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[摘 要]针对螺杆泵采油井停机杆柱反转问题，分析了其产生机理和造成的危害，并对目前现有的几种解决措施进行了技术分析，认为只有采取综合措施才能很好地解决螺杆泵采油井停机反转问题。
[关键词]螺杆泵驱动装置 防反转 棘轮棘爪防反转系统
中图分类号：TE933.3 文献标识码：TE 文章编号：1009―914X（2013）25―0618―01
1.前言
在螺杆泵采油工艺中，由于螺杆泵可以在液压作用下变成液压马达，再加上旋转运动使杆柱储存了大量的变形扭转势能，造成许多螺杆泵采油井存在停机或卡泵时杆柱反转问题，危及设备和人员的安全。目前大庆油田普遍的做法是在螺杆泵驱动装置上设计安装各种防反转机构。由于井况千差万别，各种防反转机构工作性能不同，总体来说防反转应用效果不是十分理想。因此有必要深入分析螺杆泵产生机理和造成的危害，对现有技术措施进行评价，研究出更好的防反转技术。
2.螺杆泵系统反转机理及危害
2.1造成螺杆泵采油系统停机反转的原因
2.1.1螺杆泵停机后或卡泵时，贮存在杆柱中的变形扭转势能会快速释放，使杆柱快速反转。
2.1.2停机后，在油管及外输管线内的高压液体与套管内井液压差作用下，螺杆泵会变成液压螺杆马达，使转子及连接的杆柱快速反转。油套压差越大，杆柱反转速度越快，持续时间越长，直到油套压差恢复平衡为止。
2.1.3杆柱反转过程是由慢到快、由快到慢两个阶段组成。在这过程中，杆柱会产生激励振动，当它的激励频率与杆柱自振频率或井口自振频率相同时，会产生共振，反转速度瞬间会达到高速飞车状态。
2.2螺杆泵采油系统停机反转所带来的危害
2.2.1螺杆泵的反转会使杆柱脱扣、光杆甩弯，地面驱动装置零部件损坏；
2.2.2螺杆泵的反转会造成部分零部件过热，点燃井口游离气，造成井口燃烧爆炸；
2.2.3螺杆泵的反转不仅会危及设备的安全，还会危及现场维护操作人员的安全，成为生产事故的隐患。
3.目前螺杆泵井防反转系统技术现状
为了解决螺杆泵停机反转问题，在螺杆泵驱动装置上设计安装了防反转机构。到目前为止螺杆泵驱动装置使用的防反转装置结构形式有：外啮合棘轮棘爪防反转系统、内啮合棘轮棘爪防反转系统、楔块防反转系统、液压防反转系统。从安装的位置来分有电机轴安装、输入轴安装和输出轴安装三种形式。
3.1外啮合棘轮棘爪防反转系统
该防反转系统装在驱动装置输入轴上，棘轮棘爪采用外啮合方式，依靠刹车带的摩擦力释放反转势能。当驱动装置工作时，棘爪在离心力的作用下与棘轮刹车带脱离啮合，防反转系统不工作。当驱动装置停机时，杆柱反转带动驱动装置反转，这时棘爪在重力作用下与棘轮刹车带啮合，防反转系统工作，依靠摩擦力避免驱动装置高速反转。通过手动旋松扭矩释放螺栓，可以将储存在杆柱驱动装置中的反转扭矩释放掉，提高了驱动装置操作维护的安全性。
该系统不仅结构简单，成本低，而且能够释放储存在光杆及装置上的反转扭矩，现场也可以随时更换。缺点是：
3.1.1为保证防反转系统可靠工作，需要经常调整棘轮刹车带摩擦面的压紧力。
3.1.2低速时，棘轮棘爪由于接触会产生噪音和磨损。
3.1.3刹车带摩擦面压紧力调整及反转扭矩释放都需要人为近距离操作，而且在扭矩释放过程中，杆柱还会以一定速度反转，如果操作不当或刹车带摩擦面打滑，也会对操作者产生安全隐患。
失效形式：刹车带摩擦面磨损；棘轮棘爪及棘爪轴冲击损坏。操作性：更换维护方便。
3.2内啮合棘轮棘爪防反转系统
内啮合棘轮棘爪防反转系统工作原理与外啮合棘轮棘爪防反转系统相同，所不同的是棘轮棘爪采用内啮合方式。该产品将棘轮直接固定在减速箱箱体上，这时虽然防止了杆柱的反转，但储存在杆柱驱动装置中的反转扭矩并没有释放掉，因此在动杆柱过程中，仍有反转的可能性。
该种防反转系统棘轮机构采用内置式，外观上相对简洁合理，无噪声，结构简单，成本低。但缺点是结构安装或运转后，棘轮截面应垂直向下，才能保证棘轮棘爪自动啮合和脱开。另外在动杆柱过程中，反转问题没有解决。
失效形式：棘轮棘爪及棘爪轴冲击损坏。操作性：更换维护不方便，手工更换，存在安全隐患。
3.3楔块防反转系统
该种防反转系统是利用超越离合器工作原理。当内圈在输出轴带动正转时，楔块正向排列，与外圈线摩擦，防反转系统不工作。而当内圈在输出轴带动反转时，楔块反向排列，压紧在外圈摩擦面上，防反转系统工作，阻止杆柱反转。
该种防反转系统结构简单紧凑，承载扭矩大。缺点是：
3.3.1虽然防止了杆柱的反转，但储存在杆柱驱动装置中的反转扭矩并没有释放掉，因此在动杆柱过程中，反转问题仍没有解决；
3.3.2更换维护不方便，日常管理需要加润滑油，拆卸更换需要上吊车；
3.3.3如反转扭矩过大，会产生楔块错误反转问题，使防反转系统卡死。
失效形式：楔块防反转没有按时添加润滑脂或润滑脂变质，防反转因缺油而摩擦过热卡死或失效；楔块防反转中的楔块由于磨损，间隙变大，楔块防反转卡死或失效。
操作性：更换维护不方便，需要上设备更换，存在安全隐患。
3.4液压防反转系统
该种防反转系统工作原理类同汽车刹车系统。当螺杆泵停机时，杆柱反转驱动液压马达，输出的液压油驱动摩擦块作用于刹车盘，释放反转势能。反转扭矩越大，摩擦力也越大；反转扭矩小，摩擦力也小。
该种防反转系统可以完全释放掉杆柱反转势能，扭矩释放不需要人员参与，可靠性较高。缺点：价格较高，液压件要求具有较高的质量，对环境条件要求较高。 失效形式：液压系统漏油，油品变质，液压马达损坏。
操作性：更换维护方便，需要有专业人员操作。
从目前应用效果来看：外啮合棘轮棘爪防反转系统使用效果较好，特别是功率不大于15kW的地面驱动装置，使用寿命能达到1年或更长，现场也可以人工更换刹车片和释放杆柱反转势能，成本低，但是该系统对操作人员技能水平要求高，操作还具有一定的危险性。另外，虽然液压防反转系统价格贵、对工作环境要求高，应用数量很少，效果还有待于进一步观察，但是从长远趋势和国外螺杆泵驱动装置应用的防反转装置机构现状来看，液压防反转系统有必要进一步加以研究，用于国内油田的螺杆泵采油井。
4.防反转系统技术攻关方向
4.1液体单流阀
通过研制地面或井下单流阀，当螺杆泵停机时，单流阀工作，油管内的高压液体不能或者是缓慢流回井底，或者高压液体回流过程中不会造成杆柱反转，目的是减少作用在杆柱上的反转势能，降低反转速度，减少地面驱动装置防反转系统的工作负荷。
4.2地面驱动装置防反转系统
进一步研制技术上安全可靠、经济上可行的地面驱动装置防反转系统，综合现有各种机械式防反转系统优缺点，结合地面驱动装置的结构形式，研制性能更好的新型机械式防反转系统，解决目前机械式防反转系统存在的问题；或者研制适合油田工作环境的液压防反转系统。无论是哪种系统都要能够使地面驱动装置低速反转，缓慢释放作用在杆柱上的反转势能，对人机不会造成各种伤害，而且便于现场操作人员的维护保养。
5.结论及建议
5.1逐步淘汰楔块防反转系统以及其他不能释放扭矩的防反转系统。
5.2对于功率不大于15kW的地面驱动装置，采用棘轮棘爪防反转系统是比较适合的，它能够长期安全可靠的工作。需要作进一步完善的是改进释放机构，使操作人员在扭矩释放过程中，操作过程安全易行。另外地面驱动装置运转超过1年后，必须强制更换刹车片。
5.3对于功率在15kW以上的地面驱动装置，不仅要在驱动装置上安装棘轮棘爪防反转系统，而且还要考虑在地面或地下采用液体单流阀，解决液体回流倒灌而带来的杆柱反转势能，减少地面驱动装置防反转系统的工作负荷。
5.4综合现有各种机械式防反转系统优缺点，结合地面驱动装置的结构形式，研制新式防反转系统，解决目前防反转系统存在的问题。
[关键词]螺杆泵驱动装置 防反转 棘轮棘爪防反转系统
中图分类号：TE933.3 文献标识码：TE 文章编号：1009―914X（2013）25―0618―01
1.前言
在螺杆泵采油工艺中，由于螺杆泵可以在液压作用下变成液压马达，再加上旋转运动使杆柱储存了大量的变形扭转势能，造成许多螺杆泵采油井存在停机或卡泵时杆柱反转问题，危及设备和人员的安全。目前大庆油田普遍的做法是在螺杆泵驱动装置上设计安装各种防反转机构。由于井况千差万别，各种防反转机构工作性能不同，总体来说防反转应用效果不是十分理想。因此有必要深入分析螺杆泵产生机理和造成的危害，对现有技术措施进行评价，研究出更好的防反转技术。
2.螺杆泵系统反转机理及危害
2.1造成螺杆泵采油系统停机反转的原因
2.1.1螺杆泵停机后或卡泵时，贮存在杆柱中的变形扭转势能会快速释放，使杆柱快速反转。
2.1.2停机后，在油管及外输管线内的高压液体与套管内井液压差作用下，螺杆泵会变成液压螺杆马达，使转子及连接的杆柱快速反转。油套压差越大，杆柱反转速度越快，持续时间越长，直到油套压差恢复平衡为止。
2.1.3杆柱反转过程是由慢到快、由快到慢两个阶段组成。在这过程中，杆柱会产生激励振动，当它的激励频率与杆柱自振频率或井口自振频率相同时，会产生共振，反转速度瞬间会达到高速飞车状态。
2.2螺杆泵采油系统停机反转所带来的危害
2.2.1螺杆泵的反转会使杆柱脱扣、光杆甩弯，地面驱动装置零部件损坏；
2.2.2螺杆泵的反转会造成部分零部件过热，点燃井口游离气，造成井口燃烧爆炸；
2.2.3螺杆泵的反转不仅会危及设备的安全，还会危及现场维护操作人员的安全，成为生产事故的隐患。
3.目前螺杆泵井防反转系统技术现状
为了解决螺杆泵停机反转问题，在螺杆泵驱动装置上设计安装了防反转机构。到目前为止螺杆泵驱动装置使用的防反转装置结构形式有：外啮合棘轮棘爪防反转系统、内啮合棘轮棘爪防反转系统、楔块防反转系统、液压防反转系统。从安装的位置来分有电机轴安装、输入轴安装和输出轴安装三种形式。
3.1外啮合棘轮棘爪防反转系统
该防反转系统装在驱动装置输入轴上，棘轮棘爪采用外啮合方式，依靠刹车带的摩擦力释放反转势能。当驱动装置工作时，棘爪在离心力的作用下与棘轮刹车带脱离啮合，防反转系统不工作。当驱动装置停机时，杆柱反转带动驱动装置反转，这时棘爪在重力作用下与棘轮刹车带啮合，防反转系统工作，依靠摩擦力避免驱动装置高速反转。通过手动旋松扭矩释放螺栓，可以将储存在杆柱驱动装置中的反转扭矩释放掉，提高了驱动装置操作维护的安全性。
该系统不仅结构简单，成本低，而且能够释放储存在光杆及装置上的反转扭矩，现场也可以随时更换。缺点是：
3.1.1为保证防反转系统可靠工作，需要经常调整棘轮刹车带摩擦面的压紧力。
3.1.2低速时，棘轮棘爪由于接触会产生噪音和磨损。
3.1.3刹车带摩擦面压紧力调整及反转扭矩释放都需要人为近距离操作，而且在扭矩释放过程中，杆柱还会以一定速度反转，如果操作不当或刹车带摩擦面打滑，也会对操作者产生安全隐患。
失效形式：刹车带摩擦面磨损；棘轮棘爪及棘爪轴冲击损坏。操作性：更换维护方便。
3.2内啮合棘轮棘爪防反转系统
内啮合棘轮棘爪防反转系统工作原理与外啮合棘轮棘爪防反转系统相同，所不同的是棘轮棘爪采用内啮合方式。该产品将棘轮直接固定在减速箱箱体上，这时虽然防止了杆柱的反转，但储存在杆柱驱动装置中的反转扭矩并没有释放掉，因此在动杆柱过程中，仍有反转的可能性。
该种防反转系统棘轮机构采用内置式，外观上相对简洁合理，无噪声，结构简单，成本低。但缺点是结构安装或运转后，棘轮截面应垂直向下，才能保证棘轮棘爪自动啮合和脱开。另外在动杆柱过程中，反转问题没有解决。
失效形式：棘轮棘爪及棘爪轴冲击损坏。操作性：更换维护不方便，手工更换，存在安全隐患。
3.3楔块防反转系统
该种防反转系统是利用超越离合器工作原理。当内圈在输出轴带动正转时，楔块正向排列，与外圈线摩擦，防反转系统不工作。而当内圈在输出轴带动反转时，楔块反向排列，压紧在外圈摩擦面上，防反转系统工作，阻止杆柱反转。
该种防反转系统结构简单紧凑，承载扭矩大。缺点是：
3.3.1虽然防止了杆柱的反转，但储存在杆柱驱动装置中的反转扭矩并没有释放掉，因此在动杆柱过程中，反转问题仍没有解决；
3.3.2更换维护不方便，日常管理需要加润滑油，拆卸更换需要上吊车；
3.3.3如反转扭矩过大，会产生楔块错误反转问题，使防反转系统卡死。
失效形式：楔块防反转没有按时添加润滑脂或润滑脂变质，防反转因缺油而摩擦过热卡死或失效；楔块防反转中的楔块由于磨损，间隙变大，楔块防反转卡死或失效。
操作性：更换维护不方便，需要上设备更换，存在安全隐患。
3.4液压防反转系统
该种防反转系统工作原理类同汽车刹车系统。当螺杆泵停机时，杆柱反转驱动液压马达，输出的液压油驱动摩擦块作用于刹车盘，释放反转势能。反转扭矩越大，摩擦力也越大；反转扭矩小，摩擦力也小。
该种防反转系统可以完全释放掉杆柱反转势能，扭矩释放不需要人员参与，可靠性较高。缺点：价格较高，液压件要求具有较高的质量，对环境条件要求较高。 失效形式：液压系统漏油，油品变质，液压马达损坏。
操作性：更换维护方便，需要有专业人员操作。
从目前应用效果来看：外啮合棘轮棘爪防反转系统使用效果较好，特别是功率不大于15kW的地面驱动装置，使用寿命能达到1年或更长，现场也可以人工更换刹车片和释放杆柱反转势能，成本低，但是该系统对操作人员技能水平要求高，操作还具有一定的危险性。另外，虽然液压防反转系统价格贵、对工作环境要求高，应用数量很少，效果还有待于进一步观察，但是从长远趋势和国外螺杆泵驱动装置应用的防反转装置机构现状来看，液压防反转系统有必要进一步加以研究，用于国内油田的螺杆泵采油井。
4.防反转系统技术攻关方向
4.1液体单流阀
通过研制地面或井下单流阀，当螺杆泵停机时，单流阀工作，油管内的高压液体不能或者是缓慢流回井底，或者高压液体回流过程中不会造成杆柱反转，目的是减少作用在杆柱上的反转势能，降低反转速度，减少地面驱动装置防反转系统的工作负荷。
4.2地面驱动装置防反转系统
进一步研制技术上安全可靠、经济上可行的地面驱动装置防反转系统，综合现有各种机械式防反转系统优缺点，结合地面驱动装置的结构形式，研制性能更好的新型机械式防反转系统，解决目前机械式防反转系统存在的问题；或者研制适合油田工作环境的液压防反转系统。无论是哪种系统都要能够使地面驱动装置低速反转，缓慢释放作用在杆柱上的反转势能，对人机不会造成各种伤害，而且便于现场操作人员的维护保养。
5.结论及建议
5.1逐步淘汰楔块防反转系统以及其他不能释放扭矩的防反转系统。
5.2对于功率不大于15kW的地面驱动装置，采用棘轮棘爪防反转系统是比较适合的，它能够长期安全可靠的工作。需要作进一步完善的是改进释放机构，使操作人员在扭矩释放过程中，操作过程安全易行。另外地面驱动装置运转超过1年后，必须强制更换刹车片。
5.3对于功率在15kW以上的地面驱动装置，不仅要在驱动装置上安装棘轮棘爪防反转系统，而且还要考虑在地面或地下采用液体单流阀，解决液体回流倒灌而带来的杆柱反转势能，减少地面驱动装置防反转系统的工作负荷。
5.4综合现有各种机械式防反转系统优缺点，结合地面驱动装置的结构形式，研制新式防反转系统，解决目前防反转系统存在的问题。