螺杆泵井光杆反转失控的应对技术措施_许强.pdf

2023 年第 3 期 设备与安全 CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT 81 螺杆泵井光杆反转失控的应对技术措施 螺杆泵井光杆反转失控的应对技术措施 许 强 大庆油田有限责任公司技术监督中心 黑龙江大庆 168313 摘 要：简要分析了直驱螺杆泵井可能发生的光杆失控隐患，提出了以抽油杆为研究对象的直驱螺杆泵井一体化安全防治技术，即：上部采用专用制动器制动、中部采取控制载荷措施、下部采用缓流阀抑制马达效应。现场对包含人员密集区和大泵井在内的 68 口直驱螺杆泵井进行了改造和应用，工作稳定，取得较好的安全效益和经济效益，预计节支 477.43 万元/a。关键词：螺杆泵；直驱；光杆抽油杆；安全 A 油田自 1986 年开始研究螺杆泵采油技术，完成了 GLB40-42 至 GLB1200-14 多个系列的试验及应用，地面驱动以常规的普通驱动头为主，其主要采用异步电机作为动力源，通过皮带将动力传至减速器，经减速增扭后，带动光杆及其下的抽油杆在螺杆泵内匀速旋转，继而将原油从泵筒内抽汲至地面。2005 年前后，由于油田节能的需要，以永磁电机代替异步电机且取消皮带减速机构的螺杆泵直驱驱动采油技术应运而生，新式直驱驱动头具有良好的节能效果、较小的占地面积、低噪音、更好的安全性等优点1-4，逐步替代和淘汰了常规驱动头，目前，该类驱动已成为油田一种重要的螺杆泵井地面驱动方式。1 现状及问题 在安全性方面，考虑杆柱弹性变形和油套液面差导致的马达效应，与普通驱动采用的棘轮棘爪机械制动方式不同，直驱螺杆泵在驱动头上予以了改进5-7。通过电控箱内的变频控制系统与电机绕组形成制动回路，利用电磁牵制作用控制光杆转速，使停机安全平稳，从根本上遏制了生产安全事故的发生。但发生电路故障时，电磁牵制对反转速度进行控制的技术将失去作用，此时仍有引发失控问题发生的几率。2 应对措施 为实现失控下对抽油杆旋转的限速控制，笔者所在单位提出了用以辅助控制其超速反转的上部、中部、下部的控制技术，起到抑制反转或控制高速反转的作用，提高直驱驱动螺杆泵工艺的安全性。如图 1 所示，对上部采用机械制动器予以制动；中部加强清蜡降低载荷；下部采用井液回流缓流阀抑制回流中马达效应的产生。图 1 控制技术 2.1 上部控制专用制动器 以限制井口光杆高速反转为目的，设计一种直驱螺杆泵井井口专用机械制动器。如图26 所示，专用制动器主要由棘爪上压盘、底座、制动蹄块、棘爪下固定盘、拨鼓机构、配重块、棘爪、扭簧机构等部分组成。装配时，将直驱螺杆泵上部专用制动器套在电机芯轴上。当电磁牵制失效、抽油杆高速反转时，棘爪受离心力向外甩开，勾上拨鼓机上部 制动器控制 中部 降低载荷措施 下部 井液回流缓流阀 作者简介：许强，男，2009 年毕业于中国石油大学（华东）石油工程专业，大学本科，工程师，主要从事油田生产安全管理工作。E-mail：。设备与安全 2023 年第 3 期 82 CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT 构，此时拨鼓机构受制动蹄夹紧力的作用静止，并给棘爪一个反向作用力，促使光杆也停转，从而避免光杆反转次生事故的发生。与应用于普通驱动螺杆泵井的棘轮棘爪制动机构相似，该机构也可通过松开制动蹄块端部的紧固螺栓放松制动蹄，使拨鼓机构能缓慢旋转，从而将抽油杆反转扭矩逐步释放。考虑到在释放中，释放过快时光、杆转速不易控制的问题，在拨鼓机构的下面设计了 4 个限位台，并配备了 4个配重块，配重块的下端面采用直纹滚花工艺加工，同时，外圆周面加工石棉耐磨材质，以便在制动机构工作时，与底座的内平面和内侧面均产生足够的摩擦力，易于制动，在一定程度上减轻反转制动力对制动蹄块的冲击。图 2 专用制动器图 图 3 专用制动器剖切图 图 4 减速系统图 图 5 拨鼓结构图 图 6 棘爪-扭簧机构设计 2.2 中部控制加强清蜡降低载荷 螺杆泵杆柱反转受弹性变形恢复和马达效应加速的共同作用，单井生产工况和杆柱组合一定的情况下，杆柱弹性变形主要受弹性势能积蓄量影响，该积蓄量与杆外管内结蜡情况直接相关。现场油管内结蜡增多将导致举升载荷的增加，泵内结蜡量增多亦有可能造成蜡卡，此时驱动头过载停机，反复启停机会导致杆柱正转势能的迅速增加，现场曾出现过蜡卡后反复启停机导致的杆柱突然反转失控伤人事故。因此，提高对螺杆泵井整个杆管柱系统的清蜡效果，有利于反转事故的预防和控制。现场主要从螺杆泵井洗井的突出问题出发，即：“洗井排量不大，清蜡效果不好”，采取扩大进排液能力的技术予以解决。实际中，主要应用 SJ-II 型洗井阀提高进入油管液量。如图 7 所示，SJ-II 型洗井阀主要包含上下接头、主体、弹簧、内活塞等几个主要部分。主体为中空结构，通过上下接头与油管连接；内活塞在主体内运动，不工作时被弹簧压紧，封闭导流孔，洗井液注入油套环空后，阀体承压并压缩弹簧，导流孔打开后实现进液。应用时，将 SJ-II 型洗井阀置于井下螺杆泵的上面，在施工作业下泵时，随管柱一起下入井内（见图 8）。不工作时，活塞受到上部弹簧挤压处于原始位置，封闭导流孔，不通水；洗井时，油套环空压力升高，内外压差达到工具启动压差时，活塞向上，导流孔与主体连通，允许液流通过，实现大排量进液，对杆管上的结蜡进行彻底冲刷，改善整个杆管系统的清蜡扭簧 拨鼓机构 限位台 配重块 衬套 制动蹄块 棘爪下固定盘 电机轴 棘爪上压盘 底座 2023 年第 3 期 设备与安全 CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT 83 效果。2.3 下部控制泵下缓流阀 以限制螺杆泵反转扭矩的产生为目的，应用泵下缓流阀，如图 8 所示。该阀由阀体、密封体、中心杆和中心杆上的坐封块等组成。使用时，随油管柱下入井内，位置如图 9 所示，处于泵和筛管之间。螺杆泵运转时，泵吸液，井液向上流动，与作用在坐封块上的弹簧张紧力同向，此时缓流阀内通道完全打开，不影响采油。螺杆泵停机后，油管井液回流，油套压差产生的压力作用在坐封块上，促使其克服弹簧支撑力并向下运行，使坐封块和密封体之间的间隙变小，抑制回流液体流量，从而对由于液体回流导致的螺杆泵马达效应起到抑制作用，减缓光杆高速反转。图 7 SJ-II 型洗井阀结构图 图 8 缓流阀结构图 图 9 管柱结构图 3 验证及应用 对实施方案进行了可行性验证，首先，验证了机械制动器工作情况，将制动机构（仅保留棘爪制动盘和拨鼓机构）串联在抽油杆前端和后端，并在该串联抽油杆组的尾部与电机轴联接，用电机驱动抽油杆作反向旋转，利用变频对电机调速，控制转速由慢至快变化，当转速增至 250300 r/min 时，制动机构的棘爪打开并勾住拨鼓，一同旋转，说明该机构能顺利工作；其次，现场验证了加强排蜡措施后效果，对现场洗井压力和洗后载荷进行了统计，与措施前相比，措施后杆柱扭矩降低 15%以上，未产生卡泵问题；最后，通过连接油管并采用打压力的形式验证了缓流阀的限流作用，现场进口水压增压至 0.6 MPa，流量降低率达 80%以上，由螺杆泵井马达效应的诱发因素可知，单位时间回流量越大，井液势能转化为抽油杆反转动能越多，所产生的马达效应越强，抽油杆加速效果越明显，反之亦然，因此认为，应用缓流阀将有利于减缓势能转化为动能的速度、遏制反转失控问题的发展，措施有效。2022 年 3 月开始，现场进行了工艺的实施，上接头 弹簧 主体 活塞 导流孔 下接头 阀体密封体 中心杆 坐封块 设备与安全 2023 年第 3 期 84 CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT 陆续对包括居民区、厂区等特别敏感地带的人员密集区和含聚浓度较高、泵型大的聚驱、三元复合驱螺杆泵井进行了专用制动器改造，并对清蜡措施和泵下缓流阀进行了应用，共计应用 68 井次（见图 10），截至目前，应用效果良好。051015202530人员密集区三元驱高含聚驱大排量泵应用井次/口 图 10 应用情况柱状图 技术的实施，实现了直驱螺杆泵井抽油杆扭矩的安全释放，有利于保护井下泵、杆、管，防治不利磨损和疲劳伤害。按单井年少检泵 1次计算，可减少检泵投资 7.02 万元，68 井次预计可节约成本 477.43 万元。4 结束语 直驱螺杆泵井电控制动系统失效后，容易发生反转失控，可能引发安全问题。上文以抽油杆为研究对象，提出了从上、中、下 3 个部分可实现的控制措施，包括上部采用专用制动器、中部控制载荷、下部采用缓流阀。现场对68 口典型井的应用显示，其在直驱螺杆泵井适应性较好，满足生产需要。该技术的应用，有利于保障直驱螺杆泵井安全停机。参考文献 1 王海波,杨小华,王霞,等.螺杆泵采油工艺在哈拉哈塘油田超深复杂井中的应用J.中国石油和化工标准与质量,2020,40(18):207-208.2 高文平.螺杆泵机采井系统效率分析与提升探讨J.设备管理与维修,2021(12):123-125.3 吴建华.常温螺杆泵举升工艺在热采井中的初步应用J.商品与质量,2020(51):106.4 彭永刚.毛细管测压技术在潜油直驱螺杆泵井中的试验J.石油石化节能,2021,11(7):1-4.5 戴建辉.地面驱动螺杆泵井反转失速控制J.现代职业安全,2021(5):81-82.6 屈文涛,闫皓,孙艳萍,等.地面驱动螺杆泵井故障诊断方法J.机械设计与研究,2021,37(2):159-162.7 孙向辉.螺杆泵井驱动装置安全性能优化改造J.石油石化节能,2020,10(8):29-31.