国内外液压抽油机的研究进展

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摘要：摘要：液压抽油机在石油开采中能最大限度的发挥油井产能，充分节约能源，得到了国内外油田工程技术人员的高度重视[1-6]。近年来，随着液压技术的提高，使液压抽油机得到迅速地发展，并在油田生产中得到了一定的应用。本文针对近5年国内外液压抽油机的结构、

　　摘要：液压抽油机在石油开采中能最大限度的发挥油井产能，充分节约能源，得到了国内外油田工程技术人员的高度重视[1-6]。近年来，随着液压技术的提高，使液压抽油机得到迅速地发展，并在油田生产中得到了一定的应用。本文针对近5年国内外液压抽油机的结构、控制、配重等方面系统综述液压抽油机的研究进展，讨论目前存在的问题和需要进一步研究的方向。

　　关键词：节约能源；液压技术；研究进展；研究方向

　　中图分类号：TE933　　　　文献标识码：A　　　　文章编号：

　　1 前言

　　以液压传动技术为特征的液压抽油机具有采油经济性好、重量轻、体积小、冲程长度及冲程次数可实现无级调节和工作性能优越等特点。液压抽油机可以有效提高采油效率并且节能效果显著。随着油气田开发的进展，开发油藏的类型越来越复杂，高粘度油井、高含水量油井显著增多，尤其近年来油藏储量递减加剧，投入开采的储油层深度及挂泵深度也不断增加，为了保证生产，对液压抽油机的要求也越来越深入[7-10]。从80年代开始，国内外对液压抽油机的研究皆日趋热烈，取得了很多研究成果。目前液压抽油机存在的主要问题是：系统装机功率高、结构复杂、机械结构受力和抽油机的体积增加等。针对上述问题，近年来国内出现了组合液压缸节能液压抽油机、新型电液比例控制液压抽油机、基于二次调节静液传动—变频回馈技术的电能回馈型液压抽油机等新型液压抽油机的研究报道，本文针对近5年内，从国内外液压抽油机的结构、控制、配重等方面综述液压抽油机的进展情况。

　　2  国内液压抽油机的研究进展

　　2.1 组合液压缸节能液压抽油机

　　2008年，烟台大学与山东康达喷油泵有限公司联合研制了组合液压缸节能液压抽油机。这是一种组合液压缸与蓄能器相结合的液压抽油机，该抽油机在组合液压缸的结构上进行了创新，能够回收下行程时抽油杆释放出来的重力势能，在上行程时重新利用，具有显著的节能效果[11-14]。

　　1 液压泵 2、3 溢流阀 4 单向阀 5 蓄能器

　　6 电液换向阀 7组合液压缸Ⅰ  8 大活塞杆

　　a）组合液压缸Ⅰ

　　1 液压泵 2、3 溢流阀 4 单向阀 5 蓄能器

　　6 电液换向阀 7组合液压缸Ⅰ  8 柱塞

　　b）组合液压缸Ⅱ

　　这种组合液压缸有两种组合形式，组合液压缸Ⅰ由一个活塞缸和一个柱塞缸构成，活塞缸的大活塞杆用于起升抽油杆，小活塞杆兼作柱塞缸的柱塞。组合液压缸Ⅱ与液压缸Ⅰ构造相似，但柱塞缸的柱塞用于起升抽油杆并兼作活塞缸的缸筒，活塞缸的活塞杆固定在柱塞缸的底盖上。在这两种类型组合液压缸的液压抽油机中，组合液压缸都可以分成3个油腔Q1、Q2和Q3。Q1腔的油口都与蓄能器相连，Q2、Q3腔的油口分别与电液换向阀的两个油口相连。通过换向阀的换向，Q2、Q3腔交替与高低压油相通。此外，组合液压缸Ⅰ的大活塞杆或组合液压缸Ⅱ的柱塞上部装有动轮架，其上安装动滑轮，与安装在缸筒上的定滑轮构成增距3倍的滑轮系统。当大活塞杆或柱塞在油压作用下向上运动时，与之相连的动轮架和动滑轮也同步上升，通过滑轮系统使大钩带动抽油杆实现上行程作业；当大活塞杆或柱塞向下缩回时，实现抽油杆的下行程作业。

　　1 动轮架；2 大活塞杆（柱塞）；3 定滑轮；

　　4 缸筒；5 动滑轮；6 钢丝绳；7 大钩；8 抽油杆

　　此外，该液压抽油机可以对冲程长度及冲次进行调节，且操作简便。只需改变行程开关的位置就可调节冲程长度，而冲次可通过调节变量液压泵的排量进行调节调节[15]。

　　该型液压抽油机的组合液压缸的结构简单，成本低，且体积和占地面积相对较小。但多处需要密封，导致密封性能差。抽油机负载非均匀，并且抽油过程中，换向频繁，致使其寿命缩短。

　　2.2 新型电液比例控制液压抽油机

　　2009年年初，浙江大学流体传动及控制国家重点实验室与辽河油田分公司钻采工艺研究院共同研制出了新型电液比例控制液压抽油机，该抽油机满足以下技术指标：上冲程负载120kN，下冲程负载20kN，最大冲程5m，最大冲次3min-1[16]。

　　2.2.1 新型电液比例控制液压抽油机的结构

　　该抽油机采用新型复合缸结构，这种新型复合缸由一个中心腔和两个旁侧腔构成，当电液比例阀处于下位时, 油液通过液压锁7.2进入复合缸的中心腔,与蓄能器的压力油共同平衡上冲程载荷, 推动负载端上行, 旁侧腔油液能过液压锁7.1回油；当电液比例阀处于上位时, 油液通过液压锁7.1进入复合缸的旁侧腔,与下冲程载荷共同推动负载端下行, 并克服蓄能器产生的压力使其油液回充；当其处于中位时,系统主油路处于卸荷状态, 此时利用双向液压锁7.1、7.2可将复合缸固定锁死。当蓄能器11油液压力低于正常工作压力时，利用补油泵12可对其进行补油增压。

　　1 油箱 2 过滤器 3 电机 4 主泵 5 安全阀

　　6 比例阀 7.1、7.2 双向液压锁 8 截止阀

　　9 复合缸 10 负载端 11 蓄能器 12 补油泵

　　2.2.2 新型电液比例控制液压抽油机的配重系统

　　在该抽油机中，技术人员除去传统的机械配重，改用以蓄能器为载体的且配重量可调节的液压配重的方式，不仅在空间上节省了占地面积，并且适用于各种工作场合，安全系数也明显提高，特别是在需要远距离配重平衡的场合，其优势更加明显。根据理论计算可知，利用液压配重在上冲程可平衡超过1/2的负载，大幅度降低了系统的装机功率，从而达到提高系统效率的目的。

　　2.2.3 新型电液比例控制液压抽油机的控制系统

　　在本液压系统中，通过控制电液比例阀的输入电流或电压以控制阀口的切换方向和开度，继而控制油路中油液的流量和方向，最终使液压缸拟合预先设计的速度曲线上下运动，并且通过修改系统参数可实现抽油机冲程冲次无极可调[17]。

　　该型液压抽油机的液压缸结构较为复杂，且密封性能差。但其配重方式和控制系统有很大创新，不仅操作简便，而且带来的效益也相当可观。此抽油系统采用的液压配重很好的解决了负载非均匀的问题，使抽油过程中磨损减小，但是并没有克服频繁换向引起的摩擦，导致液压抽油机的使用寿命延长幅度较小。

　　2.3 基于二次调节静液传动—变频回馈技术的电能回馈型液压抽油机

　　2009年年末，哈尔滨工业大学、哈飞集团飞机设计研究所与大庆力神泵业有限公司通过将“二次调节静液传动技术”与“变频回馈技术”有机地与液压抽油机相结合，提出基于二次调节静液传动—变频回馈技术的电能回馈型液压抽油机[18]。

　　该液压抽油机中，在液压泵/马达与变频回馈单元有所创新。液压泵/马达可以进行液压马达与液压泵工况的转换, 因此可以达到回收负载的惯性能或重力势能的目的。当负载1上升时，液压泵/马达5工作为液压泵工况，异步电机7工作为电动机工况驱动负载上升；当负载1下降时, 液压泵/马达5工作在液压马达工况，负载1下降的势能驱动液压马达以高于异步电机7同步转速的形式驱动其工作，此时，异步电机7工作为发电机工况。

　　1液压缸 2负载 3安全阀 4单向阀  5液压泵/马达

　　6油箱 7异步电机 8变频回馈单元 9电网

　　而变频回馈单元对负载的下降势能进行功率回收,并通过逆变器输入电网进行电能回馈，这种方式减少了同一电网多个抽油机的能量需求量，且效果比较显著，能大幅度降低抽油过程中的电能消耗。

　　根据实验研究表明，提高抽油机功率回馈率，既可以增加负载的下降速度，这种方式可以达到30%的节能率；又可在负载下降过程中，降低异步电机同步转速，一般异步电机的同步转速取为500rpm即可。

　　该型抽油机结构简单，成本低廉，并且通过液压泵/马达进行液压马达与液压泵工况的转换及异步电机进行电动机与发电机的转换，显著降低了电能的消耗。在该机运行中，避免了频繁换向带来的摩擦损失，提高了抽油机的运行寿命[19-22]。

　　2.4 风电互补液压抽油机

　　2010年，山东建筑大学现代教育技术中心将风能作为液压抽油系统的辅助动力源，研制出风电互补液压抽油机。

　　2.4.1 风电互补液压抽油机的结构

　　该机的动力系统包括风力供油支路和电力供油支路。在风力供油的支路上设有节流阀, 并且在液压泵与节流阀之间设置有蓄能器, 用来缓和由阵风造成的液压冲击。

　　2.4.2 风电互补液压抽油机的配重系统

　　该抽油机利用蓄能器平衡负载、吸收阵风和储存能量，并且配以液压配重的方式，将装机功率从50.6kW降低到22Kw,显著地降低了系统的装机功率，从而达到提高系统效率的目的[23]。

　　2.4.3 风电互补液压抽油机的控制系统

　　风力供油支路的油压随风速变化而不断变化，所以，在主油路上设置有压力变送器，实时将主油路的压力反馈给带有PID功能的变频器，通过变频器来控制电机的转速，根据主油路中压力传感器的反馈，来调节电力供油支路的油压，使液压系统的总压力恒定；此外，该抽油机还采用可编程序控制器PLC作为核心控制组件，通过行程开关的开关状态，对液压传动系统发出指令，实现上下冲程间的切换；通过蓄能器平衡负载、吸收阵风和储存能量，从而降低了能耗，提高了采油效率。

　　1 风力机 2 电动机 3、4 液压泵 5 油箱

　　6 过滤器 7 溢流阀 8 顺序阀 9~ 11 蓄能器

　　12 电磁换向阀 13 电液换向阀 14、15 分流阀

　　16 节流阀 17 压力传感器 18~ 22 单向阀

　　23、24 截止阀 25、26 液压缸 27~ 29 滑轮

　　30 钢丝绳 31 光杆 32、33 行程开关

　　该型液压抽油机结构复杂，成本高，操作也相对繁琐。虽然系统中采用液压配重方式，但由于换向频繁的问题，使该液压抽油机的寿命提升空间较小[24、25]。

　　2.5 WCYJY改进型液压长冲程抽油机

　　2013年辽河油田提出了WCYJY改进型液压长冲程抽油机[26、27]。

　　2.5.1 WCYJY改进型液压长冲程抽油机的结构

　　系统的执行器是抽油杆侧液压缸1和配重侧液压缸21。电动机14驱动油泵15，通过活塞杆伸缩驱动动滑轮，带动钢丝绳连接的抽油杆和配重箱上下往复运动，从而带动有杆泵往复运动进行采油。测试证明，该型抽油机较普通游梁抽油机节电40%以上。

　　1、定滑轮；2、抽油杆侧油缸钢丝绳；

　　3、配重钢丝绳；4、配重箱侧油缸钢丝绳；

　　5、三脚架；6、铰链；7、悬绳器；

　　8、油缸回油壶；9、油缸回油杆；

　　10、钢丝绳固定块；11、挂绳轮；12、配重箱；

　　13、动滑轮；14、接近开关；15、机架；

　　2.5.2 WCYJY改进型液压长冲程抽油机的配重系统

　　该抽油系统创新地采用天平式重力配重方式，以配重箱12的精确配重，可使左右油缸的工作负荷相等，达到负载均匀的目的。通过调整配重实现精确平衡，平衡掉了抽油杆的重量和部分液柱重量。大大减少做功负荷，从根本上将系统效率提高30%左右[30]。

　　2.5.3 WCYJY改进型液压长冲程抽油机的控制系统

　　系统中的三位四通换向阀4用于控制抽油杆侧液压缸1、配重侧液压缸21的运动方向及蓄能器储存液压马达压力油的双向释放控制。同时，独特的调节阀设计，实现换向减速缓冲，通过精确控制溢流阀3的动作，来实现活塞动作的加减速缓冲，消除了换向时载荷的剧烈波动。较目前的液压抽油机减震效果更好，悬点载荷波动减少，运转更平稳。

　　该型抽油机虽然结构较为复杂，但在结构设计上，很好的保障了抽油机的稳定性，不仅降低了由悬点载荷的波动导致的摩擦，而且其天平式配重方式很好的解决了非均匀负载的问题，显著地延长了抽油机的使用寿命，具备较强的工程实用价值。

　　3 国外液压抽油机的研究进展

　　3.1 随着风力机组运行的液压抽油机

　　2008年，俄罗斯的Kamskaya公司的工程技术和经济研究院研制出随着风力机组运行的液压抽油机。

　　1 风力发电厂；2 离心式调速器；3，5 联轴器；

　　4传动轴；6 减速装置；7 驱动泵；8管道；9用户

　　在该液压抽油系统中，配有转子式风力发电机，风力发电机（WDPPs）垂直轴向旋转并且摄入空气[13]。转子1被设计为弧形叶片，摄入的空气在2内旋转。空气流进入转子通过上下抽气泵3向外流动，从而增加电机的效率。大量的可调百叶4调整（或终止）空气输送到转子。

　　不同于其他发动机，风力发电机可以在变化的环境中可靠运行，这不仅取决于泵的负载也取决于风的流动强度[12]。为了保证该系统运行稳定，所需的风机轴旋转必须是均匀的，因此，需要传输适当的工作流体并且要避免过载，WDPPs设有离心式调速器。WDPPs的调速器将速度调整到预定的值（额定），轴转速借助于弹簧相应的预紧装置。调速器的功能是借助于连杆机构3减少或增加空气进入转子的流动速度，达到控制可调百叶4的位置。

　　1百叶；2 空气流；3 弧形叶片；4抽气泵

　　该抽油系统中的风力发电机结构设计简单，无故障和噪音；不同于螺旋桨式WDPPs，它不需要风定向系统，对环境介质没有不利影响，可放置在靠近工业和公寓建筑。

　　3.2 含氮液压抽油机

　　含氮液压抽油机多用于Orito南部油田。

　　位于液压抽油系统上部配置了装有氮液的装置，氮液向下压液压流体，而液压油推动活塞向上。液压抽油机采用充氮蓄电池，在井口光杆处用蓄电池来推动活塞管理活塞/气缸布置液压流体。两级气缸包括一个伺服阀，伺服阀使流体延路线到达两腔筒底部使活塞向上或向下移动。接近开关激活电动位移控制操作的伺服阀，改变行程方向。

　　该抽油机已经在Acae 5 , Orito 36 , Orito 44, and Orito 163 四个井投入使用。应用证明氮能降低能源消耗以及总降低采购、运输和安装成本。总成本的采集、运输、安装、和保养是大约低于传统的40%。结果是每年每口井节省25000美元。

　　此外，该系统需要更小的发动机，而且不需要运用平衡块。上冲程和下冲程的速度是可以独立控制的，上冲程和下冲程的可变速度控制降低了抽油杆载荷，预测抽油杆负载是载荷的98%，而含氮液压抽油机测功器运行发现实际负荷是最大负载的78%到83%。

　　4 现状总结及发展趋势

　　经过对国内外近年来研制出的液压抽油机的研究，已了解到：与常规抽油机相比，液压抽油机的节能特点十分显著，且已达到一定高度，给油田生产带来很大利益。并且由于它的简单结构和较小的占地面积，使得液压抽油机的使用也越来越广泛，尤其是在低渗、特低渗、稠油、高含水油藏和海上油田开采中，使用的尤其多。但是液压抽油机仍然存在不足之处，有待研究人员们进一步改进。笔者认为，今后的液压抽油机研究应重点解决以下问题：

　　（1）换向频繁。现有的液压抽油机在结构设计方面，还是不能很好地克服换向频繁的现象，频繁的换向所引起的磨损现象较为严重，直接影响到液压抽油机的使用寿命，提高了采油成本。

　　（2）密封性失效。在文中并没有详细介绍液压抽油机的密封性能，只是现有的液压抽油机在恶劣的采油环境中，尤其是东北这种温差大，气候寒冷的地区，液压设备的密封容易失效。这种情况至今还没有得到很好地解决，不仅给生产作业带来麻烦，而且也影响了抽油机的工作效率，也会减少抽油机的使用寿命。

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