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[摘 要]螺杆泵正常工作忽遇意外情况突然停机时，杆柱储存的弹性势能会带动光杆反向旋转，同时油管和油套环空存在较大的液位差，该液位差产生的势能释放对螺杆泵形成马达效应，与弹性势能组成合力，从而导致杆柱发生高速反转。若传动机构中的铸铁皮带轮自身旋转产生的离心力一旦超过材料的结构强度，皮带轮就甩碎四射，伤及人身、损坏设备，成为重大安全隐患。为及时削弱马达效应、减弱与弹性势能组成的合力，避免事故的发生，研制了螺杆泵防倒流装置。
[关键词]马达效应 液位差 防倒流装置
中图分类号：TE933.3 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）33-0369-02
1.前言
在油田采油领域中，螺杆泵已经成为重要的举升设备。目前应用的螺杆泵大都是皮带和减速箱两级减速的常规驱动装置，该装置采用棘轮-棘爪机械式防反转技术。常规情况下当螺杆泵井停机时杆柱储存的弹性势能会带动光杆反向旋转，地面驱动防反转装置的棘轮、棘爪相互咬合，阻止反转释放，但现场实际情况中由于多种外力因素，防反转机构有时会突然失效，发生杆柱反转失控现象。因此我们有必要深入研究螺杆泵杆柱受力原理，找出较好的防反转方法。
2.螺杆泵反转的力学分析
螺杆泵井停机时，杆柱储存的弹性势能会带动光杆反向旋转，同时油管和油套环空存在较大的液位差，该液位差产生的势能释放对螺杆泵形成马达效应，与弹性势能结合，导致杆柱发生高速反转，分析弹性势能和液位差产生的势能。
2.1 杆柱自身弹性势能
当螺杆泵井在正常运转时，电机通过杆柱向螺杆泵传递扭矩，抽油杆是弹性物体，在传递过程中由于受到扭矩产生扭转弹性变形，形成了杆柱弹性变形能量的积累。
当停机后，使杆柱发生扭转变形的扭矩消失，杆柱要恢复原状，自身储存的弹性势能开始释放，导致杆柱发生与正常生产时方向相反的转动，从而带动地面驱动装置中的皮带轮及传动附属机构发生反向转动。
电机通过光杆向杆柱传递扭矩，使杆柱匀速旋转，作用力与反作用力相等，忽略其它扭矩损失，则杆柱的反作用扭矩等于光杆的扭矩。
由转动定律可知：
假设杆柱长900m，以GLB500的螺杆泵为例，由公式⑹可计算杆柱反转的转速，在不同液面情况下杆柱反转的转速情况见（表1）。
在实际生产中，由于存在抽油杆与井液的摩擦、抽油杆与油管间的摩擦等，所以在停机后杆柱反转的扭矩随液面上升而逐渐变小，杆柱反转的转速也随之逐渐减小。
2.2 井下液位差产生的势能
油管和油套环空存在较大的液面差，液位差产生的势能释放对螺杆泵形成马达效应，使螺杆泵高速反转，从而导致杆柱发生高速反转。
通过理论计算，分析液位差对杆柱反转的影响。
转数的计算公式为：
假设螺杆泵井泵深1000m，螺杆泵GLB500的油管为φ76mm，抽油杆为φ25mm，套管为φ114mm。则在不同液面情况下的反转转数计算结果如（表2）。
从上面的分析中可知，液面在井口时释放反转是最安全的，液面差越大影响杆柱反转的转数越多，这些转数释放的时间越短反转转速越大，危险性越大，如果这些转数在瞬间释放，将会有很大的危险。
3.防倒流装置的设计
根据杆柱弹性势能及液位差产生马达效应的分析结论，提出控制液位差使用螺杆泵防倒流装置。
对过流面积进行分析计算，最终获取阀体中铁球半径。
流量计算公式为：Q=AC（Ri）1/2
式中：Q——设计流量（m3/s）；
A——液流断面面积（m2）；
R——水力半径（m）；
i——水力比降；
C——谢才系数。
铁球半径：R=A/X
X=
A=
根据铁球半径设计阀体及防倒流装置结构。其工作原理是：装置安装在泵筒下部，当螺杆泵正常生产时生产压力会将凡尔球顶起打开防倒流开关，不影响生产；当停止生产时，防倒流开关在液柱向下压力作用下关闭，阻止油管和环套空间中的液体回流到井底，由此限制井下液位差产生的反转能量释放、限制了杆柱反转的速度、减少地面驱动装置防反转系统的工作负荷，使反转的速度降到可控的安全范围内。
4.防倒流装置的现场实验
2012年我们下井试验时发现，在工具随泵筒下井后，下驱动杆过程油管内中存在憋压的问题，导致转子无法下入指定位置，这种情况需将泵筒内灌满水，将泵筒内部气体排出，才能使转子正常下入泵筒。针对这一问题，我们对防倒流装置的机械结构进行了优化改进，设计了顶杆结构。顶杆顶住凡尔球使其在转子完全下井前未坐到凡尔座上，保持油套的联通，避免憋压现象的发生。改进后转子能够顺利的下井，并与相同泵型、相同沉没度、相同产液的螺杆泵对比停机反转时间：反转释放时间由未下入前的25min缩短为2min，大大减小了安全隐患。截止到目前，防倒流装置共下井使用21套，使用效果良好。
5.几点认识
（1）螺杆泵反转的主要原因是杆柱积蓄的弹性势能，与液位差导致的马达效应综合导致。防反转的最终方法是降低停机时的液位差并安全释放杆柱弹性势能。
（2）螺杆泵井停机后释放反转的速度越快、时间越短越危险，延长反转的释放时间、放慢释放反转速度可以提高释放反转的安全性。
（3）螺杆泵井停机后液面在井口释放反转是最安全的，对于液面较深的井可以待液面自动恢复到井口或在油套环空灌满掺水后再进行人工手动释放。
参考文献
[1] 韩修廷，王秀玲，焦振强. 螺杆泵采油原理及应用.哈尔滨工业大学出版社，1998，2
[2] 马文蔚.物理学（第四版）.高等教育出版社，1999.3.
[3] 李青，金东明，戈炳华.机械采油技术管理方法，石油工业出版社，1994.12.
[关键词]马达效应 液位差 防倒流装置
中图分类号：TE933.3 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）33-0369-02
1.前言
在油田采油领域中，螺杆泵已经成为重要的举升设备。目前应用的螺杆泵大都是皮带和减速箱两级减速的常规驱动装置，该装置采用棘轮-棘爪机械式防反转技术。常规情况下当螺杆泵井停机时杆柱储存的弹性势能会带动光杆反向旋转，地面驱动防反转装置的棘轮、棘爪相互咬合，阻止反转释放，但现场实际情况中由于多种外力因素，防反转机构有时会突然失效，发生杆柱反转失控现象。因此我们有必要深入研究螺杆泵杆柱受力原理，找出较好的防反转方法。
2.螺杆泵反转的力学分析
螺杆泵井停机时，杆柱储存的弹性势能会带动光杆反向旋转，同时油管和油套环空存在较大的液位差，该液位差产生的势能释放对螺杆泵形成马达效应，与弹性势能结合，导致杆柱发生高速反转，分析弹性势能和液位差产生的势能。
2.1 杆柱自身弹性势能
当螺杆泵井在正常运转时，电机通过杆柱向螺杆泵传递扭矩，抽油杆是弹性物体，在传递过程中由于受到扭矩产生扭转弹性变形，形成了杆柱弹性变形能量的积累。
当停机后，使杆柱发生扭转变形的扭矩消失，杆柱要恢复原状，自身储存的弹性势能开始释放，导致杆柱发生与正常生产时方向相反的转动，从而带动地面驱动装置中的皮带轮及传动附属机构发生反向转动。
电机通过光杆向杆柱传递扭矩，使杆柱匀速旋转，作用力与反作用力相等，忽略其它扭矩损失，则杆柱的反作用扭矩等于光杆的扭矩。
由转动定律可知：
假设杆柱长900m，以GLB500的螺杆泵为例，由公式⑹可计算杆柱反转的转速，在不同液面情况下杆柱反转的转速情况见（表1）。
在实际生产中，由于存在抽油杆与井液的摩擦、抽油杆与油管间的摩擦等，所以在停机后杆柱反转的扭矩随液面上升而逐渐变小，杆柱反转的转速也随之逐渐减小。
2.2 井下液位差产生的势能
油管和油套环空存在较大的液面差，液位差产生的势能释放对螺杆泵形成马达效应，使螺杆泵高速反转，从而导致杆柱发生高速反转。
通过理论计算，分析液位差对杆柱反转的影响。
转数的计算公式为：
假设螺杆泵井泵深1000m，螺杆泵GLB500的油管为φ76mm，抽油杆为φ25mm，套管为φ114mm。则在不同液面情况下的反转转数计算结果如（表2）。
从上面的分析中可知，液面在井口时释放反转是最安全的，液面差越大影响杆柱反转的转数越多，这些转数释放的时间越短反转转速越大，危险性越大，如果这些转数在瞬间释放，将会有很大的危险。
3.防倒流装置的设计
根据杆柱弹性势能及液位差产生马达效应的分析结论，提出控制液位差使用螺杆泵防倒流装置。
对过流面积进行分析计算，最终获取阀体中铁球半径。
流量计算公式为：Q=AC（Ri）1/2
式中：Q——设计流量（m3/s）；
A——液流断面面积（m2）；
R——水力半径（m）；
i——水力比降；
C——谢才系数。
铁球半径：R=A/X
X=
A=
根据铁球半径设计阀体及防倒流装置结构。其工作原理是：装置安装在泵筒下部，当螺杆泵正常生产时生产压力会将凡尔球顶起打开防倒流开关，不影响生产；当停止生产时，防倒流开关在液柱向下压力作用下关闭，阻止油管和环套空间中的液体回流到井底，由此限制井下液位差产生的反转能量释放、限制了杆柱反转的速度、减少地面驱动装置防反转系统的工作负荷，使反转的速度降到可控的安全范围内。
4.防倒流装置的现场实验
2012年我们下井试验时发现，在工具随泵筒下井后，下驱动杆过程油管内中存在憋压的问题，导致转子无法下入指定位置，这种情况需将泵筒内灌满水，将泵筒内部气体排出，才能使转子正常下入泵筒。针对这一问题，我们对防倒流装置的机械结构进行了优化改进，设计了顶杆结构。顶杆顶住凡尔球使其在转子完全下井前未坐到凡尔座上，保持油套的联通，避免憋压现象的发生。改进后转子能够顺利的下井，并与相同泵型、相同沉没度、相同产液的螺杆泵对比停机反转时间：反转释放时间由未下入前的25min缩短为2min，大大减小了安全隐患。截止到目前，防倒流装置共下井使用21套，使用效果良好。
5.几点认识
（1）螺杆泵反转的主要原因是杆柱积蓄的弹性势能，与液位差导致的马达效应综合导致。防反转的最终方法是降低停机时的液位差并安全释放杆柱弹性势能。
（2）螺杆泵井停机后释放反转的速度越快、时间越短越危险，延长反转的释放时间、放慢释放反转速度可以提高释放反转的安全性。
（3）螺杆泵井停机后液面在井口释放反转是最安全的，对于液面较深的井可以待液面自动恢复到井口或在油套环空灌满掺水后再进行人工手动释放。
参考文献
[1] 韩修廷，王秀玲，焦振强. 螺杆泵采油原理及应用.哈尔滨工业大学出版社，1998，2
[2] 马文蔚.物理学（第四版）.高等教育出版社，1999.3.
[3] 李青，金东明，戈炳华.机械采油技术管理方法，石油工业出版社，1994.12.