偏置式螺杆泵驱动装置的应用

王迪李和懿王艳文

（1.大庆油田供水公司；2.东北石油大学；3.大庆文迪电气科技有限公司）

偏置式螺杆泵驱动装置的应用

王迪1李和懿2王艳文3

（1.大庆油田供水公司；2.东北石油大学；3.大庆文迪电气科技有限公司）

介绍了文中对螺杆泵驱动装置的历史和现状，指出了目前螺杆泵驱动装置存在的问题，详述了偏置式螺杆泵驱动装置的工作原理和技术特征。该装置具有体积小、匹配电动机功率低、工艺技术成熟等优势，它不仅满足油田生产的需要，而且能使油田企业节电效果非常显著。

螺杆泵 转子 驱动装置 应用

螺杆泵作为一种新型的机采举升方式，在国内外应用日益广泛。它主要由两部分组成：地下部分是定子和抽油杆相连的转子；地面部分是与井口部分相连接的驱动装置。由于这种采油装置体积小，无泄漏，无污染，绿色环保，安全可靠，耗能少，安装方便，能对稠油、高含气、含砂油进行开采，适合闹市区、居民区安装。

1 螺杆泵驱动装置的历史和现状

螺杆泵问世于20世纪30年代，莫伊诺（Mouneau）在法国首先获得了螺杆泵的第一个专利。美国最早把螺杆泵应用于机采举升；从1936年起，就开始从事深井采油用螺杆泵的尝试和研究；20世纪50年代中期，又应用螺杆泵的原理开发钻井用的螺杆泵钻具，并由Smith International公司率先取得成功，命名为DynaDrill。前苏联的全部石油地质储量中，有一半是高黏油，用常规方法（有杆泵和电动潜油离心泵）难以开采；20世纪50年代末，设计出井下驱动的三螺杆泵，用来开采稠油。法国虽然是最先制造螺杆泵的国家，但把它应用到石油工业上却较晚；20世纪60年代末，才在Solaief矿场完成井下采油螺杆泵的台架实验和取得开采高黏原油现场实验的成功。

Robbins&Myers公司是美国制造井下螺杆泵历史最长和技术力量最雄厚的厂家，在生产井下采油螺杆泵的同时，仍坚持不懈地进行用高强度抽油杆替代潜油电动机的地面驱动螺杆泵的研究，累计耗资数千万美元。尽管其间几经波折，曾一度停顿10多年，但终于在20世纪80年代一举成功。地面驱动螺杆泵不用井下潜油电动机和电缆，将动力源由井下移到地面，直接用加强级抽油杆传递旋转动力，这样与常规抽油机——杆式泵采油系统相比，大幅度地降低了成本和故障率。地面驱动螺杆泵的成功是现代采油技术上的一大突破。

我国从20世纪80年代中期将螺杆泵引入到油田生产当中，1986年大庆油田从加拿大Griffin公司引进螺杆泵在油田试用，从此国内厂家便开始了较系统地研制井下采油螺杆泵。然而，传统的螺杆泵地面驱动装置（简称常规驱动头）是由电动机通过皮带轮带动双面螺旋齿轮，由输出轴带动抽油杆旋转驱动螺杆泵实现抽吸井下流体。常规驱动头存在皮带轮间接驱动螺杆泵工作，启动扭矩大，功率损耗大，系统效率低。其制动采用棘轮刹车机构存在安全隐患，且由于双面螺旋齿传动存在转速受限（理论上≤8），影响螺杆泵这种举升方式的广泛应用[1]。

近年来，针对传统螺杆泵采油设备存在的问题，许多厂家研制开发了交流、直流电动机直接驱动螺杆泵采油的设备，即螺杆泵电动机直驱装置，该装置是采用低速空心轴电动机直接带动抽油杆旋转，通常选用12级或24级的同步电动机作为动力源，需要配备变频控制装置来控制电动机。其特点是结构形式简单，直接驱动，转速范围大，适合于高速，借助于变频易实现软启、软停。缺点是电动机体积大，成本高，能耗高，扭矩小，电动机维修困难，费用高。在油田使用过程中经常出现停井现象，增加作业次数。

2 目前螺杆泵驱动装置存在的问题

2.1 安全

现代社会强调以人为本，生产安全始终是油田管理的第一要素。常规螺杆泵驱动装置输入皮带轮（驱动头大轮）的连接强度偏低，3个M16的固定螺栓难于承受高扭矩的剪切应力，存在运转时发生飞轮的隐患；棘轮刹车装置的卸载需人工手动松开紧固螺栓来实现，当操作不当或紧固螺栓存在质量问题时易造成伤人事故。

2.2 效率

效率是降低生产成本的主要手段，常规螺杆泵驱动装置由于采用皮带间接传动，故此其传动效率明显低于直接驱动；常规驱动头的调速是更换皮带轮，而皮带轮传动的致命缺陷就是打滑、丢转，电动机输出扭矩损失严重，只有靠增加电动机功率来弥补。因此，增加了一次性投入成本。

2.3 耗能

常规螺杆泵驱动装置由于采用皮带传动，存在动力损失，因此匹配的电动机功率偏大，能耗相对较高，增加了采油成本。

2.4 成本

螺杆泵电动机直驱装置选用12级或24级的同步电动机作为动力源，电动机输出轴是空心的，转子加粗，定子加大，电动机整体增大，增加了制造成本。

2.5 扭矩

常规驱动头由于其传动比受限，因而它需要增加扭矩，只能匹配大功率的电动机；当匹配的电动机功率一定时，其输出扭矩就相对较小。电动机直驱装置由于靠电动机直接驱动抽油杆转动，因此其输出扭矩取决于电动机的极对数和功率；极对数越高其输出扭矩、电动机的体积就越大，这也就是为何直驱装置通常使用12极或24级电机的缘故。即便如此，对于定功率的直驱装置而言，其输出转矩还是远低于常规驱动头，缘由是直驱装置缺少减速机（扭矩放大器）。

2.6 维修

螺杆泵电动机直驱装置电动机体积大，一旦电动机出现故障，必须将其拆下进行维修，困难大费用极高。

基于上述螺杆泵驱动装置存在的问题，最新研制生产的偏置式螺杆泵驱动装置，既为油田提供了新的高效节能的螺杆泵驱动装置，又填补了国内机械直驱的空白。

3 偏置式螺杆泵驱动装置工作原理

最新研制生产的偏置式螺杆泵驱动装置（图1），应用小功率电动机直接驱动高效平面传动机构带动光杆转动。由于高效平面传动机构的传动比范围大，且体积小、匹配电动机功率低，制造工艺技术成熟，由此实现了常规螺杆泵驱动装置与电动机直驱螺杆泵的优势结合。

1）电动机与驱动装置连为一体，输出为空心轴直接套装在螺杆泵的驱动杆上，由方卡子直接和空心轴连接，驱动螺杆泵旋转。

2）密封方式为波纹管机械密封，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。

3）偏置式螺杆泵驱动装置改变了伞齿轮传动的方式，改由硬齿面斜齿轮传动，没有了伞齿轮传动比的限制，增加了驱动装置速度的选择范围。

4）偏置式螺杆泵驱动装置采用的硬齿面斜齿轮经过高频淬火，齿轮强度大，装置体积小，使用寿命长。

5）由于电动机和驱动装置为一体，机械效率大幅提高，减少了由于皮带损坏造成的经济损失及维护成本。

6）由于驱动装置传动部件外露部分少，维护的工作量减少，工人的劳动强度降低，操作简单安全，同时也提高了设备的利用率。

7）由于采用直接驱动，且采用了高减速比的平面减速机构，有效降低了装机功率，同时确保了高扭矩的输出，达到了节能的目的。

4 偏置式螺杆泵驱动装置技术特点

偏置式螺杆泵驱动装置技术特点[2]包括以下几个方面。

1）应用高效平面斜齿轮传动减速机构。

◇高效平面传动机构的传动比可大于15，匹配电动机小，输出扭矩高。

◇与双面锥齿轮相比，平面斜齿轮具有结构简单、速比范围宽、适用范围广的优势。

◇平面斜齿轮明显优于圆锥齿轮传动，其输出最高转速可达到600 r/min。

◇高效平面传动减速机构，以其性能稳定、速比范围宽、适用范围广的绝对优势，可适应不同性能螺杆泵的需求，为今后实现不同种类螺杆泵驱动装置的个性化设计提供了广阔的空间。

2）利用永磁电动机固有特性，实现自动防反转卸载软刹车技术。

软刹车技术属于抑制型控制方式,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（或系统失电），泵杆弹性释放，会拖动永磁电动机反转，接通刹车电阻。泵杆反转的加速度越大，电阻吸收的能量就越多，即发电制动力就越大，最终使泵杆回到初始状态；同时，螺杆泵下次启动时，初始启动力矩很小，便于启动,修井作业也不会出现反转问题，可有效避免抽油杆脱扣及机械损坏甚至人身伤害事故。

3）专用控制柜功能强大。

采用安装矢量变频器的专用控制装置，配合其自动控制软件，实现了如下功能：

◇变频调速时其扭矩恒定，从而确保了减速机构在不同转速下具有足够的工作扭矩；

◇自动控制软件实现了软启、软停及停机后自动释放扭矩的功能；

◇自动控制软件依据电动机的工作电流变化情况，可以对参数调整情况做出提示；

◇完善的保护功能可确保电动机安全、平稳的运行。

4）保留了性能稳定的机械密封装置与常规驱动头的通用。

5 偏置式螺杆泵驱动装置市场前景及经济、社会效益分析

目前，由于螺杆泵的应用越来越广泛，市场占有率越来越高，国内正在使用的螺杆泵产品已达2×104台左右。按每年递增30%～50%计算，全国油田市场每年需要该产品的数量大约在6 000～10 000台左右；按年产6 000台的保守估算，预计产值5×108～6×108元左右；按每台节能2×104元/a计算，可为企业节约用电费用1.2×108元左右。因此，偏置式螺杆泵驱动装置必将成为未来螺杆泵驱动的首选设备。

综上所述，偏置式螺杆泵驱动装置比电动机直驱、常规螺杆泵驱动装置有着明显的优势，可以使油井平稳、匀速、安全、可靠的运行，满足生产需要的同时，又大幅度节约电量，使油井实现经济开采。偏置式螺杆泵驱动装置是目前所有螺杆泵驱动装置中比较先进的一种，在国内居于领先地位，发展前景可观。

[1]易先忠,钟守炎.地面驱动螺杆泵的性能特征与发展前景[J].钻采工艺，1995.

[2]张建伟.井下采油单螺杆泵的现状及发展[J].石油机械,2000.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.10.010

王迪，2009年毕业于黑龙江大学，助理工程师，从事节能仪器、水表检定工作，E-mail：wd15904593381@163.com，地址：大庆油田供水公司水表厂，163000。

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