本文摘要：摘要：液壓抽油機(jī)在石油開(kāi)采中能最大限度的發(fā)揮油井產(chǎn)能，充分節(jié)約能源，得到了國(guó)內(nèi)外油田工程技術(shù)人員的高度重視[1-6]。近年來(lái)，隨著液壓技術(shù)的提高，使液壓抽油機(jī)得到迅速地發(fā)展，并在油田生產(chǎn)中得到了一定的應(yīng)用。本文針對(duì)近5年國(guó)內(nèi)外液壓抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)、
摘要：液壓抽油機(jī)在石油開(kāi)采中能最大限度的發(fā)揮油井產(chǎn)能，充分節(jié)約能源，得到了國(guó)內(nèi)外油田工程技術(shù)人員的高度重視[1-6]。近年來(lái)，隨著液壓技術(shù)的提高，使液壓抽油機(jī)得到迅速地發(fā)展，并在油田生產(chǎn)中得到了一定的應(yīng)用。本文針對(duì)近5年國(guó)內(nèi)外液壓抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)、控制、配重等方面系統(tǒng)綜述液壓抽油機(jī)的研究進(jìn)展，討論目前存在的問(wèn)題和需要進(jìn)一步研究的方向。
關(guān)鍵詞：節(jié)約能源;液壓技術(shù);研究進(jìn)展;研究方向;電子期刊
1 前言
以液壓傳動(dòng)技術(shù)為特征的液壓抽油機(jī)具有采油經(jīng)濟(jì)性好、重量輕、體積小、沖程長(zhǎng)度及沖程次數(shù)可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)和工作性能優(yōu)越等特點(diǎn)。液壓抽油機(jī)可以有效提高采油效率并且節(jié)能效果顯著。隨著油氣田開(kāi)發(fā)的進(jìn)展，開(kāi)發(fā)油藏的類(lèi)型越來(lái)越復(fù)雜，高粘度油井、高含水量油井顯著增多，尤其近年來(lái)油藏儲(chǔ)量遞減加劇，投入開(kāi)采的儲(chǔ)油層深
度及掛泵深度也不斷增加，為了保證生產(chǎn)，對(duì)液壓抽油機(jī)的要求也越來(lái)越深入[7-10]。從80年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外對(duì)液壓抽油機(jī)的研究皆日趨熱烈，取得了很多研究成果。目前液壓抽油機(jī)存在的主要問(wèn)題是：系統(tǒng)裝機(jī)功率高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)械結(jié)構(gòu)受力和抽油機(jī)的體積增加等。針對(duì)上述問(wèn)題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了組合液壓缸節(jié)能液壓抽油機(jī)、新型電液比例控制液壓抽油機(jī)、基于二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)—變頻回饋技術(shù)的電能回饋型液壓抽油機(jī)等新型液壓抽油機(jī)的研究報(bào)道，本文針對(duì)近5年內(nèi)，從國(guó)內(nèi)外液壓抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)、控制、配重等方面綜述液壓抽油機(jī)的進(jìn)展情況。
2 國(guó)內(nèi)液壓抽油機(jī)的研究進(jìn)展
2.1 組合液壓缸節(jié)能液壓抽油機(jī)
2008年，煙臺(tái)大學(xué)與山東康達(dá)噴油泵有限公司聯(lián)合研制了組合液壓缸節(jié)能液壓抽油機(jī)。這是一種組合液壓缸與蓄能器相結(jié)合的液壓抽油機(jī)，該抽油機(jī)在組合液壓缸的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了創(chuàng)新，能夠回收下行程時(shí)抽油桿釋放出來(lái)的重力勢(shì)能，在上行程時(shí)重新利用，具有顯著的節(jié)能效果[11-14]。
1 液壓泵 2、3 溢流閥 4 單向閥 5 蓄能器
6 電液換向閥 7組合液壓缸Ⅰ 8 大活塞桿
a)組合液壓缸Ⅰ
1 液壓泵 2、3 溢流閥 4 單向閥 5 蓄能器
6 電液換向閥 7組合液壓缸Ⅰ 8 柱塞
b)組合液壓缸Ⅱ
這種組合液壓缸有兩種組合形式，如圖1所示。組合液壓缸Ⅰ由一個(gè)活塞缸和一個(gè)柱塞缸構(gòu)成，活塞缸的大活塞桿用于起升抽油桿，小活塞桿兼作柱塞缸的柱塞。組合液壓缸Ⅱ與液壓缸Ⅰ構(gòu)造相似，但柱塞缸的柱塞用于起升抽油桿并兼作活塞缸的缸筒，活塞缸的活塞桿固定在柱塞缸的底蓋上。在這兩種類(lèi)型組合液壓缸的液壓抽油機(jī)中，組合液壓缸都可以分成3個(gè)油腔Q1、Q2和Q3。Q1腔的油口都與蓄能器相連，Q2、Q3腔的油口分別與電液換向閥的兩個(gè)油口相連。通過(guò)換向閥的換向，Q2、Q3腔交替與高低壓油相通。此外，組合液壓缸Ⅰ的大活塞桿或組合液壓缸Ⅱ的柱塞上部裝有動(dòng)輪架，其上安裝動(dòng)滑輪，與安裝在缸筒上的定滑輪構(gòu)成增距3倍的滑輪系統(tǒng)。當(dāng)大活塞桿或柱塞在油壓作用下向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，與之相連的動(dòng)輪架和動(dòng)滑輪也同步上升，通過(guò)滑輪系統(tǒng)使大鉤帶動(dòng)抽油桿實(shí)現(xiàn)上行程作業(yè);當(dāng)大活塞桿或柱塞向下縮回時(shí)，實(shí)現(xiàn)抽油桿的下行程作業(yè)，如圖2所示。
1 動(dòng)輪架;2 大活塞桿(柱塞);3 定滑輪;
4 缸筒;5 動(dòng)滑輪;6 鋼絲繩;7 大鉤;8 抽油桿
此外，該液壓抽油機(jī)可以對(duì)沖程長(zhǎng)度及沖次進(jìn)行調(diào)節(jié)，且操作簡(jiǎn)便。只需改變行程開(kāi)關(guān)的位置就可調(diào)節(jié)沖程長(zhǎng)度，而沖次可通過(guò)調(diào)節(jié)變量液壓泵的排量進(jìn)行調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)[15]。
該型液壓抽油機(jī)的組合液壓缸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，且體積和占地面積相對(duì)較小。但多處需要密封，導(dǎo)致密封性能差。抽油機(jī)負(fù)載非均勻，并且抽油過(guò)程中，換向頻繁，致使其壽命縮短。
2.2 新型電液比例控制液壓抽油機(jī)
2009年年初，浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與遼河油田分公司鉆采工藝研究院共同研制出了新型電液比例控制液壓抽油機(jī)，該抽油機(jī)滿(mǎn)足以下技術(shù)指標(biāo)：上沖程負(fù)載120kN，下沖程負(fù)載20kN，最大沖程5m，最大沖次3min-1[16]。
2.2.1 新型電液比例控制液壓抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)
該抽油機(jī)采用新型復(fù)合缸結(jié)構(gòu)，這種新型復(fù)合缸由一個(gè)中心腔和兩個(gè)旁側(cè)腔構(gòu)成，當(dāng)電液比例閥處于下位時(shí), 油液通過(guò)液壓鎖7.2進(jìn)入復(fù)合缸的中心腔,與蓄能器的壓力油共同平衡上沖程載荷, 推動(dòng)負(fù)載端上行, 旁側(cè)腔油液能過(guò)液壓鎖7.1回油;當(dāng)電液比例閥處于上位時(shí), 油液通過(guò)液壓鎖7.1進(jìn)入復(fù)合缸的旁側(cè)腔,與下沖程載荷共同推動(dòng)負(fù)載端下行, 并克服蓄能器產(chǎn)生的壓力使其油液回充;當(dāng)其處于中位時(shí),系統(tǒng)主油路處于卸荷狀態(tài), 此時(shí)利用雙向液壓鎖7.1、7.2可將復(fù)合缸固定鎖死。當(dāng)蓄能器11油液壓力低于正常工作壓力時(shí)，利用補(bǔ)油泵12可對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)油增壓，其液壓原理如圖3所示。
1 油箱 2 過(guò)濾器 3 電機(jī) 4 主泵 5 安全閥
6 比例閥 7.1、7.2 雙向液壓鎖 8 截止閥
9 復(fù)合缸 10 負(fù)載端 11 蓄能器 12 補(bǔ)油泵
圖3 新型電液比例控制液壓抽油機(jī)原理圖
2.2.2 新型電液比例控制液壓抽油機(jī)的配重系統(tǒng)
在該抽油機(jī)中，技術(shù)人員除去傳統(tǒng)的機(jī)械配重，改用以蓄能器為載體的且配重量可調(diào)節(jié)的液壓配重的方式，不僅在空間上節(jié)省了占地面積，并且適用于各種工作場(chǎng)合，安全系數(shù)也明顯提高，特別是在需要遠(yuǎn)距離配重平衡的場(chǎng)合，其優(yōu)勢(shì)更加明顯。根據(jù)理論計(jì)算可知，利用液壓配重在上沖程可平衡超過(guò)1/2的負(fù)載，大幅度降低了系統(tǒng)的裝機(jī)功率，從而達(dá)到提高系統(tǒng)效率的目的。
2.2.3 新型電液比例控制液壓抽油機(jī)的控制系統(tǒng)
在本液壓系統(tǒng)中，通過(guò)控制電液比例閥的輸入電流或電壓以控制閥口的切換方向和開(kāi)度，繼而控制油路中油液的流量和方向，最終使液壓缸擬合預(yù)先設(shè)計(jì)的速度曲線(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，并且通過(guò)修改系統(tǒng)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)沖程沖次無(wú)極可調(diào)[17]。
該型液壓抽油機(jī)的液壓缸結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且密封性能差。但其配重方式和控制系統(tǒng)有很大創(chuàng)新，不僅操作簡(jiǎn)便，而且?guī)?lái)的效益也相當(dāng)可觀(guān)。此抽油系統(tǒng)采用的液壓配重很好的解決了負(fù)載非均勻的問(wèn)題，使抽油過(guò)程中磨損減小，但是并沒(méi)有克服頻繁換向引起的摩擦，導(dǎo)致液壓抽油機(jī)的使用壽命延長(zhǎng)幅度較小。
2.3 基于二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)—變頻回饋技術(shù)的電能回饋型液壓抽油機(jī)
2009年年末，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、哈飛集團(tuán)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所與大慶力神泵業(yè)有限公司通過(guò)將“二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)技術(shù)”與“變頻回饋技術(shù)”有機(jī)地與液壓抽油機(jī)相結(jié)合，提出基于二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)—變頻回饋技術(shù)的電能回饋型液壓抽油機(jī)[18]。
該液壓抽油機(jī)中，在液壓泵/馬達(dá)與變頻回饋單元有所創(chuàng)新。液壓泵/馬達(dá)可以進(jìn)行液壓馬達(dá)與液壓泵工況的轉(zhuǎn)換, 因此可以達(dá)到回收負(fù)載的慣性能或重力勢(shì)能的目的。當(dāng)負(fù)載1上升時(shí)，液壓泵/馬達(dá)5工作為液壓泵工況，異步電機(jī)7工作為電動(dòng)機(jī)工況驅(qū)動(dòng)負(fù)載上升;當(dāng)負(fù)載1下降時(shí), 液壓泵/馬達(dá)5工作在液壓馬達(dá)工況，負(fù)載1下降的勢(shì)能驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)以高于異步電機(jī)7同步轉(zhuǎn)速的形式驅(qū)動(dòng)其工作，此時(shí)，異步電機(jī)7工作為發(fā)電機(jī)工況。該抽油機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
1液壓缸 2負(fù)載 3安全閥 4單向閥 5液壓泵/馬達(dá)
6油箱 7異步電機(jī) 8變頻回饋單元 9電網(wǎng)
而變頻回饋單元對(duì)負(fù)載的下降勢(shì)能進(jìn)行功率回收,并通過(guò)逆變器輸入電網(wǎng)進(jìn)行電能回饋，這種方式減少了同一電網(wǎng)多個(gè)抽油機(jī)的能量需求量，且效果比較顯著，能大幅度降低抽油過(guò)程中的電能消耗。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究表明，提高抽油機(jī)功率回饋率，既可以增加負(fù)載的下降速度，這種方式可以達(dá)到30%的節(jié)能率;又可在負(fù)載下降過(guò)程中，降低異步電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，一般異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速取為500rpm即可。
該型抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，并且通過(guò)液壓泵/馬達(dá)進(jìn)行液壓馬達(dá)與液壓泵工況的轉(zhuǎn)換及異步電機(jī)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)換，顯著降低了電能的消耗。在該機(jī)運(yùn)行中，避免了頻繁換向帶來(lái)的摩擦損失，提高了抽油機(jī)的運(yùn)行壽命[19-22]。
2.4 風(fēng)電互補(bǔ)液壓抽油機(jī)
2010年，山東建筑大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心將風(fēng)能作為液壓抽油系統(tǒng)的輔助動(dòng)力源，研制出風(fēng)電互補(bǔ)液壓抽油機(jī)。
2.4.1 風(fēng)電互補(bǔ)液壓抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)
該液壓抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖5所示，該機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)包括風(fēng)力供油支路和電力供油支路。在風(fēng)力供油的支路上設(shè)有節(jié)流閥, 并且在液壓泵與節(jié)流閥之間設(shè)置有蓄能器, 用來(lái)緩和由陣風(fēng)造成的液壓沖擊。
2.4.2 風(fēng)電互補(bǔ)液壓抽油機(jī)的配重系統(tǒng)
該抽油機(jī)利用蓄能器平衡負(fù)載、吸收陣風(fēng)和儲(chǔ)存能量，并且配以液壓配重的方式，將裝機(jī)功率從50.6kW降低到22Kw,顯著地降低了系統(tǒng)的裝機(jī)功率，從而達(dá)到提高系統(tǒng)效率的目的[23]。
2.4.3 風(fēng)電互補(bǔ)液壓抽油機(jī)的控制系統(tǒng)
風(fēng)力供油支路的油壓隨風(fēng)速變化而不斷變化，所以，在主油路上設(shè)置有壓力變送器，實(shí)時(shí)將主油路的壓力反饋給帶有PID功能的變頻器，通過(guò)變頻器來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，根據(jù)主油路中壓力傳感器的反饋，來(lái)調(diào)節(jié)電力供油支路的油壓，使液壓系統(tǒng)的總壓力恒定;此外，該抽油機(jī)還采用可編程序控制器PLC作為核心控制組件，通過(guò)行程開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)上下沖程間的切換;通過(guò)蓄能器平衡負(fù)載、吸收陣風(fēng)和儲(chǔ)存能量，從而降低了能耗，提高了采油效率。
1 風(fēng)力機(jī) 2 電動(dòng)機(jī) 3、4 液壓泵 5 油箱
6 過(guò)濾器 7 溢流閥 8 順序閥 9~ 11 蓄能器
12 電磁換向閥 13 電液換向閥 14、15 分流閥
16 節(jié)流閥 17 壓力傳感器 18~ 22 單向閥
23、24 截止閥 25、26 液壓缸 27~ 29 滑輪
30 鋼絲繩 31 光桿 32、33 行程開(kāi)關(guān)
該型液壓抽油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，操作也相對(duì)繁瑣。雖然系統(tǒng)中采用液壓配重方式，但由于換向頻繁的問(wèn)題，使該液壓抽油機(jī)的壽命提升空間較小[24、25]。
2.5 WCYJY改進(jìn)型液壓長(zhǎng)沖程抽油機(jī)
2013年遼河油田提出了WCYJY改進(jìn)型液壓長(zhǎng)沖程抽油機(jī)[26、27]。
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