常规驱动螺杆泵偏置式改造技术研究

付尧（大庆油田有限责任公司第六采油厂工程技术大队）

常规驱动螺杆泵偏置式改造技术研究

付尧（大庆油田有限责任公司第六采油厂工程技术大队）

螺杆泵常规驱动技术停机后反转能量不能完全释放，存储在杆柱上，若其采用的机械式防反转装置中有部件损坏或失效不起作用，反转会失控，导致杆柱高速反转，同时带动地面设备高速旋转，发生“飞轮”，给人身安全造成危害[1]。针对上述问题，文中提出集成“常规驱动技术与直驱驱动技术”的优势于一体，研制一种新型螺杆泵地面驱动技术，并且提出在常规螺杆泵驱动装置的改造中应用该项技术。这样，不仅可以解决常规驱动的安全问题，而且能够适当降低举升能耗。

螺杆泵 驱动 扭矩 永磁同步电动机

1 问题的提出

在油田采油领域中，螺杆泵举升已经成为重要的人工举升方式之一。该举升工艺地面设备具有占地面积小、噪音低、结构简单、便于维护和生产管理等优点[2]，目前国内外油田在用的螺杆泵地面驱动设备中绝大多数采用皮带和齿轮两级减速，即常规螺杆泵地面驱动技术，该技术运用棘轮-棘爪机械式防反转技术。停机后反转能量不能完全释放，存储在杆柱上，若棘轮-棘爪防反转装置中有部件损坏或失效不起作用，反转就会失控，杆柱中储存的能量瞬间释放，导致杆柱产生高速反转，同时带动地面设备高速旋转，发生“飞轮”，给人身安全造成危害。

随着螺杆泵举升应用规模的不断扩大，相关配套工艺技术也在不断完善。近两年来，直驱螺杆泵地面驱动设备的应用更加突显出螺杆泵在节能方面的优势，同时，也更好的提高了设备的安全性能。该技术采用先进的能耗制动防反转技术，可安全平稳的释放掉杆柱中储存的能量，使安全性能更高，但该技术也存在不足，由于其取消了齿轮传动机构，使得同等装机功率条件下的额定扭矩要小于常规驱动[3]，见表1。

表1 螺杆泵驱动装置额定扭矩对照表

因此，提出集成“常规驱动技术与直驱驱动技术”的优势于一体，开发研制一种新型的螺杆泵地面驱动技术，即偏置式螺杆泵驱动技术，并且提出将在常规螺杆泵驱动装置的改造中应用该项技术，即将在用常规驱动装置改造成偏置式驱动装置。这样，不仅可以解决常规驱动的安全问题，而且能够适当降低举升能耗，同时，还可以有效改善上调参数带来的扭矩增大问题，对螺杆泵举升工艺更好更快地发展具有重要的现实意义。

2 偏置式螺杆泵驱动技术思路

2.1 立式隔爆永磁同步电动机的开发与研制

偏置式螺杆泵驱动装置应用小功率交流永磁电动机直接驱动高效平面传动减速装置，进而通过光杆驱动井下螺杆泵旋转，实现原油举升[4]。

交流永磁电动机设计思路：一是采用稀土永磁三相同步电动机；二是采用立式安装方式；三是电动机使用防爆壳体；四是定子部分能够与三相异步电动机通用；五是开发专用的非标电动机凸缘。

立式隔爆永磁同步电动机开发的重点为“同步转子”的研制。采用稀土永磁电动机磁路设计理论，通过优化确定了转子的结构形式，进而解决“同步转子”的问题。同时，根据试验结果，不断完善电动机技术。最终，达到国家相关的永磁同步电动机质量标准。

2.2 耐高压井口机械密封机构的研制

密封方式采用波纹管机械密封，密封效果好、寿命长，直接安装在驱动装置的上端，便于驱动装置的拆装及维护。为进一步提高波纹管机械密封的承压能力，对其进行了几何尺寸和材质的改进，在优化设计的基础上，通过反复试验，使其承压能力能够达到4.0 MPa，确保其安全工作的同时，可以满足现场的生产需要。

2.3 高效平面专用减速机的开发与研制

采用硬齿面斜齿轮传动减速装置，增加了驱动装置速度的选择范围。并对硬齿面斜齿轮表面实施高频硬化处理，提高其使用寿命。同时，开发研制减速机构专用壳体，对其内部机构实施保护。

2.4 能耗制动控制系统的开发

在防反转技术上采用软刹车技术，即在控制箱内设有能耗电阻和独立的刹车控制器，停机操作时，井下弹性释能会拖动永磁电动机反转，接通刹车电阻，反转速度越大，电阻吸收能量越多，发电制动力就越大，最终使泵杆回到初始状态，安全性能可靠。

3 常规螺杆泵驱动改造成偏置式螺杆泵驱动技术方案

3.1将常规驱动三相异步电动机改造为立式隔爆永磁同步电动机

为节约投入成本，结合我厂实际，最大限度地利用原常规驱动防爆电动机中可利用部件，将其改造成立式隔爆永磁同步电动机。

1）将原防爆电动机机座更换成隔爆B5机座。最大限度地利用原常规驱动电动机的定子部分，仅更换主机座与前端盖中的轴承，同时，重新开发设计非标的电动机凸缘，方便立式隔爆永磁同步电动机与平面减速机的连接。

2）研制专用的永磁同步转子。其主要由高强度电动机轴、矩形高磁通钕铁硼磁钢等组成。高强度电动机轴的材质选用40Cr，粗加工后要实施调质处理，最终通过精加工完成制造；而矩形高磁通钕铁硼磁钢是使用专用模具铸造钕铁硼磁钢原材，实施必要的机械加工后充磁而成，可耐温达到110℃，退磁率≤0.3%。最后，采用机械方法将“钕铁硼磁钢”固定在高强度电动机轴上，这样，便完成了永磁同步转子的研制。

3.2 采用先进的波纹管式机械密封方式

将卧式驱动中小弹簧机械密封改为波纹管机械密封，密封效果更好，寿命更长。

3.3 将常规驱动双面螺旋齿减速机更换为高效平面减速机

常规驱动采用双面圆弧齿轮传动，传动比不高，导致转速调节范围小。在改造中采用平面圆弧齿轮传动取代双面圆弧齿轮传动，可以提高传动比，进而扩大转速调节范围。为延长其使用寿命，减速机齿轮均要经过高频淬火。

4 现场试验情况

在1口井进行现场试验，运转正常，系统效率提高了4.33个百分点，有功节电率达11.44%，见表2。

表2 9-2111节能效果对比

5 结论与认识

1）在常规驱动装置改造中应用该项技术，最大限度地利用旧装置，可以实现节约投入成本，提高常规驱动的安全性能。

2）偏置式驱动技术能够有效解决目前直驱驱动因井下扭矩增大过载停机问题。

3）偏置式螺杆泵驱动技术结合了常规驱动技术和直驱驱动技术二者的优势，解决了常规驱动技术的安全问题，在适当降低举升能耗的同时，还可以有效改善直驱驱动技术额定扭矩不足的问题。

[1]张连山.螺杆泵采油系统技术发展现状与动向研究[J].石油机械，1994,22（1）:16－50.

[2]韩修廷,王秀玲,焦振强.螺杆泵采油原理及应用[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,1998:186-189.

[3]邹艳霞.采油工艺原理[M].北京:石油工业出版社,2006.

[4]陈涛平.胡靖邦.石油工程[M].北京:石油工业出版社,2000：328-335.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.09.009

付尧，2006年毕业于大庆石油学院，助理工程师，现从事螺杆泵相关技术研究，地址：大庆油田第六采油厂工程技术大队，163114。

2011-09-18)