“一機(jī)雙井”直連式液壓抽油機(jī)的設(shè)計(jì)

葉勤友 許建國 李興科

（中國石油吉林油田公司油氣工程研究院 吉林松原 138000）

1 前言

近年來國內(nèi)外石油行業(yè)都在努力發(fā)展長沖程、大載荷的無游梁式抽油機(jī)，其中液壓抽油機(jī)發(fā)展較快，在國外液壓抽油機(jī)發(fā)展相對較為成熟,并得到了油田生產(chǎn)的廣泛應(yīng)用；在國內(nèi)由于液壓元件制造水平等種種因素的制約,進(jìn)行了零星試驗(yàn)，但總體不成規(guī)模，發(fā)展緩慢。應(yīng)用的機(jī)型中以有繩輪型居多，常規(guī)液壓抽油機(jī)都采用滑輪和鋼絲繩組合，鋼絲繩使用壽命、主機(jī)和套管對中問題是常規(guī)液壓抽油機(jī)存在的技術(shù)缺陷。如何提高主機(jī)主要部件壽命，提高液壓抽油機(jī)主機(jī)免修期。研究發(fā)現(xiàn)繩輪是液壓抽油機(jī)的重要易損件，為此本文技術(shù)思路徹底改變了這種傳統(tǒng)的技術(shù)路線，提出一種新型的無繩輪直連式液壓抽油機(jī)舉升技術(shù)，該技術(shù)主機(jī)中心線與套管中心線重合，對套管無偏載，抽油機(jī)活塞桿取代光桿，直接與抽油桿對接，避免了系統(tǒng)中使用繩輪和鋼絲繩等易損件，同時(shí)修井作業(yè)時(shí)，主機(jī)可像油管一樣拆卸，不影響修井作業(yè)。“一機(jī)雙井”技術(shù)是一個(gè)液壓站可同時(shí)驅(qū)動兩臺主機(jī)，實(shí)現(xiàn)降低一次性投資成本。在設(shè)計(jì)過程中，以長期節(jié)能性和整體穩(wěn)定性為原則，通過充分利用下行程時(shí)重力勢能解決了降低液壓抽油機(jī)能耗的問題，同時(shí)通過采用U型管配重解決了在頻繁換向的液壓系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)主機(jī)平穩(wěn)換向、減小振動的問題。

隨著我國液壓技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)的迅速發(fā)展，“一機(jī)雙井”液壓抽油機(jī)舉升技術(shù)必然得到進(jìn)一步發(fā)展，尤其是在當(dāng)前低油價(jià)的國際形勢下，所研發(fā)的無繩輪直連型液壓抽油機(jī)必將具有廣闊的市場。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型液壓抽油機(jī)設(shè)計(jì)主要考慮由液壓抽油主機(jī)、液壓站、控制系統(tǒng)和連接管線構(gòu)成。

2.1 液壓抽油主機(jī)設(shè)計(jì)

目前國內(nèi)外常規(guī)液壓抽油機(jī)都采用滑輪和鋼絲繩組合，鋼絲繩使用壽命、主機(jī)中心線和套管不對中是難以避免的技術(shù)問題。如何徹底解決這些問題，必須創(chuàng)新思路，提高主機(jī)主要部件壽命，從而提高液壓抽油機(jī)主機(jī)免修期。因此設(shè)計(jì)一種活塞桿與井下抽油桿直連的液壓抽油主機(jī)，這樣既實(shí)現(xiàn)了取消鋼繩和滑輪，也實(shí)現(xiàn)了主機(jī)中心線與套管中心線重合的目的，從而提高主機(jī)與井口的穩(wěn)定性，也能減小振動，其主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2（圖1為常規(guī)液壓抽油機(jī)）。抽油主機(jī)主要由沖程控制器防護(hù)罩、上缸帽、沖程控制屏蔽線、液壓缸、油管、快速接頭、下缸帽、井口卡箍頭、活塞桿等構(gòu)成。主機(jī)耐磨元件，采用鍍鉻處理，增加表面硬度，能有效防止活塞桿和缸套磨損。主機(jī)底座為法蘭式結(jié)構(gòu)，與井口法蘭匹配，上下面均設(shè)有密封鋼圈槽和12個(gè)M30螺孔，下面與井口大四通連接。

圖1 美國NOV液壓抽油機(jī)

圖2 液壓抽油主機(jī)

2.2 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心就是如何降低運(yùn)行能耗，單井抽油機(jī)設(shè)計(jì)主要是考慮如何充分利用好蓄能器，將抽油桿下行時(shí)的勢能轉(zhuǎn)化到蓄能器里存儲。為實(shí)現(xiàn)雙井抽油機(jī)更加節(jié)能，通過研究和多種方式的現(xiàn)場試驗(yàn)，本文提出液動直驅(qū)抽油機(jī)液壓原理設(shè)計(jì)為兩口井互為配重，一口井主機(jī)上行時(shí)，另一口井主機(jī)下行，下行井主機(jī)釋放上行時(shí)所儲存的重力勢能，給另外井做上行時(shí)動能，從而達(dá)到只對采出井液做有用功，而對舉升抽油桿和泵內(nèi)液體所做的無用功儲能利用，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的效果。液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖3。同時(shí)考慮液壓系統(tǒng)工作穩(wěn)定性問題，在頻繁換向的液壓系統(tǒng)中，換向穩(wěn)定性不好，進(jìn)過研究和多次試驗(yàn)設(shè)計(jì)在泵出口設(shè)置蓄能器減小換向沖擊的方式，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場平穩(wěn)換向，目前現(xiàn)場試驗(yàn)井換向基本無振動。

圖3 一機(jī)雙井液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3中各部件名稱如下：1-管路過濾器，2-液壓泵，3-蓄能器，4、5、6-單向閥，7、8-節(jié)流閥，9、10、11、12、13、14-截止閥

2.3 液壓站設(shè)計(jì)

液壓站設(shè)計(jì)主要考慮三個(gè)因素：一是輕便、易安裝；二是夏季考慮散熱系統(tǒng)，冬季考慮保溫；三是考慮電機(jī)產(chǎn)生的噪音。設(shè)計(jì)為長1700mm，寬1400mm，高1500mm的箱體，箱體考慮隔音系統(tǒng)，箱體設(shè)有門，門上設(shè)有百葉窗，夏季打開百葉窗利于散熱，冬季關(guān)閉百葉窗以利于保溫。液壓控制系統(tǒng)安裝在這個(gè)液壓站箱體內(nèi)，見圖4。

圖4 液壓站示意圖

3 “一機(jī)雙井”液壓抽油機(jī)工作原理

液壓抽油主機(jī)安裝在井口上，液壓站安放在井場合適位置，控制系統(tǒng)裝在液壓站箱體內(nèi)，液壓站與主機(jī)間用液壓管線連接。液動直驅(qū)抽油機(jī)主機(jī)采用液壓缸，通過液壓站提供動力源，驅(qū)動一臺主機(jī)活塞桿進(jìn)行舉升動作，舉升時(shí)帶動抽油桿，同時(shí)另一臺主機(jī)下降，互為配重，當(dāng)?shù)缴闲谐厅c(diǎn)時(shí)，兩臺主機(jī)換向，實(shí)現(xiàn)連續(xù)舉升采油動作。

工作過程：工作前首先向油箱注油，注油時(shí)打開排氣閥，空氣排凈后，關(guān)閉排氣閥，向油箱注油，當(dāng)液位液溫計(jì)顯示油箱液面高于下限值、低于上限值時(shí)停止注油。

主機(jī)Ⅰ和主機(jī)Ⅱ同時(shí)工作循環(huán)過程：

第一步，操縱控制系統(tǒng)使電磁換向閥的電磁鐵連電，電磁換向閥的PA口連通、BT口連通，啟動電機(jī)驅(qū)動液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)，液壓泵吸油口壓力降低，油箱內(nèi)液壓油達(dá)液壓泵吸油口、從排油口排出，再流經(jīng)電磁換向閥的P口、A口到達(dá)主機(jī)Ⅰ，推動主機(jī)Ⅰ活塞下行，主機(jī)Ⅰ活塞下行到下?lián)Q向點(diǎn)后，發(fā)出換向信號給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出換向指令。

第二步，接到換向指令后，電磁換向閥換向、PB口連通、AT口連通,主機(jī)Ⅱ活塞上行，主機(jī)Ⅰ排出的液壓油下腔直連主機(jī)Ⅱ下腔，使主機(jī)Ⅱ活塞上行到上換向點(diǎn)后，發(fā)出換向信號給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出換向指令。

不斷自動循環(huán)換向，兩個(gè)主機(jī)循環(huán)交替上行、下行，同時(shí)主機(jī)上升和下降的速度是受液壓泵排量控制的，獲得了節(jié)能、控速的雙重好處。

4 “一機(jī)雙井”液壓抽油機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)

4.1 技術(shù)參數(shù)的優(yōu)選

根據(jù)直連式液壓抽油機(jī)特點(diǎn)以及結(jié)合吉林油田低產(chǎn)液井需求，合理設(shè)計(jì)液壓主機(jī)沖程、沖次以及其他參數(shù)。

（1）液壓主機(jī)技術(shù)參數(shù)

最大懸點(diǎn)負(fù)荷：50-120KN

最大沖程：1800-6000mm

最大沖程時(shí)沖次：0-2.7次

油缸外徑：φ120-130mm

油缸內(nèi)徑：φ70-100mm

活塞桿直徑：φ40-60mm

活塞桿行程：900-6000mm

（2）液壓站技術(shù)參數(shù)

油泵最大排量：25-180L/min，變量泵

油泵額定耐壓：31.5MPa；

電機(jī)輸出功率：5.5-37kW。

壓力變送器量程為0-30MPa

熱電偶量程為0-100℃

（3）技術(shù)特點(diǎn)

① 對套管無偏載，對套管傷害小；

② 活塞桿取代光桿，直接與抽油桿對接；

③ 無繩輪、無鋼絲繩、無懸繩器，無盤根盒，結(jié)構(gòu)簡單，易損件少；

④ 液壓沖擊小、震動小、發(fā)熱小，節(jié)能；

⑤ 可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)雙井，并且一臺主機(jī)檢修停機(jī)時(shí)，另一臺可正常工作；

⑥ 主機(jī)上行和下行速度均受控于液壓泵，換向平穩(wěn)；

⑦ 油箱上設(shè)有液位傳感器，油箱缺油時(shí)可自動停機(jī)保護(hù)；

⑧ 系統(tǒng)簡單、液壓元件少、無節(jié)流調(diào)速閥、維修簡單、更換易損件快捷。

4.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

截止2017年12月，“一機(jī)雙井”液壓抽油機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)40口井，工藝、流程以及液壓系統(tǒng)穩(wěn)定。一機(jī)雙井單井能耗在滿足地質(zhì)配產(chǎn)情況下較同區(qū)塊同型號常規(guī)游梁式抽油機(jī)降低25%左右。

表1 無繩輪直連型液壓抽油機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)芎那闆r表

圖5 無繩輪直連型液壓抽油機(jī)現(xiàn)場

展望未來，該技術(shù)將為難采儲量經(jīng)濟(jì)有效動用和改變已開發(fā)油田低產(chǎn)液、高能耗舉升技術(shù)現(xiàn)狀提供有力技術(shù)支撐，蘊(yùn)含巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益，有廣闊的市場前景。

5 結(jié)論

無繩輪直連型液壓抽油機(jī)的研制試驗(yàn)成功填補(bǔ)了國內(nèi)液壓采油行業(yè)的空白，通過現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用，取得了以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

（1）液壓抽油機(jī)舉升技術(shù)在東北高寒地區(qū)現(xiàn)場應(yīng)用是可行的；

（2）“一機(jī)雙井”無繩輪直連型液壓抽油機(jī)重量輕，安裝及后續(xù)作業(yè)方便，，并且一臺主機(jī)檢修停機(jī)時(shí)，另一臺可正常工作；

（3）無繩輪直連型液壓抽油機(jī)具有沖程、沖次可以無級調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)長沖程、低沖次、大泵徑舉升，減少桿管磨損，延長免修期等特點(diǎn)；

（4）無繩輪直連型液壓抽油機(jī)對套管無偏載，活塞桿取代光桿，直接與抽油桿對接，液壓沖擊小、震動小，無繩輪，易損件少。

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