陳志國

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司技術(shù)研發(fā)中心，黑龍江大慶 163000）

0 引言

在油田開采過程中需要使用大量先進的機械設(shè)備，其中螺桿泵的使用十分普遍。螺桿泵的運行水平與油田生產(chǎn)的安全性息息相關(guān)，也會對石油的開采效率造成較大影響。在進行油田開采的過程中，受多種因素影響容易造成螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)，這種情況不但會對螺桿泵設(shè)備造成極大的損害，也會增加安全事故的發(fā)生概率，引起嚴(yán)重后果。針對螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)問題，需要明確造成其反轉(zhuǎn)的主要原因，采取相應(yīng)的處理措施，以提高螺桿泵設(shè)備運行管理水平。

1 螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)原因及危害分析

1.1 螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)原因分析

在使用螺桿泵進行油田開采的過程中，螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)是比較常見的故障之一，造成螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)的原因比較復(fù)雜，其中最為主要的原因就是由于螺桿泵在運行中發(fā)生停機、卡泵等現(xiàn)象，使得桿柱變形扭曲，而此類變形扭曲的快速釋放就會引起螺桿泵井桿柱的反轉(zhuǎn)故障。具體而言，在螺桿泵設(shè)備運行過程中，如果突然停機或卡泵，在輸油管道和管線內(nèi)部滯留的高壓液體與管道內(nèi)部的井液壓之間就會產(chǎn)生一定的壓差，在壓力作用下驅(qū)使螺桿泵成為液壓螺桿馬達，帶動轉(zhuǎn)子和與轉(zhuǎn)子相連的桿柱快速反轉(zhuǎn)。

螺桿泵井桿柱的反轉(zhuǎn)會受油套壓差的影響，在反轉(zhuǎn)時間和反轉(zhuǎn)速度上表現(xiàn)出一定的差異性。一般而言，油套壓差越大，驅(qū)動螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)的速度越快，持續(xù)的時間越長，而隨著油套壓差逐漸下降，螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)的速度和持續(xù)的時間也會相應(yīng)下降，直至油套壓差趨于平衡，螺桿泵井桿柱的反轉(zhuǎn)也會逐漸消失。當(dāng)螺桿泵井桿柱出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象時，桿柱產(chǎn)生比較強烈的振動，如果在振動過程中產(chǎn)生共振現(xiàn)象，也就是螺桿泵井桿柱在反轉(zhuǎn)中的振動頻率與井口的自振頻率達到了同步，就會使得螺桿泵井桿柱的反轉(zhuǎn)速度在瞬間快速上升至最高速，在這種情況下就會引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，對作業(yè)現(xiàn)場造成極大的危害，甚至造成人員傷亡。

1.2 螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)的危害

螺桿泵井桿柱的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象受反轉(zhuǎn)速度和持續(xù)時間的影響，會產(chǎn)生不同程度的危害，情況嚴(yán)重的將會引發(fā)現(xiàn)場安全事故，造成十分嚴(yán)重的后果。具體而言，螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)所造成的危害主要表現(xiàn)為以下3 個方面：

（1）螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)會使桿柱脫離原位，造成螺桿泵井光桿甩動，在這種情況下會對螺桿泵設(shè)備造成較大的磨損，引起螺桿泵各裝置和零部件的損壞。

（2）在螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)的過程中，如果反轉(zhuǎn)速度過快、持續(xù)時間過長，會造成反轉(zhuǎn)部位的零部件溫度不斷升高，將井口的可燃氣體點燃，引發(fā)作業(yè)現(xiàn)場的爆炸事故，造成不可預(yù)估的嚴(yán)重后果。

（3）螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)如果不能有效控制，有可能造成皮帶輪破碎，破碎的皮帶輪在作業(yè)現(xiàn)場四處飛散，會對現(xiàn)場作業(yè)人員的人身安全造成傷害，破壞油田開采現(xiàn)場，降低油田開采效率，增加各類安全事故的發(fā)生概率。

2 螺桿泵井桿柱防反轉(zhuǎn)常用裝置

2.1 棘輪棘爪式防反轉(zhuǎn)裝置

此類防反轉(zhuǎn)裝置是借助于棘輪棘爪的單向回轉(zhuǎn)來達到防反轉(zhuǎn)的效果。具體而言，棘輪和棘爪借助于外嚙合的方式形成咬合，在螺桿泵驅(qū)動裝置正常運行的情況下，棘爪會受離心力的作用，與棘輪剎車帶相互脫離，在這種情況下防反轉(zhuǎn)裝置不會啟動；而當(dāng)螺桿泵在運行狀態(tài)下突然停機時，螺桿泵井桿柱在慣性作用下發(fā)生反轉(zhuǎn)，當(dāng)螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)時棘爪會受重力和彈簧力的作用，與棘輪的剎車帶嚙合，繼而啟動防反轉(zhuǎn)裝置，通過該裝置的摩擦力作用來消解螺桿泵井桿柱高速反轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的扭矩。

棘輪棘爪式防反轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)比較簡單，安裝比較便捷，裝置的整體造價較低，靈活性和操控性較強；但棘輪棘爪式防反轉(zhuǎn)裝置必須要在人為的近距離操作下才能啟動，如果操作不當(dāng)有可能造成摩擦面打滑，存在一定的安全隱患，并且在應(yīng)用棘輪棘爪式防反轉(zhuǎn)裝置的過程中會產(chǎn)生較大的噪聲，同時也會對裝置造成較大的沖擊和磨損，因此需要經(jīng)常更換部件。

2.2 摩擦式防反轉(zhuǎn)裝置

摩擦式防反轉(zhuǎn)裝置是由能夠識別正反轉(zhuǎn)的超越離合器和閘瓦制動器兩部分組成。在摩擦式防反轉(zhuǎn)裝置中，閘瓦與閘體通過鉚接的方式連接，兩個閘體分別拖緊外圈，在螺桿泵裝置正常運行的情況下，螺桿泵的驅(qū)動裝置處于正轉(zhuǎn)的狀態(tài)，也就是順時針方向的轉(zhuǎn)動，此時摩擦式防反轉(zhuǎn)裝置不會啟動；而當(dāng)螺桿泵在運行中突然停機造成反轉(zhuǎn)時，螺桿泵的驅(qū)動裝置呈現(xiàn)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)，此時滾柱會進入星輪與外環(huán)當(dāng)中，驅(qū)動該裝置產(chǎn)生作用，在阻尼作用的影響下對星輪的轉(zhuǎn)動進行限制，從而達到防反轉(zhuǎn)的效果[1]。但由于摩擦式防反轉(zhuǎn)裝置的操作需要人為控制，操作不當(dāng)很容易造成裝置失效，并且更換該裝置時還存在較大的安全隱患，因此目前在螺桿泵井的應(yīng)用較少。

2.3 楔塊防反轉(zhuǎn)裝置

楔塊防反轉(zhuǎn)裝置的工作原理是依據(jù)超越離合器的工作原理。具體而言，當(dāng)螺桿泵裝置正常運行時，螺桿泵井桿柱處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時該裝置中的楔塊呈現(xiàn)正常排列的狀態(tài)，與外環(huán)相互脫開，在這種情況下楔塊防反轉(zhuǎn)裝置不啟動；而當(dāng)螺桿泵在運行中突然停機時，螺桿泵井桿柱發(fā)生反轉(zhuǎn)，在反扭矩的情況下該裝置反方向旋轉(zhuǎn)，裝置內(nèi)的楔塊呈現(xiàn)反方向的排列，與外環(huán)互相鎖死，避免螺桿泵井桿柱的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

楔塊防反轉(zhuǎn)裝置的構(gòu)造比較簡單，易于安裝，操控性強，工作過程安全性高，不易引發(fā)安全事故，且該裝置的使用壽命較長，不需要經(jīng)常進行零部件的更換；但該裝置的缺點是不能從根本上解決螺桿泵井桿柱的反轉(zhuǎn)問題，在裝置發(fā)生作用的情況下，一旦反轉(zhuǎn)扭矩超過了楔塊所能夠承受的范圍，就會引起楔塊故障，造成裝置失靈，并且該裝置的日常維護存在諸多不便。

2.4 液壓式防反轉(zhuǎn)裝置

液壓式防反轉(zhuǎn)裝置的工作原理與汽車的剎車系統(tǒng)有一定的相似之處。當(dāng)螺桿泵裝置在運行中突然停機，螺桿泵井桿柱即將發(fā)生反轉(zhuǎn)時，液壓防反轉(zhuǎn)裝置中的液壓馬達就會啟動，裝置內(nèi)的摩擦塊通過液壓油驅(qū)動作用在剎車盤上，釋放出較大的反轉(zhuǎn)勢能，通過反轉(zhuǎn)勢能的作用達到消解螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)的目的。

液壓式防反轉(zhuǎn)裝置的應(yīng)用優(yōu)勢是該裝置的運行狀態(tài)穩(wěn)定性強，安全可靠，不會產(chǎn)生噪聲，也不會對現(xiàn)場的作業(yè)人員造成危害，且該裝置的維修、更換和日常的養(yǎng)護比較方便，不存在安全隱患，并且該裝置可以較徹底地解決螺桿泵井桿柱的反轉(zhuǎn)問題，保障螺桿泵裝置運行的安全性；液壓式防反轉(zhuǎn)裝置的缺點是整體造價較高，且對于液壓元件的品質(zhì)要求相對嚴(yán)格，因此后期維修和更換元件的費用也會相對較高，并且該裝置在運行過程中如果出現(xiàn)了油品變質(zhì)或漏油等情況，有可能對液壓防反轉(zhuǎn)裝置的性能造成影響，因此需要定期進行保養(yǎng)和維護。

3 應(yīng)對螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)的措施

3.1 研發(fā)與應(yīng)用更加安全可靠的防反轉(zhuǎn)裝置

通過對造成螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的原因進行深入分析可以得出，引起螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)的主要因素就是桿柱儲存的彈性勢能以及油套壓差的作用。針對螺桿泵井桿柱的反轉(zhuǎn)問題，如不能采取有效措施加以控制，在反轉(zhuǎn)速度較快、持續(xù)時間較長的情況下會產(chǎn)生一系列的嚴(yán)重后果，引發(fā)安全事故，對作業(yè)現(xiàn)場及人員造成極大的危害。因此，針對螺桿泵井桿柱的反轉(zhuǎn)問題，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)加強技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，在現(xiàn)有的防反轉(zhuǎn)裝置的基礎(chǔ)上進行升級和改進，研發(fā)與應(yīng)用更加安全可靠的防反轉(zhuǎn)裝置，確保在螺桿泵運行突然停機時可以安全釋放扭矩，有效消除油套壓差，減少因反轉(zhuǎn)作用造成的安全風(fēng)險。螺桿泵井桿柱防反轉(zhuǎn)的常用裝置，需要深入分析其工作原理及優(yōu)缺點，在此基礎(chǔ)上針對性地加以改進，從而提高防反轉(zhuǎn)裝置的穩(wěn)定性與可靠性，減少裝置使用中的安全風(fēng)險，最大限度地保障螺桿泵設(shè)備的運行安全。

3.2 應(yīng)用井下防倒流開關(guān)

井下防倒流開關(guān)的應(yīng)用可以有效應(yīng)對液力作用所引起的螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)問題。井下防倒流開關(guān)由盤、球、頂桿、銷釘、變徑接箍等部件組成，其在螺桿泵驅(qū)動裝置中的應(yīng)用可以減少螺桿泵在突然停機發(fā)生反轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生扭矩，降低反轉(zhuǎn)的速度，減少因油套壓差所引起的螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)問題。通過消解液力的作用來達到控制反轉(zhuǎn)的目的，同時也解決了桿柱脫扣的問題。防倒流開關(guān)的整體構(gòu)造比較簡單，造價較低，安裝也比較方便，目前已經(jīng)在油田開發(fā)工作中得到了比較廣泛的應(yīng)用，且井下防倒流開關(guān)的穩(wěn)定性強、可靠性高，應(yīng)用前景廣闊。

3.3 加強地面安全管理

為了有效控制螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)問題，不但要為螺桿泵設(shè)備配備相應(yīng)的防反轉(zhuǎn)裝置，還需要在地面工作中加強安全管理，做好安全防護措施，減少螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)造成的不良后果。具體措施：①相關(guān)人員需要做好螺桿泵設(shè)備的日常檢修、維護和保養(yǎng)工作，完善設(shè)備管理記錄，不斷積累經(jīng)驗，提高安全防范能力；②對螺桿泵設(shè)備的運行進行全程監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)螺桿泵運行中的異常情況，第一時間采取措施進行故障診斷和排查，減少反轉(zhuǎn)的發(fā)生概率；③制定完善的應(yīng)急處理預(yù)案，針對突發(fā)的螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)問題，應(yīng)立即啟動應(yīng)急處理方案，降低安全事故的發(fā)生概率。

4 結(jié)語

螺桿泵是油田生產(chǎn)中的重要設(shè)備，螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)會對油田生產(chǎn)造成不利影響，一旦發(fā)生安全事故將會造成嚴(yán)重后果。針對螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，需要結(jié)合造成反轉(zhuǎn)的具體原因采取相應(yīng)的處理措施，提高安全管理能力，減輕反轉(zhuǎn)引發(fā)的危害。