“一机双井”直连式液压抽油机的设计

叶勤友 许建国 李兴科

（中国石油吉林油田公司油气工程研究院 吉林松原 138000）

1 前言

近年来国内外石油行业都在努力发展长冲程、大载荷的无游梁式抽油机，其中液压抽油机发展较快，在国外液压抽油机发展相对较为成熟,并得到了油田生产的广泛应用；在国内由于液压元件制造水平等种种因素的制约,进行了零星试验，但总体不成规模，发展缓慢。应用的机型中以有绳轮型居多，常规液压抽油机都采用滑轮和钢丝绳组合，钢丝绳使用寿命、主机和套管对中问题是常规液压抽油机存在的技术缺陷。如何提高主机主要部件寿命，提高液压抽油机主机免修期。研究发现绳轮是液压抽油机的重要易损件，为此本文技术思路彻底改变了这种传统的技术路线，提出一种新型的无绳轮直连式液压抽油机举升技术，该技术主机中心线与套管中心线重合，对套管无偏载，抽油机活塞杆取代光杆，直接与抽油杆对接，避免了系统中使用绳轮和钢丝绳等易损件，同时修井作业时，主机可像油管一样拆卸，不影响修井作业。“一机双井”技术是一个液压站可同时驱动两台主机，实现降低一次性投资成本。在设计过程中，以长期节能性和整体稳定性为原则，通过充分利用下行程时重力势能解决了降低液压抽油机能耗的问题，同时通过采用U型管配重解决了在频繁换向的液压系统中实现主机平稳换向、减小振动的问题。

随着我国液压技术和机电一体化技术的迅速发展，“一机双井”液压抽油机举升技术必然得到进一步发展，尤其是在当前低油价的国际形势下，所研发的无绳轮直连型液压抽油机必将具有广阔的市场。

2 系统结构设计

新型液压抽油机设计主要考虑由液压抽油主机、液压站、控制系统和连接管线构成。

2.1 液压抽油主机设计

目前国内外常规液压抽油机都采用滑轮和钢丝绳组合，钢丝绳使用寿命、主机中心线和套管不对中是难以避免的技术问题。如何彻底解决这些问题，必须创新思路，提高主机主要部件寿命，从而提高液压抽油机主机免修期。因此设计一种活塞杆与井下抽油杆直连的液压抽油主机，这样既实现了取消钢绳和滑轮，也实现了主机中心线与套管中心线重合的目的，从而提高主机与井口的稳定性，也能减小振动，其主机结构如图2（图1为常规液压抽油机）。抽油主机主要由冲程控制器防护罩、上缸帽、冲程控制屏蔽线、液压缸、油管、快速接头、下缸帽、井口卡箍头、活塞杆等构成。主机耐磨元件，采用镀铬处理，增加表面硬度，能有效防止活塞杆和缸套磨损。主机底座为法兰式结构，与井口法兰匹配，上下面均设有密封钢圈槽和12个M30螺孔，下面与井口大四通连接。

图1 美国NOV液压抽油机

图2 液压抽油主机

2.2 液压控制系统设计

液压控制系统的设计核心就是如何降低运行能耗，单井抽油机设计主要是考虑如何充分利用好蓄能器，将抽油杆下行时的势能转化到蓄能器里存储。为实现双井抽油机更加节能，通过研究和多种方式的现场试验，本文提出液动直驱抽油机液压原理设计为两口井互为配重，一口井主机上行时，另一口井主机下行，下行井主机释放上行时所储存的重力势能，给另外井做上行时动能，从而达到只对采出井液做有用功，而对举升抽油杆和泵内液体所做的无用功储能利用，进而达到节能的效果。液压系统结构图见图3。同时考虑液压系统工作稳定性问题，在频繁换向的液压系统中，换向稳定性不好，进过研究和多次试验设计在泵出口设置蓄能器减小换向冲击的方式，实现现场平稳换向，目前现场试验井换向基本无振动。

图3 一机双井液压控制系统结构图

图3中各部件名称如下：1-管路过滤器，2-液压泵，3-蓄能器，4、5、6-单向阀，7、8-节流阀，9、10、11、12、13、14-截止阀

2.3 液压站设计

液压站设计主要考虑三个因素：一是轻便、易安装；二是夏季考虑散热系统，冬季考虑保温；三是考虑电机产生的噪音。设计为长1700mm，宽1400mm，高1500mm的箱体，箱体考虑隔音系统，箱体设有门，门上设有百叶窗，夏季打开百叶窗利于散热，冬季关闭百叶窗以利于保温。液压控制系统安装在这个液压站箱体内，见图4。

图4 液压站示意图

3 “一机双井”液压抽油机工作原理

液压抽油主机安装在井口上，液压站安放在井场合适位置，控制系统装在液压站箱体内，液压站与主机间用液压管线连接。液动直驱抽油机主机采用液压缸，通过液压站提供动力源，驱动一台主机活塞杆进行举升动作，举升时带动抽油杆，同时另一台主机下降，互为配重，当到上行程点时，两台主机换向，实现连续举升采油动作。

工作过程：工作前首先向油箱注油，注油时打开排气阀，空气排净后，关闭排气阀，向油箱注油，当液位液温计显示油箱液面高于下限值、低于上限值时停止注油。

主机Ⅰ和主机Ⅱ同时工作循环过程：

第一步，操纵控制系统使电磁换向阀的电磁铁连电，电磁换向阀的PA口连通、BT口连通，启动电机驱动液压泵运转，液压泵吸油口压力降低，油箱内液压油达液压泵吸油口、从排油口排出，再流经电磁换向阀的P口、A口到达主机Ⅰ，推动主机Ⅰ活塞下行，主机Ⅰ活塞下行到下换向点后，发出换向信号给控制系统，控制系统发出换向指令。

第二步，接到换向指令后，电磁换向阀换向、PB口连通、AT口连通,主机Ⅱ活塞上行，主机Ⅰ排出的液压油下腔直连主机Ⅱ下腔，使主机Ⅱ活塞上行到上换向点后，发出换向信号给控制系统，控制系统发出换向指令。

不断自动循环换向，两个主机循环交替上行、下行，同时主机上升和下降的速度是受液压泵排量控制的，获得了节能、控速的双重好处。

4 “一机双井”液压抽油机现场试验

4.1 技术参数的优选

根据直连式液压抽油机特点以及结合吉林油田低产液井需求，合理设计液压主机冲程、冲次以及其他参数。

（1）液压主机技术参数

最大悬点负荷：50-120KN

最大冲程：1800-6000mm

最大冲程时冲次：0-2.7次

油缸外径：φ120-130mm

油缸内径：φ70-100mm

活塞杆直径：φ40-60mm

活塞杆行程：900-6000mm

（2）液压站技术参数

油泵最大排量：25-180L/min，变量泵

油泵额定耐压：31.5MPa；

电机输出功率：5.5-37kW。

压力变送器量程为0-30MPa

热电偶量程为0-100℃

（3）技术特点

① 对套管无偏载，对套管伤害小；

② 活塞杆取代光杆，直接与抽油杆对接；

③ 无绳轮、无钢丝绳、无悬绳器，无盘根盒，结构简单，易损件少；

④ 液压冲击小、震动小、发热小，节能；

⑤ 可以实现一机双井，并且一台主机检修停机时，另一台可正常工作；

⑥ 主机上行和下行速度均受控于液压泵，换向平稳；

⑦ 油箱上设有液位传感器，油箱缺油时可自动停机保护；

⑧ 系统简单、液压元件少、无节流调速阀、维修简单、更换易损件快捷。

4.2 现场试验

截止2017年12月，“一机双井”液压抽油机现场试验40口井，工艺、流程以及液压系统稳定。一机双井单井能耗在满足地质配产情况下较同区块同型号常规游梁式抽油机降低25%左右。

表1 无绳轮直连型液压抽油机现场试验能耗情况表

图5 无绳轮直连型液压抽油机现场

展望未来，该技术将为难采储量经济有效动用和改变已开发油田低产液、高能耗举升技术现状提供有力技术支撑，蕴含巨大的社会和经济效益，有广阔的市场前景。

5 结论

无绳轮直连型液压抽油机的研制试验成功填补了国内液压采油行业的空白，通过现场试验应用，取得了以下几点认识：

（1）液压抽油机举升技术在东北高寒地区现场应用是可行的；

（2）“一机双井”无绳轮直连型液压抽油机重量轻，安装及后续作业方便，，并且一台主机检修停机时，另一台可正常工作；

（3）无绳轮直连型液压抽油机具有冲程、冲次可以无级调节，可以实现长冲程、低冲次、大泵径举升，减少杆管磨损，延长免修期等特点；

（4）无绳轮直连型液压抽油机对套管无偏载，活塞杆取代光杆，直接与抽油杆对接，液压冲击小、震动小，无绳轮，易损件少。

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