提高螺杆泵的安全性与节能效果

2014-04-05杨永纯大庆油田有限责任公司第三采油厂

石油石化节能 2014年8期

杨永纯（大庆油田有限责任公司第三采油厂）

随着油田开采时间的延长，含水上升导致低产低效井所占比率越来越多。螺杆泵在高含水井尤其是稠油井开发上得到了广泛的应用，见到了明显的增产节能效果[1]。然而，常规型螺杆泵在大量投入使用的同时也存在着风险。2013年12月，萨北油田发生了一起严重的螺杆泵井机械事故。

1 螺杆泵井事故

该事故发生在萨北油田北2-321-P44井，该井在2007年采用常规减速型螺杆泵投产，理论排量为147.46 t，发生事故时日产液量43.56 t，产油2.22t，电流为25 A ，转速为128r/min。

2013年11月21日管井员工发现该井停机，且无法启动，2013年11月24日使用蒸汽车洗井核实问题，洗井井口温度返回到80 ℃，压力3.0 M Pa，启井发现防反转装置几乎不起作用，电流一直上升到配电箱保护器保护断电。现场发现防反转装置有些不灵敏，停机后需等一段时间才能停下。于是，维修班人员检查棘轮棘爪，发现无异常，接着调整扭矩释放螺丝。

2013年11月25日技术员到现场核实泵况，试启一次，和11月24日情况基本一样，电流一直上升到配电箱保护器保护断电，过程大概1 min左右。之后，安装压力表关回油掺水套管放气等阀门，准备憋泵。启井之后电流依然一直上升到配电箱保护器保护断电，但是断电之后井口异常响声巨大。此时技术员并没有离开螺杆泵房，过了大概5~10s在螺杆泵井房内听到“砰”一声巨响，过了5 min，外面没有其他响声，该技术员走出螺杆泵房查看井口情况，发现螺杆泵护罩已破损，皮带已经破损不见。附近没有看见掉落的大皮带轮和护罩残片。井口套管250放空闸门下方有3个被砸出来的坑，为部分大皮带轮的碎块，井口房被砸掉一块，皮带飞出20m远，其中最大一块碎块沿皮带轮切线方向向东飞出，直接落在距离该井约500m的北2-20-P35抽油机井的井场处，于第二日被发现。

2 原因分析

通过专业人员现场勘验分析，该井由于螺杆泵井下泵硬卡，加之防反转装置未能及时起作用，导致配电箱保护器保护断电后螺杆泵螺杆迅速反转，从而使大皮带轮转裂飞出。结合类似事故，认识到螺杆泵发生事故的一些原因。

2.1 相关管理人员经验不足、技术教育不到位

对于螺杆泵卡泵，由于部分员工和专业管理人员未亲身经历，亦未进行过相关教育，员工对卡泵的危害认识不足。对装有变频器的螺杆泵，当螺杆泵电动机电流逐渐增大时，说明油井明显出砂。如果使用变频器无法启泵，就应向上级部门汇报，采取洗井或检泵措施，而不应再进行憋泵和私自启泵运转。

2.2 变频器的过载电流值设置过小

部分螺杆泵的变频器过载电流设置过小，油井出砂后或者温度太低原油特稠时，启动电流增大，螺杆泵无法启动运行。为了使油井投产，部分员工可能使用工频电路启动电动机，维持生产。

2.3 棘轮、棘爪刹车装置存在缺陷

该装置刹车力矩较小，只能满足正常停车或因为油管内液体与油套环空液面的高度差造成的抽油杆反转的刹车需要，不能满足卡泵造成的抽油杆超高转速刹车需要，而且制动后不能自动释放光杆扭矩。并且，螺杆泵长时间运转，棘轮、棘爪磨损较大容易失灵，安全系数降低。

2.4 预留光杆过长

由于教育培训不到位，作业人员对光杆过长的危害认识不足，加之现场缺少插接杆短节，完井时仓促收工，有些外露光杆长度都超过0.5 m，采油单位也认识不足，监督不到位。当抽油杆发生高速反转时，在巨大离心力作用下，光杆被甩弯，弯曲程度不断增大，并与卡子护罩刮碰，导致折断飞出。

2.5 未设置光杆扭矩卸载装置

当螺杆泵卡泵后，抽油杆下部不再转动，而地面的电动机继续给光杆施加扭矩，光杆弹性势能不断增加。当驱动头停止转动时，光杆的反向扭距无法缓慢卸掉，一旦刹车失灵，巨大的弹性势能带动地面驱动装置高速反转。因此，在靠近驱动头的抽油杆上应考虑加装扭矩卸载装置。

2.6 驱动头皮带轮安装不科学

驱动头的大皮带轮上开有3个螺栓孔，依靠3个螺栓将皮带轮固定在驱动头上，因紧固不到位或长期运转，会造成皮带轮松动。当抽油杆柱高速反转时，因应力集中，导致皮带轮在3个固定螺栓处断裂，在巨大离心力作用下飞出。正确的连接方式应为键槽连接，再配以较大的“靠背轮”及背帽加以固定。

2.7 设备保养不到位

部分使用单位未对螺杆泵按规定及时进行保养，棘轮、棘爪粘有油污，棘爪磨损，弹簧弹力减弱。

3 解决方案

针对事故发生的原因，采取有针对性的解决方案，从设备本质安全、技术及管理三个方面解决目前螺杆泵存在的安全隐患。

3.1 加强对员工和部分管理者的专项安全和技术教育

由技术及安全主管部门组织，对采油管理干部、员工以及作业队人员进行专项培训，提高操作人员的安全及技术素质。在采油队层面要注重安全的实效性，在更换皮带、启机、关井等关键点实施重点控制。严格做到“三把关”：一是严把皮带断井分析判断关，皮带断井要盘轮确认原因，分析排除卡泵因素，确保启机时不发生危险。二是严把启机后运转状况关，启机后查看电流是否持续上升，确认运转状况，电流持续上升立即采取停机措施，防止因卡泵出现“飞轮”事故。三是严把长关井流程关，长期关井的螺杆泵，因井底套压上升易造成光杆顶出伤人，长期关井要打开其套管生产闸门；同时，为避免自喷结蜡造成卡泵，应关闭生产闸门，确保流程合理。

3.2 合理设置恰当的过载电流

过载电流“因井而宜”，应充分考虑油井的油品黏度系数、泵挂深度、出砂情况、供液能力等，不能一刀切。结合螺杆泵工作特点及危险性，最大值设定在电动机额定电流的1.05倍为宜；对于电流持续升高的油井，必须安排洗井或检泵作业，不得强行运行。

3.3 改造棘轮、棘爪刹车系统

采用技术先进的螺杆泵液压防反转刹车装置，对现有棘轮、棘爪刹车装置进行改造。该液压防反转刹车装置的工作原理类似汽车的“A B S”刹车系统。当螺杆泵停机时，杆柱反转驱动液压电动机，输出液压油驱动摩擦块作用于刹车盘上，缓慢释放掉反转势能。反转扭矩越大，刹车盘转速越高，摩擦力也越大，减速作用越明显。

3.4 缩短预留光杆长度

限定光杆外露长度，消减形变风险。外露光杆过长，一旦反转，极易发生弯曲变形或卡子脱出伤人，严控光杆的外露长度是一项有效的规避措施。通过现场实践总结，光杆的外露长度应严格控制在30cm以内。加强作业监督，完井时必须保证光杆长度在30cm以内，否则，利用插接杆短节进行调整。这样即使抽油杆柱发生高速反转，光杆也不会被甩断飞出。对超长井要由专业队伍治理，禁止采油队以切割方式降低长度。另外，从作业施工源头控制，加强作业监督跟踪环节，对光杆超长井拒绝接井。

3.5 采用光杆扭矩卸载装置及扭矩释放专业操作

在没有完全采用液压防反转刹车装置前，棘轮、棘爪刹车装置的螺杆泵还在使用。当螺杆泵发生卡泵，或者正常停止运行，以及液柱重力作用，抽油杆柱均会反向转动扭矩。一旦松开刹车，弹性势能将带动地面驱动装置快速反转，危险仍然没有解除，因此在靠近驱动头的抽油杆上应加装扭矩卸载装置。在扭矩释放时，操作人员头顶必须低于方卡高度，佩戴安全帽，做好安全措施。释放螺栓动作要缓慢，开度要小，以杆柱转速30r/min为宜；对螺杆泵井进行维修、维护、调参、作业、测试等正常生产操作时，由矿、队专门人员负责；对于卡泵或非正常原因的故障井，要上报主管人员，由专业维修人员进行处理。

3.6 加固安装驱动头皮带轮

对于目前使用螺栓固定的在用螺杆泵，更换固定螺栓，采用加长的螺栓，再配以较大的靠背轮及背帽加以固定。新安装的螺杆泵应改变设计，采用键槽连接方式。

3.7 更换皮带轮及光杆卡子护罩

使用棘轮棘爪刹车装置的螺杆泵，其皮带轮及光杆卡子护罩采用1 mm厚钢板配合丝网组成护罩，强度不足。在进行刹车装置改造时，应一起进行改造，使用厚度2mm以上的钢板护罩。

3.8 制定管理规范及定期保养设备

根据多起飞轮事故现场的勘查调研，皮带轮碎裂飞出方向均是沿着旋转方向呈扇形分布，这一区间为危险区域。因此，螺杆泵控制柜必须设置在与电动机皮带轮切线成45°~135°之间的安全区域内。技术主管部门应修订操作规程及安全注意事项，下发到基层岗位并监督执行。员工发现异常情况必须向主管部门报告，不得私自处理。设备主管部门要加强设备管理，制定管理规范并监督落实。使用单位必须按规定定期保养设备，清除棘轮、棘爪附着的油污，检查棘爪磨损情况，更换磨损的棘爪。检查弹簧弹力，及时更换弹簧。对驱动头上的大皮带轮进行检查，重点检查螺栓磨损松动情况、螺栓孔磨损情况、轮盘有无裂痕等，对存在问题的必须立即进行更换，并应使用铸钢材质的皮带轮。对润滑部位及时加注润滑脂等。通过保养，使得设备处于良好的运转状态。

3.9 推广使用直驱型螺杆泵替代常规减速驱动型螺杆泵

直驱型螺杆泵由光杆方卡、机械密封、电动机、轴承箱和封井器等组成，光杆由电动机空心轴中穿过，通过方卡子与空心轴连接，电动机转子带动光杆转动，驱动井下螺杆泵运转。由于不存在皮带轮等其他传动环节，而且电动机的最高转速只有300 r/min，安全性能明显提高，且节能效果明显[2]。直驱型螺杆泵与常规减速驱动型螺杆泵能耗对比节电率为21.6%，平均年节电1.87万元，年均减少维修费用2.02万元[3]。