液压抽油机的研究进展.pdf
2 0 1 5年 1 月 第 4 3 卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAULI CS J a n. 2 0l 5 Vo 1 . 4 3 No . 1 D OI 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 1 3 8 8 1 . 2 0 1 5 . 0 1 . 0 4 3 液 压抽油机的研究进展 梁宏 宝 ,王 晓宇 ,石镇铭 ,刘旭 1 .东北石油大学机械科 学与工程学院 ,黑龙江大庆 1 6 3 3 1 8 ;2 .吉林油田分公 司采油工艺研究院, 吉林松原 1 3 8 0 0 0 ;3 .大庆油田分公 司第五采油厂 ,黑龙江大庆 1 6 3 3 1 8 摘要液压抽油机在石油开采中能最大限度地发挥油井产能 ,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。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。针对近五年国内外液压 抽油机的结构、控制、配重等方面系统综述了液压抽油机的研究进展 ,讨论了目前存在的问题和需要进一步研究的方向。 关键词液压抽油机;节约能源 ;液压技术 ;配重系统 中图分类号 T E 9 3 3 文献标志码 A 文章编 号 1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 1 1 7 5 - 6 Re s e a r c h Pr o g r e s s o f Hy dr a u l i c Pu mpi ng Un i t L I ANG Ho n g ba o . W ANG Xi a o y u , S HI Zh e n mi n g , L I U Xu 1 . Ma c h i n e r y I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ,N o r t h e a s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y ,D a q i n g H e i l o n g j i a n g 1 6 3 3 1 8 , C h i n a ;2 . J i l i n Oi l f i e l d Co mp a n y ,Oi l P r o d u c t i o n T e c h n o l o g y Re s e a r c h I n s t i t u t e ,S o n g y u a n J i l i n 1 3 8 0 0 0, C h i n a ;3 . D a q i n g O i l fi e l d C o m p a n y , e F i ft h O i l P r o d u c t i o n P l a n t ,D a q i n g H e i l o n g j i a n g 1 6 3 3 1 8 ,C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c p u mp i n g o i l u n i t c a n t a k e t h e ma x i mi z e a d v a n t a g e o f t h e p r o d u c t i v i t y o f o i l we l l s i n o i l e x p l o i t a t i o n,f u l l o f e n e r g y c o n s e r v a t i o n,a n d h a s b e e n a t t a c h e d g r e a t i mp o r t a n c e t o d o me s t i c a n d f o r e i g n o i l f i e l d e n g i n e e r i n g t e c h n i c a l p e r s o n n e 1 .Al o n g wi t h t h e h y d r a u l i c t e c h n o l o g y i mp r o v e d ,t h e h y d r a u l i c p u mp i n g u n i t w a s d e v e l o p e d r a p i d l y ,a n d w a s a p p l i e d i n o i l fi e l d p r o d u c t i o n w i t h c e r t a i n a mo u n t . T h e d e v e l o p me n t o f h y d r a u l i c p u mp i n g u n i t w a s s t u d i e d s y s t e ma t i c a l l y w i t h c o mp r e h e n s i o n i n a s p e c t s o f s t r u c t u r e ,c o n t r o l a n d ma t c h e d we i g h t a t h o me a n d a b r o a d i n r e c e n t 5 y e a r s . I t i s d i s c u s s e d o f e x i s t i n g p r o b l e ms a n d t h e r e q u i r e d d i r e c t i o n o f f u r t h e r s t u d y o f t h e h y d r a u l i c p u mp i n g u n i t . Ke y wo r d s Hy d r a u l i c p u mp i n g u n i t ;E n e r gy s a v i n g ;Hy d r a u l i c t e c h n o l o gy ;Ma t c h e d w e i g h t s y s t e m 0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 、质量轻 、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 黏度 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 人 。 。 从 2 O世纪 8 0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 液传动一 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 作者 针对 近五 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。 1 国内液压抽油机的研究进展 1 . 1 组合 液 压缸 节 能液压抽 油机 2 0 0 8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 [ 1 1 - 1 4 3 。 这种组合液压缸有两种组合形式 ,如图 1 所示。 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 Q 1 、Q 2 和 Q 3 。Q 1 腔的油12 1 都与蓄能器相连, Q 2 、Q 3 腔 的 油 口分 别 与 电液 换 向 阀 的两 个 油 口相 收稿 日期 2 0 1 3 - 1 1 1 8 作者简介梁宏宝 1 9 6 6 一 ,男,博士,教授,主要从事油田节能技术开发。 通信作者 王晓宇 ,E m a i l 1 5 2 1 4 5 9 8 9 1 1 1 6 3 . c o rn。 1 7 6 机床与液压 第 4 3卷 连 。通过换 向阀的换 向,Q 2 、Q 3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 ,如 图 2所示 。 Q Q Q a 组 合液 压 缸 I l 一 液 压泵 2 、卜 溢 流 阀 4 ~ 单 向 阀 s 一 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 图 1 含组合液压缸的液压抽油机 l 一 动轮 架 2 一 大活 塞杆 柱塞 3 一 定滑 轮 4 _ -缸筒 5 _ - 动滑 轮 6 一 钢丝 绳 7 一 大钩 8 _ 抽油 杆 图2 组合液压缸起升部分外形简图 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 ” 。 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 - 。 .1, 7 蝴 .2 - - 双 j /I 。 8 一 截 止 阀 9 _ _ 复 合 缸 n 一墓 l 12 “ I l l1 图 3 新型电液比例控制液压抽油机原理图 1 . 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。 1 . 2 . 3 新型电液比例控制液压抽油机的控制系统 在该液压系统中,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 _ 1 第 1 期 梁宏宝 等 液压抽油机的研究进展 1 7 7 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 地解 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。 1 . 3 基 于二 次调 节静 液传 动一变频 回馈技 术的 电 能回馈 型 液压抽 油机 2 0 0 9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 动一 变 频回馈技术的电能回馈型液压抽油机I 1 引。 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 2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 2下降时.液压泵/ 马达 5工作在 液压马达工况 ,负载 2 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。该抽油机结构如图 4所 示 l 一 液 压 缸 2 一 负载 3 _ - 安 全 阀 4 _单 向 阀 5 一液 压泵, 马达 6 - -油 箱 9 卜 异步电机 8 _变频回馈单元 9 - -电网 图4 电能回馈型抽油机原理图 该液压抽油机中的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 3 0 % 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 5 0 0 r / m i n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D 9 - 2 2 ] 。 1 . 4 风 电互补 液压 抽 油机 2 0 1 0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 。 1 . 4 . 1 风 电互补液压抽油 机的结 构 该液压抽油机 的结构原理如 图 5所示 .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。 一 “2 3 3 “n ,- ⋯1 2 一电动机 r _ ⋯⋯一一1 l 一风力机 、 4 二 泵 2 7 2 阑 2。5 。 . 2 .2 . .. . .... .8 l 8 6 I 5 2 4 r ] l 2 一 电 磁 换 向 阀 1 pLcl l 3 一 电 液 换 向 阀 工 I 1 4 、1 5 _分 流 阀 1 2 L. r 一 - J 1 6 一节流阀 I 7 一 压力 传感器 ; 1 8 、 1 9 、2 0、2 1 、 .一. I 2 2 一单向阀 盥 2 3 、 , 二 曩 2 7 、2 8 、2 9 一 滑轮 3 0 一钢 丝绳 3 l 一光 杆 3 2 、3 3 一行 程 开关 图 5 风电互补液压抽油系统原理 图 1 . 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 5 0 . 6 k W降低到 2 2 k W,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[ 2 。 1 . 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 P I D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 P L C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。 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 。 1 . 5 WC Y J Y改进 型 液压 长 冲程 抽 油机 2 0 1 3年辽河油 田提 出了 wc Y J Y改进型液压 长冲 程抽油机 j 1 . 5 . 1 WC Y J Y改进 型液压长 冲程抽油机 的系统原理 器 能 蓄 器 阀 阀 一 箱 滤 流 序 n 油 过 溢 顺 仉 卜 勰 一 - 一 1 7 8 机床与液压 第 4 3卷 该 机的液压系统 原理 如图 6 所示 。系统 的执行器 是抽油杆 侧液压 缸 1 和配重 侧液压 缸 2 1 。电动机 1 4 驱动油泵 l 5 .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 4 0 %以上 。 2 1 l 一 侧 液 压 缸 2 一高压球阀 3 一 节 流 阀 4 一换 向阀 5 _ _ 压力表 6 -- 安 全 阀 2 O 7一 压 力 表开 关 8 _背 压 阀 1 9 风 冷 却器 l O 一 电加热 器 l 8 l 1 一 液位 液温 计 l 2 一 液位 开关 1 7 l 3 一 油箱 l 4 一 电动机 1 5 一变 量 柱塞 泵 l 6 一 单 向阀 1 5 1 7 一 电磁 溢流 阀 l 4 1 8 一 过滤 器 1 9 -- 压力 开关 1 3 2 O 一 蓄 能器 2 l 一 配重 侧 液 压缸 图6 WC Y J Y改进型液压长冲程抽油机系统原理图 1 . 5 . 2 WC Y J Y改进型液压长冲程抽油机的配重系统 2 \ l \ , 3 ,4 o 1 -- 定滑 轮 2 一 抽 油杆 侧油 缸 钢 丝绳 3 一 配 重钢 丝绳 4 一 配重 箱 侧油 缸钢 丝 绳 5 一三 脚架 6 一铰 链 卜 悬 绳器 8 _油 缸 回油 壶 I 9 _ _ 油缸回油杆 J 1 o _ _ 钢丝绳 固定 块 1 1 一 挂 绳轮 1 2 一 配 重箱 1 3 一 动 滑轮 l 4 一 接 近 开关 1 5 一机 架 图 7 WC Y J Y改进型液压长冲程抽油机结构示意图 该抽油 系 统 创 新 地 采 用 天 平 式 重 力 配 重 方 式 如 图 7所示 ,以配重 箱 1 2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 的质量和部分 液柱质量 。大大减少做功负荷 ,从根本上将 系统效 率 提 高 3 0 %左右 ⋯。 1 . 5 . 3 WC Y J Y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 2 1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,很好地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 好地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。 2国外液压抽油机的研究进展 2 . 1 随 着风 力机 组运 行 的液 压抽 油机 2 0 0 8 年 ,俄罗斯 的 K a m s k a y a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 。 这 种带有 风机的液压系统结 构图如图 8 所示 _ 3 。 9 l 一风 力 发 电厂 2 一离心式调速器 3 、5 _ - 联 轴器 4 一 传动 轴 6 -- 减速 装 置 7 一 驱动 泵 8 一 管道 9 _ 一用户 图 8 带有风机 的液压 系统结构 图 在该液压抽油 系统 中 .配有转 子式 风力 发 电机 , 风 力 发 电机 WD P P s 垂 直 轴 向 旋 转 并 且 摄 入 空 气 l 1 。转子 3 被设计 为弧形 叶 片 图 9 ,摄入 的空 气在 2内旋转。空气流进入转子通过上下抽气泵 4向 外流动 ,从而增加 电机 的效率 。大量 的可调百 叶 1 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 。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 .WD P P s 设 有 离心 式 调 速 器 。 WD P P s 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 第 1 期 梁宏宝 等 液压 抽油机的研究进展 1 7 9 助于连杆机 构 4减 少 或增 加 空气 进入 转 子 的流 动速 度,达到控制可调百叶 1 的位置。 l 一 百叶 2 一 空 气 流 3 一 弧 形 叶片 4 一 抽 气 泵 图 9 风力发 电机 该抽油 系统 中的风力发 电机结构设计简单 .无故 障和噪声 ;不 同于螺 旋 桨式 WD P P s ,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 。 2 . 2含 氮液 压抽 油机 含氮液压抽 油机 多用 于 O r i t o 南部 油 田.其结 构 图如 图 1 O所示 图 1 0 含氮液压抽油机结构示意图 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 A c a e 5 、O r i t o 3 6 、O r i t o 4 4和 O r i t o 1 6 3四个井投人使用。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 4 0 %。 结果是每年每口井节省 2 5 0 0 0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 9 8 %,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 7 8 %到 8 3 % 。 3 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。作者认为.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 。 参考文献 [ 1 ]袁广, 张勤. 液压与气压传动技术 [ M] . 北京 北京大学 出版社 , 2 0 0 8 . 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