大慶油田質量安全環(huán)保監(jiān)督評價中心 戴建輝｜文

螺桿泵井是油田采油廠常用的一種采油設備，主要通過地面驅動設備提供舉升動力將原油從井底采出至地面。與抽油機舉升工藝相比，螺桿泵井設備具有投資低、能耗低、噪聲小、占地小等特點。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

在實踐中，地面驅動反轉失速是企業(yè)應用螺桿泵井過程中較為常見的安全問題之一。對此，大慶油田在控制螺桿泵地面驅動反轉失速技術方面做了大量工作，但由于違章、外界環(huán)境影響等因素，因“反轉失速”而引發(fā)的安全問題仍時有發(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動原理及失速起因，結合失速后現(xiàn)象，從現(xiàn)場實際問題入手，應用光桿防斷裝置、控制外露長度、更換防護罩、應用鋼質輪等安全措施，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。

反轉失速起因簡述

圖1為一口典型普通螺桿泵地面驅動設備及井內管柱的工藝圖。其中，地面驅動設備由電機、皮帶輪、減速器等組成。井內管柱由油管、抽油桿、螺桿泵（包括定子、轉子）、管錨等組成。地面電機通過皮帶減速器減速提扭，帶動抽油桿以一般不大于150轉/分鐘的速度旋轉。隨著抽油桿轉動，泵內定轉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?shù)孛嬖O備停止時，由于傳遞扭矩抽油桿變形需要復原，此時井口觀察結果為光桿反向旋轉；同時，油管內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，并帶動螺桿泵泵內轉子轉動，使液柱勢能不斷轉化為轉子轉動機械能，不斷加速反轉，最后轉子會通過抽油桿帶動地面光桿高速反轉失速失控。

危害控制

盡管大慶油田針對螺桿泵失速問題進行了大量系統(tǒng)研究，前后應用了機械式、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，“反轉失速”的風險仍然存在，不管概率多低，危險仍有可能發(fā)生。對此，在積極預防相關問題出現(xiàn)的同時，大慶油田將失速問題發(fā)生時如何降低其危害程度作為了一項重點解決工作。

圖2 驅動裝置結構圖

圖3 驅動裝置結構圖

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

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，防噴盒下面是減速箱輸出軸，當電機啟動后，減速箱輸出軸會帶動方卡子和光桿一起運動，進而驅動井下螺桿泵運動，完成抽吸排液（設備位置如圖2所示）。當螺桿泵反轉失速時，光桿會高速轉動并上行，帶起方卡子從電機上平面一同頂出，離心旋轉產(chǎn)生離心力會導致光桿某一脆點斷裂，進而飛出井筒，飛向地面，傷及周圍工作人員。

對此，大慶油田工程人員為解決該問題，應用了“光桿防斷”裝置。該裝置主要由光桿承重螺母、護套和光桿卡子組成，其結構如圖3所示，原理如下：

常用的光桿卡子同時具有橫牙和豎牙，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牛·米時）。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)過改進后，光桿卡子沒有橫牙只有豎牙，完全克服了上述弊端。同時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，相當于加大了光桿的外徑，大大增加了光桿的抗彎強度。經(jīng)室內實驗，不加支撐套時，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僅偏斜2°，由此可見，其“防彎”效果很好。

光桿彎曲，防護罩碎，鐵片高速飛出

通常來說，光桿的標準長度為9～10米。下桿柱完井時，上提防沖距后，方卡子上部外露的遺留長度無法人為干預，根據(jù)實踐經(jīng)驗，現(xiàn)場外露長度有長有短，一般控制在1米以內。當反轉失速時，外露光桿會在離心機作用下被甩彎，此時方卡子處剛度最大，被甩彎的外露光桿會以方卡為軸心作平面旋轉運動，并與周圍的鐵質防護罩發(fā)生撞擊，通常會將防護罩撞碎，碎片則會飛向井口四周，對周圍設備和人員造成傷害。

為解決該問題，大慶油田的技術人員主要從以下3個方面入手：一是減少光桿外露長度，使其即使甩彎，也不會撞擊防護罩。主要是在現(xiàn)場采用0.5～1.5米的抽油桿短節(jié)調整光桿外露長度，使其不高于0.3米，有時反復調節(jié)均達不到要求時，也會采取氣割割短。二是用橡膠材質防護罩代替鐵質護罩，使其不易被撞碎撞飛，即使撞擊飛出也不會碎裂，且材質輕、動能低，能夠有效降低危害后果。三是嚴格控制護罩和光桿間距，重點防止護罩固定點不合理、護罩過小或護罩歪斜，保證其和光桿間保持較大間距，并保持護罩整體高度與光桿卡子的上平面對齊（太低護罩起不到作用，太高有被撞擊隱患）。

皮帶輪甩碎，碎塊飛出

通常來說，在電機正常運動時，其能量傳遞順序為電機—主軸皮帶輪—側軸皮帶輪—減速箱—光桿—螺桿泵轉子，而當出現(xiàn)反轉失速時，能量傳遞則正相反，側軸大皮帶輪會被光桿通過減速器帶動快速旋轉，皮帶輪主要為鑄鐵材質，韌性差、脆性高，一旦高速旋轉很容易引發(fā)其碎裂，且其碎塊會沿著旋轉方向的切線方向飛出，很容易對周圍人員造成傷害。

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