直連式液壓抽油機的設計與應用

孫愛軍， 葉勤友， 孫 偉

(吉林油田公司油氣工程研究院)

油田開發中后期的中高含水油田，需要長沖程、低沖次的抽油機來提高油井的產液量和產油量。液壓抽油機具有整機結構緊湊、重量輕、長沖程、低沖次、參數調節方便，容易實現無級調速等特點，能夠更好地發揮油井潛能[1]。

目前常用的繩輪式液壓抽油機存在著裝機功率大、能耗高、繩輪易損壞等缺點[2]。如何降低裝機功率、降低能耗、提高其的工作壽命是提高液壓抽油機市場競爭力的關鍵。本文研究一種一個液壓站同時驅動兩個或多個直連式液壓抽油機，液壓抽油機無繩輪、無鋼絲繩、無懸繩器，無盤根盒，減少了抽油機的易損件，既降低了裝機功率，又節省能耗，大幅度地提高了液壓抽油機的工作壽命，實現了低油價下降低成本、增產增效目的。

一、系統的結構設計

1.直連式液壓抽油機結構設計

直連式液壓抽油機主要由沖程控制器防護罩、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(或井口法蘭)、活塞桿等構成。液壓抽油機坐于油井井口法蘭之上，活塞桿通過調距器與抽油桿對接，如圖1所示。

2.直連式液壓抽油機液壓系統工作原理

直連式液壓抽油機液壓系統工作原理如圖2。

圖1 直連式液壓抽油主機示意圖

圖2 液壓系統工作原理結構圖

其液壓系統由液壓控制回路、換向控制回路、液壓補油回路3個部分組成。一個液壓站同時驅動二個直連式液壓抽油機，主機1、主機2的下腔連通，電磁換向閥的出口分別接到兩臺主機上腔。液壓控制系統啟動電機驅動液壓泵運轉，油箱內液壓油經液壓泵吸油口進入、從排油口增壓排出，再經過電磁換向閥到達主機1上腔，推動主機1活塞下行，排出的液壓油經液壓油管返回到液壓站，經液壓后傳送供給主機2的下腔，推動主機2活塞上升。主機1活塞下行到下死點后，發出換向指令后，電磁換向閥換向主機2，將液壓泵排出高壓油推動主機2活塞下行，主機2活塞下行時排出的液壓油經液壓油管返回至液壓站，再經增壓后傳送供給主機1的下腔，推動主機1活塞上升。主機2活塞下行到下死點后，換向控制回路發出換向指令。

不斷循環換向，兩個主機循環交替上行、下行。下行主機釋放上行時所儲存的重力勢能，供給液壓控制回路中的蓄能器，再經液壓補油回路供給上行主機做上行時的動能。即達到只對采出井液做有用功，對舉升抽油桿和泵內液體所做的無用功進行儲能利用，回油壓力得到充分利用，又控制了回油速度，減輕了換向沖擊。主機上升和下降的速度是受排量控制的，獲得節省能耗、穩流控速的雙重功效。

當單個油井需要修井作業時，直連式液壓抽油機單機工作，將電磁換向閥出口A、B口分別接到單臺主機的上腔和下腔，通過開關截止閥即可實現單臺主機進行采油。

換向控制回路通過沖程控制器(即位移傳感器)在換向觸發信號消失后仍然鎖定在原位，只有在再次接收到換向觸發信號時才能發出換向指令，改變換向位置。

液壓補油回路是在液壓控制回路消耗掉一部分液壓時，補給液壓控制回路的液壓油。補給壓力由蓄能器釋放，由充油閥、放油閥根據油井載荷調定。當蓄能器中的壓力低于充油閥的調定壓力時，液壓補油回路通過液壓泵向液壓控制回路中補油，補油壓力由溢流閥來調定。

二、液壓控制的設計

1.控制界面設計

(1)控制面板設有電壓表、電流表、功率表、急停開關、“U”型口、人機界面、電源指示燈、手動/自動轉換開關、手動上行按鈕、手動下行按鈕、主油泵啟動按鈕、主油泵停止按鈕、主機1/主機2/雙機聯動轉換開關。

(2)人機界面設有操作界面、運行顯示界面、參數設定界面、示功圖顯示界面。

(3)操作界面可啟動/停止主泵、可啟動/停止加熱器、可啟動/停止冷卻器、可手動上行/下行。

(4)運行顯示界面顯示實時壓力值、實時溫度值、主機1實時位置值、主機2實時位置值、主機1運行模擬圖、主機2運行模擬圖、實時沖程值、實時沖次值、冷卻器運行/停止圖示、加熱器運行/停止圖示、系統運行/故障代碼。

(5)參數設定界面包含壓力上限值設定、油溫上限值設定、沖程控制器(位移傳感器)量程設定、沖程值設定、主機下換向點設定、開始加熱溫度設定、開始冷卻溫度設定。

(6)示功圖顯示界面有主機1/主機2示功圖顯示選擇、示功圖形顯示、實時位移/栽荷數值表、拷貝輸出示功圖操作鈕。

2.液壓站設計

液壓站設計主要考慮三個因素：①輕便、易安裝；②夏季考慮散熱系統，冬季考慮保溫；③考慮電機產生的噪音。設計為長1 700 mm，寬1 400 mm，高1 500 mm的箱體，箱體考慮隔音系統，箱體設有門，門上設有百葉窗，夏季打開百葉窗利于散熱，冬季關閉百葉窗以利于保溫。液壓控制系統安裝在液壓站箱體內。

液壓站必須具備：①液壓站主油泵應在空載下啟動；②液壓站應設有壓力超限、油溫超限、低液位自動停機保護功能；③在自動狀態下可控制直連式液壓抽油機自動換向、連續運行；④自動調整油溫、自動檢測實際沖程值并保持沖程在允許的公差范圍內、自動檢測沖次值并在顯示界面中顯示。

三、主要技術指標

1.直連式液壓抽油機

最大懸點負荷：50～120 kN；最大沖程：1 800～6 000 mm；最大沖程時沖次：0～2.7次；油缸外徑：120～130 mm；油缸內徑：70～100 mm；活塞桿直徑：40～60 mm；活塞桿行程：900～6 000 mm。

2.液壓系統

變量泵油泵最大排量：25～180 L/min；油泵額定耐壓：31.5 MPa；電機輸出功率：5.5～37 kW；壓力變送器量程：0～30 MPa；熱電偶量程：0℃～100℃。

四、技術特點

1.直連式液壓抽油機

(1)液壓抽油機的中心線與套管中心線重合，對套管無偏載，對套管傷害小；修井作業時，主機可像油管一樣拆卸，不影響修井作業。

(2)液壓抽油機的輸出力點在下法蘭與井口連接處，法蘭以上的液壓缸套只受液壓油的液壓力，無力學的穩定性問題，解決了換向時主機晃動現象。

(3)活塞桿取代光桿，通過調距器與抽油桿直接連接；工作時由壓載荷變為拉載荷，增速傳動變為等速傳動，活塞桿承受的載荷減小1/2。活塞桿直徑隨之下降，油缸外徑同時下降。

(4)由于取消了繩輪、支撐柱、光桿、懸繩器、井口盤根盒，使主機結構更加簡單、用材料量減少、耗能點減少，有利于提高系統效率。同時故障點隨之減少，更有利于提高設備免維護運行周期。

(5)采用U形管式液壓配重與液壓站蓄能器配合使用，簡化抽油機的結構，減小抽油機體積、重量和占地面積，安裝方便快捷。更適應灘涂、海上平臺和山區等條件惡劣地區的抽油作業。液壓抽油機重量只有同型號游梁抽油機的10%～20%[3]。

(6)沖次可以無級調節。由于液壓泵采用的是變量泵，調節它的排量實現抽油機沖次任意調節。

(7)沖程可以分級調整。抽油機的沖程是由設在油缸內部中的沖程控制器(即位移傳感器)來決定的，改變換向信號就可以方便地分級調整沖程。

2.液壓系統

(1)采用一個液壓站同時驅動兩口油井，設備投資低。由于共用一個液壓站，雙井同時采出原油，地面設備成本對比目前抽油機有較大優勢。

(2)采用U形管式液壓配重，降低裝機功率。下行主機釋放重力勢能，供給上行主機做上行時的動能，可大幅度地降低液壓抽油機的裝機功率。

(3)主機上行和下行速度均受控于液壓泵的排量，換向平穩。回油壓力得到充分利用，又控制了回油速度，減輕了換向沖擊，即節省能耗、又穩流控速。使抽油機實現不同的工作制度，適應不同工況的要求，延長油井的免修期。

(4)油箱上設有液位傳感器，油箱缺油時可自動停機保護。

(5)系統簡單、液壓元件少、無節流調速閥、維修簡單、更換易損件快捷。

五、現場應用

截止2016年12月，相繼在吉林油田淺、中、深井先導試驗55口井。其中“一站一井”液壓抽油機已無故障平穩運行1 500余天，對比泵效提高35%，驗證了系統的整體穩定性和在東北極寒環境的適應性。“一站雙井”液壓抽油機現場試驗55口井，工藝、流程以及液壓系統穩定。“一站雙井”單井能耗在滿足地質配產情況下較同區塊同型號常規游梁式抽油機降低25%左右。況見表1。

表1 直連式液壓抽油機現場試驗能耗情況表

注：泵徑為38 mm。

該技術將為難采儲量經濟有效動用和改變已開發油田低產液、高能耗舉升技術現狀提供有力的技術支撐，蘊含巨大的社會和經濟效益。

六、結論

(1)直聯液壓抽油機舉升技術適應東北高寒地區。在低油價下能夠發揮更大的技術優勢，可以達到降低成本，增產增效的功效，從而提高經濟效益。

(2)直連式液壓抽油機節能平衡方式獨特，屬于國內外首創，適應不同工況下油井采出要求，油井免修期更長。

(3)直連式液壓抽油機方便快捷地調節工作參數，適應不同油井的調參要求，拓寬了有桿泵舉升系統的應用領域[3]。

(4)直連式液壓抽油機重量輕、占地面積少，適應不同地理環境[4]。