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(fā)起始于19世紀60年代，發(fā)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(yīng)用于石油礦場資源的開發(fā)。

1 國外液壓抽油機的發(fā)展狀況

1.1 俄羅斯液壓抽油機的發(fā)展狀況

1965、1979、2005、2008 年俄羅斯專利產(chǎn)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(xiàn)預(yù)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(lián)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(qū)動活塞帶動油管上行抽井液，井液擠進環(huán)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(nèi)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(fù)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(huán)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(jié)構(gòu)簡圖

1.2 美洲液壓抽油機的發(fā)展狀況

1977、1998年加拿大專利產(chǎn)品[5]，與前述俄羅斯的產(chǎn)品基本相同，代表機型為下行程靠油管重量驅(qū)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(chǎn)品[6-8]，代表機型為驅(qū)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(yù)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(qū)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(zhuǎn)，進而驅(qū)動液壓泵給蓄能器加壓而回收重力勢能；重復(fù)步驟②，下行蓄能器回收抽油桿重力勢能也全部釋放。循環(huán)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(jié)構(gòu)簡圖

1.3 歐洲液壓抽油機的發(fā)展狀況

意大利SIVAM公司開發(fā)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(qū)動泵向蓄能器泵壓蓄能，蓄能壓力為P1，當(dāng)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(tǒng)發(fā)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(zhì)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(qū)動馬達帶動泵泵油，同時電機也驅(qū)動泵補能，補能壓力為P3（理論上為驅(qū)動井液上行提供能量），此時總驅(qū)動能為P1+P2+P3，推動液壓缸活塞上行抽取井液；循環(huán)步驟①②，實現(xiàn)井液的連續(xù)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(chǎn)品，代表機型為驅(qū)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(qū)動新一代液壓變壓器（馬達工況）驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)，將下行程重力勢能回收到飛輪；飛輪的儲存的能量和驅(qū)動動力一起驅(qū)動新一代液壓變壓器（泵工況），驅(qū)動液壓缸活塞上行，完成上行程，實現(xiàn)井液提升。如圖4所示[10]。

圖4 德國持續(xù)改進液壓抽油機專利結(jié)構(gòu)簡圖

2 液壓抽油機的技術(shù)分析[10]

如何蓄積抽油泵提升系統(tǒng)重力勢能是液壓抽油機正常運行乃至節(jié)能的關(guān)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(qū)動壓力P上為恒壓，重力勢能驅(qū)動液壓缸產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)無法向高恒壓網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)換為機械能，同時驅(qū)動另一泵工況將機械能轉(zhuǎn)換為壓能，使其壓力達到P1，P1在馬達工況下和電機共同驅(qū)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(xiàn)低恒壓網(wǎng)絡(luò)向高恒壓網(wǎng)絡(luò)傳遞能量，此方案需要兩個液壓二次元件串聯(lián)。

（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(zhuǎn)換為機械能，驅(qū)動飛輪高速旋轉(zhuǎn)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(qū)動液壓缸完成上行程，終了ω2＞ω0，利用飛輪來實現(xiàn)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(fā)展帶來跨越性飛躍。

3 液壓抽油機的發(fā)展啟示

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

（2）液壓抽油機的這些優(yōu)點深受國外內(nèi)油氣開采公司和油氣設(shè)備制造商的重視。發(fā)達國家，以美國、前蘇聯(lián)、加拿大、德國、法國、意大利等都進行深入研究，先后開發(fā)了十幾種不同形式的液壓抽油機，進行了現(xiàn)場應(yīng)用，2000年以前的產(chǎn)品應(yīng)用效果一般，主要表現(xiàn)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(yīng)井下油液量變，維持相應(yīng)的平衡；②液壓系統(tǒng)及相應(yīng)控制系統(tǒng)不完善；③液壓缸及液壓系統(tǒng)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(jīng)過幾十年的探索，2000年以后的產(chǎn)品，具有良好的應(yīng)用效果，集體表現(xiàn)在以下幾個方面：①效率高，采用飛輪、蓄能器蓄能可適應(yīng)井下油液量變，維持相應(yīng)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(chuàng)造了條件；③液壓二次元器件不斷推陳出新，液壓二次調(diào)控系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展，為液壓抽油機的更好應(yīng)用創(chuàng)造了良好的發(fā)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(chǎn)品進入規(guī)?；a(chǎn)推廣階段。

（4）海洋平臺石油開采進入中后期后，井下泵驅(qū)采油會不適應(yīng)井液量的日漸減少的狀況，液壓抽油機的應(yīng)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(qū)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(jié)束語

國內(nèi)對液壓抽油機19的研發(fā)大都局限在機械重力平衡上，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在石油礦場基本沒有應(yīng)用。

技術(shù)先進的新型液壓變壓器及液壓二次控制單元在國內(nèi)處于認識起步階段。

總之，液壓技術(shù)在國內(nèi)抽油機的應(yīng)用上任重而道遠。