機(jī)后自動釋放扭矩的功能；

◇自動控制軟件依據(jù)電動機(jī)的工作電流變化情況，可以對參數(shù)調(diào)整情況做出提示；

◇完善的保護(hù)功能可確保電動機(jī)安全、平穩(wěn)的運(yùn)行。

4）保留了性能穩(wěn)定的機(jī)械密封裝置與常規(guī)驅(qū)動頭的通用。

5 偏置式螺桿泵驅(qū)動裝置市場前景及經(jīng)濟(jì)、社會效益分析

目前，由于螺桿泵的應(yīng)用越來越廣泛，市場占有率越來越高，國內(nèi)正在使用的螺桿泵產(chǎn)品已達(dá)2×104臺左右。按每年遞增30%～50%計算，全國油田市場每年需要該產(chǎn)品的數(shù)量大約在6 000～10 000臺左右；按年產(chǎn)6 000臺的保守估算，預(yù)計產(chǎn)值5×108～6×108元左右；按每臺節(jié)能2×104元/a計算，可為企業(yè)節(jié)約用電費用1.2×108元左右。因此，偏置式螺桿泵驅(qū)動裝置必將成為未來螺桿泵驅(qū)動的首選設(shè)備。

綜上所述，偏置式螺桿泵驅(qū)動裝置比電動機(jī)直驅(qū)、常規(guī)螺桿泵驅(qū)動裝置有著明顯的優(yōu)勢，可以使油井平穩(wěn)、勻速、安全、可靠的運(yùn)行，滿足生產(chǎn)需要的同時，又大幅度節(jié)約電量，使油井實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開采。偏置式螺桿泵驅(qū)動裝置是目前所有螺桿泵驅(qū)動裝置中比較先進(jìn)的一種，在國內(nèi)居于領(lǐng)先地位，發(fā)展前景可觀。

[1]易先忠,鐘守炎.地面驅(qū)動螺桿泵的性能特征與發(fā)展前景[J].鉆采工藝，1995.

[2]張建偉.井下采油單螺桿泵的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].石油機(jī)械,2000.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.10.010

王迪，2009年畢業(yè)于黑龍江大學(xué)，助理工程師，從事節(jié)能儀器、水表檢定工作，E-mail：wd15904593381@163.com，地址：大慶油田供水公司水表廠，163000。

2011-10-20)