多功能机杆泵保护器的研制与应用

剪树旭（辽河油田分公司　钻采工艺研究院，辽宁　盘锦124010）

多功能机杆泵保护器的研制与应用

剪树旭
（辽河油田分公司钻采工艺研究院，辽宁盘锦124010）①

介绍了多功能机杆泵保护器的结构原理、技术参数及实现功能。该产品在一定程度上解决了杆管因偏磨、振动而导致的杆柱断脱及“三抽”设备因振动而损坏问题。在65口井的实施均取得成功，减少作业63井次，减少作业占产1 839 t，节约施工费用，年节电量约57．38×104k W·h。

机杆泵保护器；偏磨；保护；节能

目前，国内各大油田采油过程多数是以“三抽”设备（抽油机、抽油杆和抽油泵）为主的有杆抽油系统来实现的。但在实际工作中，有杆泵抽油系统因偏磨、振动的共同作用导致抽油杆柱断脱及抽油系统耗能增大。以辽河油田高升采油厂雷家区块为例，该区块是1990年以来陆续投产的稀油区块，油层埋藏较深，在1 950～2 650 m，区块内定向井居多，井斜角超过10°的占总井数55%以上。近年来，随着挖潜的不断深入，泵挂逐步加深，管、杆偏磨现象日趋严重，致使油管漏失、杆柱断脱井次增多，检泵周期下降，给生产带来了诸多负面影响。为此，针对偏磨问题，笔者在防磨及抗磨等方式上做了大量探索和实践，其中在抗磨方式上尝试过抽油杆扶正器及双向保护接箍，在防磨方式上尝试了多功能机杆泵保护器。该产品在柔性链的带动下可使抽油杆柱缓慢转动，使得抽油杆柱与油管内壁偏磨位置从15°扩大到360°，消除了因偏磨造成抽油杆柱的应力集中，减少杆柱断脱现象。根据试用效果，近年来重点对旋转防磨多功能机杆泵保护器做了推广，取得了良好的应用效果［1 2］。

1 多功能机杆泵保护器结构及原理

1．1 结构

多功能机杆泵保护器的结构如图1所示，储能碟簧的结构尺寸如图2所示。

图1 多功能机杆泵保护器结构

图2 储能碟簧结构

1．2 原理

1．2．1 抽油杆柱旋转原理

在抽油杆柱做上下往复运动过程中，利用驴头上下运动，通过一端固定于抽油机机体合适位置的柔性链带动离合器壳体进行一定角度的转动，离合器壳体通过钕铁硼永磁体吸附棘爪与棘轮相啮合，棘轮与一级蜗杆为键连接，这样离合器壳体转动的同时，一级蜗杆同步转动。一级蜗杆的蜗杆部分与一级蜗轮相啮合，一级蜗轮与二级蜗杆为键连接。二级蜗杆的蜗杆部分与蜗轮主轴的蜗轮部分相啮合，这样一级蜗杆的转动通过两级减速带动蜗轮主轴进行旋转。蜗轮主轴的蜗轮下部台阶坐落于承载轴承上，蜗轮主轴的上端面与储能碟簧相接触，复合轴承套套于蜗轮主轴的外圆和内孔处对蜗轮主轴起扶正作用。储能碟簧为2片碟簧背对背方式叠加，碟簧的上端面与摩擦盘的环形槽处平面相接触，摩擦盘上端面与方卡子相接触，阻挡螺钉可阻止摩擦盘上行。方卡子通过内部卡牙与光杆刚性连接，这样井下抽油杆柱及液柱重力通过方卡子加载于摩擦盘上，力通过摩擦盘、碟簧、蜗轮主轴承载轴承传导至壳体上。抽油机驴头通过绳辫子、钢坠与壳体相连接，最终壳体上的力由抽油机驴头承担。当柔性链带动离合器壳体进行一定角度的旋转时，此力得到多功能机杆泵保护器内部两级减速的放大后，经由摩擦盘、方卡子带动光杆进行转动。由于减速比达900，柔性链只需较小力即可驱动抽油杆柱进行极其缓慢的旋转［3 4］。

1．2．2 减震原理

减震功能由储能碟簧来实现，碟簧对能量具有一定的存储和释放功能。驴头上冲程负荷上升时，碟簧存储能量，驴头下冲程负荷下降时，碟簧释放能量，可减轻震动及液击对三抽设备的影响；于此同时，可使驴头悬点最大载荷减小，最小载荷略有上升，使得循环应力幅值变化小，抽油杆杆柱折算应力下降，有利延长杆柱寿命。

2 技术参数

配用光杆直径25，28，36 m m

额定工作载荷≤160 k N

光杆转速0．01～0．13（°）／冲次

长度410～540 m m

高度170～230 m m

壳体下端部外直径Ø160±20 m m

3 实现功能

3．1 防止抽油杆偏磨、脱扣

可使抽油杆柱产生缓慢的旋转，可有效防止抽油杆偏磨，避免了抽油杆因偏磨而发生的断脱；同时产生的顺时针方向旋转，也可以防止抽油杆因扭矩影响而产生的脱扣事故，从而延长油井检泵周期，有利于提高油井抽油时率，降低维护费用。

3．2 具有减震功能

碟簧对能量具有一定的存储和释放功能，驴头上冲程负荷上升时，存储能量，驴头下冲程负荷下降时，释放能量，可减轻振动及液击对三抽设备的影响。于此同时，可使驴头悬点最大负荷减小，最小负荷略有上升，使得循环应力幅值变化小，抽油杆杆柱折算应力下降，有利延长杆柱寿命。

3．3 具有节能效应

该产品通过能量的存储与释放，减轻了惯性及震动负荷对整个抽油系统的影响，实测示功图面积缩小，光杆功率有所下降。因此，该装置具有一定的节能效应，节电率达3%～7%［5］。

3．4 提高机采系统效率

机采效率［6］提高2%～4%。

4 关键技术

1） 因为井下工况极为复杂，较低的转速有利于旋转力矩均匀释放到底部抽油杆柱。多功能机杆泵保护器在悬绳器部位有限的空间内要实现抽油杆柱均匀、缓慢地旋转，因而设计了两级减速机构，减速比最高可达900，抽油杆柱转速最低可为0．01（°）／冲次，而单级减速结构的抽油杆柱转速最低仅为0．3（°）／冲次［7］。

2） 传统储能碟簧在一定变化范围内的交变应力作用下产生形变，其疲劳寿命一般在20～250万次。抽油机驴头上下运行频率按5 min－1计算，其交变应力的频率为259．2万次／年，可见传统碟簧使用11．58个月即发生失效，使用寿命较短，不利于该产品推广应用。现场多次试验发现，改变碟簧的局部结构尺寸可较大幅度延长碟簧使用寿命。如图2所示，创新型储能碟簧的平面端部与外圆交界处以圆角结构取代了传统储能碟簧的尖角结构并将底部设计成宽度为2 m m的平台。圆角结构降低了应力集中，宽度为2 m m的平台增强了碟簧的承载能力。现场应用证明创新型储能元件—碟簧使用寿命达到了1．5 a。

5 现场应用

辽河油田高升采油厂雷64 34 新28井，是雷64 块2004 07投产的一口油井，生产井段2 154～ 2 218 m，投产泵挂1 601 m。生产过程中，抽油杆偏磨较为严重，在未采取任何防磨措施条件下，泵挂1 601 m时检泵周期为505 d；2008 12，泵挂加深到1 799．8 m，偏磨加剧，检泵周期降到244 d；改下扶正器后，磨损状况有所缓解，检泵周期延长到了310 d；2010 11使用多功能机杆泵保护器后，检泵周期延长到了780 d以上，统计如表1。

表1 雷64 34 新28井作业施工统计

使用多功能机杆泵保护器后，震动及“液击”现象得到明显缓解。实施前后对比，最大载荷下降7．7 k N，最小载荷上升6．4 k N，循环应力幅下降，折算应力由91．4M Pa降至72．7M Pa，下降幅度20．5%。折算应力越低，越有利于延长杆柱使用寿命，如表2。

表2 雷64 34 新28井实施前后指标对比

同时，示功图面积减小，输入功率下降了1．02 k W，系统效率上升了2．86%，年节电量0．894×104k W·h。

根据井斜数据分析及作业跟踪结果，2011下半年后实施多功能机杆泵保护器65口井次，减少作业63井次，减少作业占产1 839 t，节约施工费用¥178．56万元，年节电量57．38×104k W·h。

6 结论

1） 通过多功能机杆泵保护器的实施，较好地解决了抽油杆柱偏磨问题，延长了检泵周期。

2） 多功能机杆泵保护器可有效缓解振动及液击给整个抽油系统带来的负面影响，并具有较好节能效果，节电率达到3%～7%。

3） 机采效率提高2%～4%。

4） 现场施工工艺简单，为安全环保节能产品，有较好的推广前景。

［1］ 马卫国，杨新冰，张利华，等．抽油杆管偏磨成因及解决措施研究综述［J］．石油矿场机械，2009，38（1）：22 26．

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［3］ 杨荣建，李翔翔，张军，等．抽油杆自动间歇旋转器的研制与应用［J］．石油矿场机械，2005，34（5）：90 91．

［4］ 成大先，王德夫．机械设计手册：弹簧的设计［K］．5版，2010．

［5］ 武卫丽，焦培林，彭利果，等．抽油机节能技术研究综述［J］．重庆科技学院学报（自然科学版），2009，11（4）：111 139．

［6］ 陈强．影响抽油机井机采系统效率因素浅析［J］．中国石油和化工标准与质量，2011（12）：296．

［7］ 刘晓旭，林元华，曾德智，等．有杆抽油系统杆管偏磨磨损量预测研究［J］．石油矿场机械，2009，38（1）：34 37．

Deveiop ment and Appiication of Muiti function Rod Pum p Protector

JIA N Shuxu
（Liaohe Oilfield Branch Drilling Technologu Research Institute，Panjin124010，China）

Multi function Rod Pump Protector is introduced the structure principle，technical parameters and realize the function，the product to a certain extent，solves the rod tube due to eccen tric wear and vibration caused by a broken pole and the pu m ping device to damage due to vibra tion．Theim plementation of the 65 W ells all success，reduce ho mew ork 63 welltimes，reduce oper ating production 1 839 tons，annual festival of 57．38×104k W·h．

rod pu m p protector；eccentric wear；protect；energy saving

T E933．2

B

10．3969／j．issn．1001 3842．2015．06．018

1001 3482（2015）06 0079 04

①2014 12 21

剪树旭（1974 ），男，辽宁盘锦人，工程师，主要从事油田采油工具技术研发工作，Email：jsxboy＠sina．co m。