一种新式螺杆泵地面驱动技术研究及应用
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摘 要：螺杆泵地面常规驱动和直驱驱动装置都有各自的优点，但是缺点也相对较为突出。基于这两种螺杆泵驱动装置存在的问题，最新研制生产的横置式直驱螺杆泵驱动装置，应用小功率电动机直接驱动高效平面传动机构带动光杆转动，由此实现了常规螺杆泵驱动装置与电动机直驱螺杆泵的优势结合。
关键词：横置 直驱 驱动装置 螺杆泵
一、螺杆泵地面驱动装置的应用现状
螺杆泵作为一种新型的机采举升方式，在国内外应用日益广泛。它主要由两部分组成：地下部分是定子和抽油杆相连的转子；地面部分是与井口部分相连接的驱动装置。由于这种采油装置体积小，无泄漏，无污染，绿色环保，安全可靠，耗能少，安装方便，能对稠油、高含气、含砂油进行开采。
目前有螺杆泵地面驱动装置主要分为2大类：常规驱动和直驱驱动，这两类驱动都有各自的优点，但是缺点也相对较为突出。传统的螺杆泵地面驱动装置（简称常规驱动头）是由电动机通过皮带轮带动双面螺旋齿轮，由输出轴带动抽油杆旋转驱动螺杆泵实现抽吸井下流体。常规驱动头存在皮带轮间接驱动螺杆泵工作，启动扭矩大，功率损耗大，系统效率低。其制动采用棘轮刹车机构存在安全隐患，且由于双面螺旋齿传动存在转速受限，影响螺杆泵这种举升方式的广泛应用。螺杆泵电动机直驱装置，该装置是采用低速空心轴电动机直接带动抽油杆旋转，通常选用12级或24级的同步电动机作为动力源，需要配备变频控制装置来控制电动机。其特点是结构形式简单，直接驱动，转速范围大，适合于高速，借助于变频易实现软启、软停。缺点是电动机体积大，成本高，能耗高，扭矩小，电动机维修困难，费用高。在使用过程中经常出现停井现象，增加作业次数。
二、横置式直驱驱动装置结构及创新点
横置式直驱螺杆泵驱动装置主要由永磁同步电机、平面减速机构、井口密封以及变频控制器组成。它是应用小功率电动机直接驱动高效平面传动机构带动光杆转动。由于高效平面传动机构的传动比范围大，且体积小、匹配电动机功率低，制造工艺技术成熟，由此实现了常规螺杆泵驱动装置与电动机直驱螺杆泵的优势结合。
1.研发立式隔爆永磁同步电机，实现直接驱动
横置式直驱螺杆泵驱动装置应用小功率交流永磁电机直接驱动高效平面传动减速装置，进而通过光杆驱动井下螺杆泵旋转，实现原油举升。
交流永磁电机设计思路：一是采用稀土永磁三相同步电动机；二是采用立式安装方式；三是电机使用防爆壳体；四是定子部分能够与三相异步电动机通用；五是开发专用的非标电机凸缘。
立式隔爆永磁同步电机开发的重点为“同步转子”的研制。采用稀土永磁电机磁路设计理论，通过优化确定了转子的结构形式，进而解决“同步转子”的问题。同时，根据试验结果，不断完善电机技术。最终，达到国家相关的永磁同步电机质量标准。
2.研制高减速比的平面减速机构
常规驱动采用双面圆弧齿轮传动，传动比不高，导致转速调节范围小。采用平面圆弧齿轮传动取代双面圆弧齿轮传动，可以提高传动比，进而扩大转速调节范围。同时齿轮均要经过高频淬火延长其使用寿命，减速机。并开发研制减速机构专用壳体，对其内部机构实施保护。
3.研制耐高压井口机械密封机构
密封方式采用波纹管机械密封，密封效果好、寿命长，直接安装在驱动装置的上端，便于驱动装置的拆装及维护。
为进一步提高波纹管机械密封的承压能力，对其进行了几何尺寸和材质的改进，在优化设计的基础上，通过反复试验，使其承压能力能够达到4.0MPa，确保其安全工作的同时，可以满足现场的生产需要。
4.开发出能耗制动控制系统
该技术结合汽车ABS工作原理，配合专用的PLC控制系统，适用于三相异步电动机。当线圈断电时，在弹簧力作用下摩擦盘与衔铁、机座（或联结板）产生摩擦力，通过齿轮套将传动轴制动，从而实现系统制动；当线圈通电后，在电磁力的作用下，衔铁被吸向磁轭，使摩擦盘松开（此时弹簧被压缩），从而解除制动。同时，利用写入专用控制程序的PLC芯片，通过智能控制软件达到有规律的缓慢释放驱动杆弹性扭矩的目的。
三、现场应用效果及经济效益分析
横置式直驱螺杆泵驱动技术目前应用6井次，取得了较好的节电效果和较大的经济效益。与常规驱动螺杆泵相比，平均单井系统效率提高6.70个百分点，有功节电率达10.34%，平均单井日节电17.04kWh。
年可节电17.04kWh×365d=0.62×104 kWh，
6口井合计年节省电费5.04×104元（电价按每千瓦时0.6819元计算）。
四、结论与认识
1.横置式直驱螺杆泵驱动技术结合了常规驱动技术和直驱驱动技术二者的优势，具有高效节能的技术特点。
2.该技术有效解决了常规驱动技术能耗高问题，在适当降低举升能耗的同时，还可以有效改善直驱驱动技术额定扭矩不足的问题。
3.“电磁制动”防反转技术在螺杆泵地面驱动中是一项新的制动技术，从现场试验效果看，该技术具有广阔的应用前景
参考文献：
[1] 蒋召平. 螺杆泵驱动装置故障诊断技术研究. 大庆石油学院，2008，（03）
[2] 李华. 螺杆泵驱动用永磁同步电动机的设计研究. 哈尔滨理工大学，2011，（06）
[3] 张天利. 电机直驱螺杆泵地面系统技术. 油气田地面工程，2008，（08）