液壓抽油機的發展狀況及技術分析

朱改新，李 昕，葛于國，潘友峰

（上海蘭石重工機械有限公司，上海201108）

液壓抽油機的研發起始于19世紀60年代，發展于19世紀初80、90年代，在20世紀10年代得到逐步改進，批量應用于石油礦場資源的開發。

1 國外液壓抽油機的發展狀況

1.1 俄羅斯液壓抽油機的發展狀況

1965、1979、2005、2008 年俄羅斯專利產品[1-4]，代表機型為機械動力+泵，稱初級液壓變壓器（Primary Hydraulic Transformer）。如圖1所示[10]。①初始蓄能：換向閥下位，油泵給蓄能器充油加壓推動蓄能活塞上升壓縮蓄能彈簧，實現預蓄能；②上行抽液行程：換向閥換成上位，液壓泵出口壓力油和蓄能彈簧聯合作用推動蓄能活塞下降，蓄能活塞下部液壓油擠進有桿腔，驅動活塞帶動油管上行抽井液，井液擠進環形井液腔并推開單向閥從井液出口流出，液壓缸的活塞上行至極限位置時完成上行抽液行程；③下行蓄能行程：液壓缸的活塞（中空）依靠油管的重量往下行，有桿腔的液壓油被擠進活塞內的蓄能腔，蓄能活塞上部的液壓油通過換向閥（下位）回到液壓油箱，液壓缸的活塞下行至極限位置時完成下行蓄能行程，油管重力勢能全部回收積蓄在蓄能彈簧里；重復步驟②，下行蓄能彈簧積蓄的油管重力勢能也全部釋放。循環步驟③②，完成蓄能、抽井液過程。

圖12008年俄羅斯液壓抽油機專利結構簡圖

1.2 美洲液壓抽油機的發展狀況

1977、1998年加拿大專利產品[5]，與前述俄羅斯的產品基本相同，代表機型為下行程靠油管重量驅動液壓油使蓄能缸活塞上行，蓄能蓄積重力勢能；蓄積重力勢能和油泵共同完成井液提升。

2006、2008、2012、2013年美國改進專利定型專利產品[6-8]，代表機型為驅動動力、馬達、泵同軸布置（比俄羅斯的增加了液壓馬達），如圖2所示[9]。①初始蓄能：換向閥處中間位置，控制泵給蓄能器預充能；②上行抽井液行程：換向閥處下位，蓄能器送出的液壓油進入液壓馬達是之與電動機一起驅動液壓泵泵油推動活塞帶動抽油桿上行抽井液；③下行蓄能行程：換向閥處上位，液壓缸活塞靠油管重量推動下行，擠出的液壓油帶動馬達旋轉，進而驅動液壓泵給蓄能器加壓而回收重力勢能；重復步驟②，下行蓄能器回收抽油桿重力勢能也全部釋放。循環步驟③②，完成下行蓄能、上行抽液的過程。

圖2 美國液壓抽油機專利結構簡圖

1.3 歐洲液壓抽油機的發展狀況

意大利SIVAM公司開發的液壓抽油機，泵和馬達兩個元件集成為一體，如圖3所示[9]。①下行蓄能：如圖3（a）所示，左邊為示意圖右邊為原理圖，活塞在B點，控制器使換向閥處于右位，抽油桿靠重力下行，其勢能在控制器作用下使馬達驅動泵向蓄能器泵壓蓄能，蓄能壓力為P1，當蓄能壓力不足時，電機也可帶動泵給蓄能器充能，充能壓力為P2（理論上為補充系統發熱，管道壓損，蓄能器蓄能、釋能效率等損失能量），這樣蓄能器總蓄能為P1+P2（理論上為上行抽井液平衡掉抽油桿質量提供能量）；②上行抽液：如圖3（b）所示，活塞下行至A點時，控制器使換向閥處于左位，在控制器作用下，蓄能器總蓄能P1+P2驅動馬達帶動泵泵油，同時電機也驅動泵補能，補能壓力為P3（理論上為驅動井液上行提供能量），此時總驅動能為P1+P2+P3，推動液壓缸活塞上行抽取井液；循環步驟①②，實現井液的連續抽汲。

圖3 意大利SIVAM公司液壓抽油機原理簡圖

2011、2013、2015年德國 Bosch Rexroth 液壓抽油機專利產品，代表機型為驅動動力、飛輪、新一代液壓變壓器（稱New Hydraulic Transformer或稱液壓二次元件、泵馬達），新一代液壓變壓器在電、液控制器作用下。油管自重提供下行程動力，液壓缸活塞加壓液壓油，高壓液壓油驅動新一代液壓變壓器（馬達工況）驅動飛輪旋轉，將下行程重力勢能回收到飛輪；飛輪的儲存的能量和驅動動力一起驅動新一代液壓變壓器（泵工況），驅動液壓缸活塞上行，完成上行程，實現井液提升。如圖4所示[10]。

圖4 德國持續改進液壓抽油機專利結構簡圖

2 液壓抽油機的技術分析[10]

如何蓄積抽油泵提升系統重力勢能是液壓抽油機正常運行乃至節能的關鍵所在。下面簡要分析蓄能器和飛輪在液壓抽油機的儲能機理。

（1）蓄能器：抽油機上行程重力勢能+液柱能，液壓缸的驅動壓力P上為恒壓，重力勢能驅動液壓缸產生的壓力P缸為恒壓，P上＞P缸；蓄能器初始壓力P0為恒壓，儲能壓力 P1，P1＞ P上，釋能壓力 P2；

如果蓄能器和液壓缸采用直連，抽油機運行前，先把蓄能器泵壓到P1，泵和P1共同推動液壓缸達P上，完成上行，達頂端時，由于蓄能器和液壓缸直連，其壓力P2仍然要維持在P上或以上（否則，泵向蓄能器要泵壓），P缸＜P上，而此時，由于蓄能器和液壓缸直連，蓄能器的儲能壓力為P上＞P重，下行程就無法完成重力勢能P缸的儲存。就是低恒壓網絡無法向高恒壓網絡補能。

這就要求下行程利用二次元件馬達工況將P缸由壓能轉換為機械能，同時驅動另一泵工況將機械能轉換為壓能，使其壓力達到P1，P1在馬達工況下和電機共同驅動液壓泵泵壓達P上，完成上行程，終了P1降壓到P2＞P0，完成能量回收，來實現低恒壓網絡向高恒壓網絡傳遞能量，此方案需要兩個液壓二次元件串聯。

（2）飛輪：飛輪初速度為 ω0，儲能速度為 ω1，釋能速度為ω2，ω1＞ω2，下行程通過二次元件在馬達工況下將缸壓P缸轉換為機械能，驅動飛輪高速旋轉到ω1，利用儲存動能和高速慣性能和同軸布置的電機，共同帶動二次元件在泵工況下，驅動液壓缸完成上行程，終了ω2＞ω0，利用飛輪來實現能量由低位向高位補能，此方案只需要一個液壓變壓器。

總之，新型液壓變壓器的不斷完善，為液壓抽油機的發展帶來跨越性飛躍。

3 液壓抽油機的發展啟示

（1）液壓抽油機的優勢特征有：①沖程長，沖程無級調節；②沖次范圍大，沖次無級調節；③高效節能；④載荷范圍廣，利于抽油機大型化發展趨勢；⑤無機械制動系統，液壓自制動很易實現；⑥重量輕；⑦占地面積小；⑧維護操作安全簡捷。

（2）液壓抽油機的這些優點深受國外內油氣開采公司和油氣設備制造商的重視。發達國家，以美國、前蘇聯、加拿大、德國、法國、意大利等都進行深入研究，先后開發了十幾種不同形式的液壓抽油機，進行了現場應用，2000年以前的產品應用效果一般，主要表現在四個方面：①效率不高，主要是采用油管、液壓缸蓄能不能適應井下油液量變，維持相應的平衡；②液壓系統及相應控制系統不完善；③液壓缸及液壓系統故障率較高，尤其是液壓缸密封問題較大；④故障率高，維護成本高。

（3）經過幾十年的探索，2000年以后的產品，具有良好的應用效果，集體表現在以下幾個方面：①效率高，采用飛輪、蓄能器蓄能可適應井下油液量變，維持相應的平衡；②新型液壓變元器件的逐步完善為重力勢能的蓄積創造了條件；③液壓二次元器件不斷推陳出新，液壓二次調控系統的持續發展，為液壓抽油機的更好應用創造了良好的發展空間；④提升液壓缸采用密封要求較低的柱塞缸，大大延緩了液壓缸密封壽命；⑤操作便捷，維護成本較低。一些產品進入規模化生產推廣階段。

（4）海洋平臺石油開采進入中后期后，井下泵驅采油會不適應井液量的日漸減少的狀況，液壓抽油機的應用日益受到推崇，主要原因有：①占地面積小，適合叢式井；②一套液壓站可驅動多臺用于井液提升的液壓缸；③可以安裝在井口以下，少占用平臺空間。

4 結束語

國內對液壓抽油機19的研發大都局限在機械重力平衡上，產品結構復雜，在石油礦場基本沒有應用。

技術先進的新型液壓變壓器及液壓二次控制單元在國內處于認識起步階段。

總之，液壓技術在國內抽油機的應用上任重而道遠。