高性能水力活塞抽油成套设备

1、高性能水力活塞抽油成套设备摘要梁式抽油设备与石油工业同步产生，沿用100多年，目前仍是机械采油设备的主流设备，由于抽油杆的存在，游梁式抽油设备效率低、抽汲深度有限、体积大，重量重、适用性差，成为制约石油工业发展的瓶颈。水力活塞抽油设备性能优良，但存在价格高、可靠性差、寿命短、运行费用高的致命缺点，以至逐渐退出应用领域。人们一直在试图找到一种能替代游梁式抽油设备的高性能机械采油设备，国内油田及制造企业一直在努力创新, 其中试验，应用的各种新型抽油机有一百多种，数万台，都没有实现根本的突破，无法取代游梁式抽油设备。这些努力主要都围绕改进和完善游梁式抽油设备展开。无法突破有杆泵技术性能低的天花板，一

2、直没有找到合适的方向。长期以来对水力活塞抽油设备研发不足，其实水力活塞抽油设备缺点和不足是可以克服的，克服了关键缺点的水力活塞抽油设备可以成为高性能的机械采油设备。关键词：机械采油设备；游梁式抽油设备；水力活塞抽油设备Whole set equipment of high-performance hydraulic driving oil pumping Abstract:Beam-pumping unit came up with petroleum industry which has been used for more than a century. And now it is sti

3、ll the mainstream for the artificial lift equipment. However, due to the existing of sucker rod, there are some disadvantages such as low efficiency, limitation of oil pumping depth, big and heavy equipment, and lack of availability. These disadvantages can be a bottleneck for petroleum industry dev

4、elopment. On the contrary, hydraulic driving pumping oil installation is of good performance. But its drawback is obvious: poor reliability, short life, high price, and high operating costs. These factors are fatal flaws that prevent it from continuing in use. People have been looking for a type of

5、high-performance artificial lift equipment to replace beam-pumping unit. Oil field at home and manufacturers are always trying to improve and innovate products. At present in China there are more than 100 kinds of new pumping unit for testing and application. But in these tens of thousands of equipm

6、ents are with no major breakthrough to replace beam-pumping unit. They focus on improving and perfecting beam-pumping unit rather than trying to break through the glass ceiling of sucker rod pump with low technical performance. For a long time, there are some shortages in the aspect of research and

7、development in the hydraulic pistons pumping equipments. Actually the shortages in hydraulic driving pumping oil installation can be overcome. Once we overcome these shortages the hydraulic driving pumping oil installation can become a type of high-performance artificial lift equipment.Keywords: Art

8、ificial lift equipment, Beam-pumping unit, Hydraulic driving pumping oil installation一、机械采油设备是制约石油工业发展的短板油田开发后期含水越来越高，节能降耗成为迫切需求。新勘探开发的油田多分布在艰苦地区，沙漠和深水海域。对机械采油设备性能指标提出了很高的要求，主要体现在对机械采油设备的效率、抽汲深度、方便性、性价比、使用寿命、广泛的适用性等方面，目前已探明的待采资源量中大都是难动用的资源，要把这些地区的储量有效地动用起来需要很高的开采技术，目前的抽油设备很难满足要求，研发高性能抽油设备是石油科技攻关重要任务

9、。1、游梁式抽油设备技术性能的局限性 抽油机,俗称磕头机,是一种常用的采油机械设备。一百多年前美国人发明了游梁式抽油机,沿用至今,其宏伟的身影成为油田身份标志，目前仍遍及全球大小油田， 游梁式抽油设备故障率低、寿命长是其主要优点，但同时存在技术性能指标低的不足：（1）效率低，平均效率在30%左右。游梁式抽油设备属于有杆抽油泵，使用抽油杆将地面机械动力传输到井底，受力的抽油杆与油管相互摩擦将消耗大量的额外功，另外抽油杆在提升和下放时受力不一样，抽油杆的弹性伸缩也要消耗一定的额外功，这是造成游梁式抽油设备效率低下的主要原因。（2）抽汲深度有限，不适合深抽。受游梁式抽油设备强度、特别是抽油杆弹性伸缩

10、及使用寿命的影响，抽油泵最大下入深度受到限制，不能进一步满足油井深抽挖潜的生产需要。开采超过3000米以上油藏，游梁式抽油设备能耗大、系统效率低。限制了游梁式抽油设备在深井的应用。（3）设备体积庞大，重量重，使用调整困难，不适合海上、高原、沼泽、沙漠等艰苦复杂地区使用。（4）斜井、平井使用困难，现代钻井技术的进步，油田大量使用斜井、平井，由于抽油杆的存在，游梁式抽油设备在斜井、平井中使用困难，甚至无法使用。（5）游梁式抽油设备难于实现长行程，对抽汲稠油不利，调参困难，广泛的适用性不理想。2、其它抽油设备使用情况其它机械抽油设备还包括电潜泵、螺杆泵、水力活塞泵、水力喷射泵、气举等。总量加起来占机

11、械采油设备的10%，远不能和游梁式抽油设备数量相比。油田开采条件差异很大，需根据不同的使用条件选用不同技术性能的装置。由于使用量少，使用条件各异，不同的渠道对各种其它机械采油设备性能描述不尽相同。从使用的情况看，电潜泵、螺杆泵的使用不断发展，技术性能不断提高，应用面逐渐增加。水力活塞泵在上世纪曾有一定数量的应用，之后报道逐渐减少，2000年以后国内基本停止了使用。水力喷射泵、气举仅在特定场合使用。二、全面提升机械采油设备技术性能的思路现代科学技术的发展，泵行业已经是机械工业一个重要领域。泵的种类五花八门，真正能够应用到油田采油的泵种类不多，原因是油田机械采油泵使用的条件相当严格，第一是压力高，

12、压力往往达到几十MPa；第二是井下环境狭小，多数油井井下直径只有十几厘米，泵的功率通常在几十千瓦，只有呈细长结构的泵才能下到井下，第三是动力传输距离远，井下泵的动力要靠地面提供，几十千瓦的功率传到几千米的井底是一件难度很大的事，目前只有三种形式的传输方式，一是用抽油杆往复或旋转的传递机械功率，二是用液压方式传输，三是用电力传输。综合考虑机械采油设备的工作条件，可用的动力传输方式双重因素，目前可用的机械采油设备只有寥寥几种方式。全面评价各种机械采油设备关键技术指标可以发现，人们长期忽视了水力活塞抽油设备的发展潜力。水力活塞抽油设备的一些关键技术指标十分优越，但也存在另一些关键技术指标严重不足的问

13、题。通过认真仔细的分析可以发现这些严重不足的关键技术指标不是原理性的，主要是技术实现上的问题。长期以来人们对水力活塞抽油设备的研究投入不足，国外一些关键技术并没有取得突破，水力活塞抽油设备应用只占机械采油设备很小的比例，国内随着上世纪末水力活塞抽油设备退出应用领域，很少有产品研究应用的报道，显然攻克水力活塞抽油设备缺点与不足是提升机械采油设备技术性能的一个可行方向，需要对水力活塞抽油设备优缺点作一个系统分析。1、水力活塞抽油设备优点：（1）机械效率高 抽油杆将机械功率传送到井下，大约要损失一半左右的功率，而水力活塞抽油设备用液压传输同样功率最大损失不会超过10%，用水作动力介质传输效率可以超过

14、98%，这是水力活塞抽油设备效率高的主要原因。（2）抽汲深度深现代石油工业对抽汲深度要求越来越高，原因是新的可开采的油田越来越深，从报道来看机械采油设备举升能力最强的就是水力活塞泵，水力活塞泵已经可以下放到5500米的深度,其它种类的机械采油设备，随着下放深度的加大其它技术指标下降严重，而水力活塞泵还能保持较好技术水平。（3）广泛的适应性油田油井种类广泛，差异巨大。有排量的不同，抽汲深度的不同，油品黏度的不同，竖直井斜井平井的不同，含水含砂含气的不同，环境的不同等。哪种机械采油设备适应性广泛，其应用前景就越广阔，水力活塞泵优越的技术性能可以使用于前述所有环境条件，具有广泛的适应性。（4）模块化

15、、系列化、自动化、智能化、信息化的优势水力活塞抽油设备可以增加和扩展多方面应用功能，使其功能更加强大。可以与现代信息技术结合创生出优越的自动控制功能，全部技术数据在线网络化管理，每一口井的抽油作业都可优化到最佳状态，整个运行和维护中央调度，最大发挥作业人员的效能。2、水力活塞抽油设备的缺点（1）性价比，同样规模的机械采油设备，水力活塞泵价格最高，这种价格是反常的，水力活塞抽油设备系统最简单，体积小、重量轻，应该价格最低，目前常用规格水力活塞泵单套售价在100万元左右，超过游梁式抽油设备两倍的价格，限制了水力活塞抽油设备在市场的使用，也就堵住了水力活塞抽油设备的发展之路。水力活塞抽油设备越不发展

16、，其市场规模就越小，因为产量小价格反到飚升，形成恶性循环。从分析的角度看水力活塞抽油设备应该价格低。水力活塞抽油设备地面设备主要是高压泵，常用的是三柱塞泵，其价格远低于地面游梁式抽油机，辅助设备与游梁式抽油设备相当，水力活塞抽油设备少用一套抽油杆，井下设备水力活塞泵比有杆抽油泵复杂一点，价格相差水平应该不是太大，水力活塞泵更换易损件的周期比有杆抽油泵短，但水力活塞泵维护起降泵时间短，费用低，所以维护费用不会很高，这样分析水力活塞抽油设备制造成本与售价应该最低，而其性能最好，所以水力活塞抽油设备具有最高的性价比。（2）水力活塞抽油设备在可靠性，寿命、维护工作量和维护成本方面性能不足，或严重不足水

17、力活塞泵在这一点上的不足是否可以克服，是研发高性能水力活塞抽油成套设备的关键所在。从技术层面上看这些不足并非技术原理上的不足，只是研发力度的不足，没有从技术角度实现它应有的功能。水力活塞泵泵端是柱塞泵，与有杆抽油泵一样。动力端是液压往复马达，液压往复马达是现用水力活塞泵的薄弱环节，只要解决好液压往复马达的技术实现问题，水力活塞泵的最大不足就可以克服了。液压往复马达的关键部件换向阀在油井中小尺寸、高压、润滑条件不良及频繁运动条件下故障率高、寿命短，在几十MPa高压下，要求换向阀不漏液必须在多个间隙配合面有极高的动态配合间隙，这样对机械加工和耐磨损提出极高的要求，造成了设备价格高、运行费用高、寿命

18、短的特点，限制了水力活塞泵的应用。国内能够生产水力活塞泵的企业仅有一个，主要引进仿造一类水力活塞泵，缺乏改进创新不断完善的能力，这样水力活塞泵原有的不足与缺点长期得不到改进。如果下决心攻克水力活塞泵液压往复马达的技术难点，解决好换向阀结构与材料的问题，水力活塞泵完全可以在寿命、维护工作量和维护成本，以及正常运行费用几个方面得到改善，达到完全实用的目标，关键是要找到解决问题的途径，用有效的技术手段提高它的寿命，降低维护工作量和维护成本，降低运行成本，使其可以和游梁式抽油设备相比，弥补水力活塞泵的最大短板。三、高性能水力活塞抽油成套设备项目研发情况1、研发情况介绍井下水力活塞泵是整个研发工作的重心

19、，它的突破与成功将决定整个项目是否成功。水力活塞泵是一种特殊工作条件下的高压液压系统，它工作在特殊的环境条件下，通常将传统的液压技术引用到这个领域，由于应用环境的复杂性，水力活塞泵的研发和生产具有较高的难度，世界上只有少数国家生产。国内有近百家生产游梁式抽油设备的厂家，产能严重过剩，国内只有一家公司（胜利泵业）生产水力活塞泵，80年代引进仿造国外产品，到90年代逐渐退出应用领域，缺乏有效的技术创新。高性能水力活塞抽油成套设备全部技术自主开发，在关键技术上取得突破，将水力活塞抽油设备技术推向一个新的台阶，水力活塞泵将重出市场，发挥应用优势。图为水力活塞泵液压原理图 水力活塞泵液压原理图说明：图示

20、为双作用井下水力活塞泵，总换向阀分先导阀和液动换向阀两部分，设在泵体中间，结构对称。泵的压力比P/E为1.15。活塞到达极限位置后推动先导阀换向，先导阀到位后用液力驱动换向阀换向，结构简约明晰，工作可靠。设置先导阀的目的在于增加换向阀的寿命，换向阀运动位置有限，只在很短的时间运行很小的距离，可有效降低磨损率。井上设备主要是高压动力泵，通常使用高压三柱塞泵，成套设备创新设计了液压增压泵作为高压泵，有独到的一些应用优势，使用效果良好。2、高性能技术指标的实现（1）效率水力活塞泵的效率很高，可以超过80%，地面设备效率可以超过80%，液压传输效率可以超过95%，总效率可以达到60%以上。效率是水力活

21、塞泵的技术优势，实现50%以上的总效率比较容易做到。（2）抽汲深度报道目前机械采油设备抽汲深度最深的是水力活塞抽油设备，我们实现深抽的思路方法是改变泵的压力比，将压力比P/E大于1的抽汲深度定为2000米，将压力比P/E小于1的抽汲深度定为5000米，如果将压力比P/E设计为0.4,在动力液压力超过20MPa的条件下,抽汲深度就可达到5000米,动力液压力20MPa是目前很容易实现的常规压力,不增加动力液压力有一系列好处,可以降低抽油管的耐压要求,井下设备设计与制造在压力20MPa时远较50MPa简单,可以避免设备在大于50MPa超高压下运行一系列技术难点。（）具有广泛的适用性高性能水力活塞抽

22、油成套设备排量、抽汲深度大范围可调、适用于大多数油井，甚至适用于天然气井、煤层气井抽水，适用于平井斜井，适用于稠油井。地面设备体积小、重量轻便于安装维护，在海上、沙漠、高原、沼泽有独到的应用优势。（）方便实现模块化、自动化、信息化生产和管理高性能水力活塞抽油成套设备所有部件很容易实现模块化生产，模块化使用，统一标准，方便组合，方便集成，方便更换，方便维护，使设备始终处于最佳运行状态。高性能水力活塞抽油成套设备所有工作参数，包括抽汲深度，高压泵压力、流量，设备温度，电机功率，井场状况等都可方便实现遥测遥控，并可以实现自动控制。比如抽汲深度，检测高压泵下井压力，该压力反映液面高度，将该压力设计为地

23、质采油最佳值，偏离最佳值高压泵自动调整流量，始终使液面保持在最佳高度。高性能水力活塞抽油成套设备实现全面信息化管理，采集到的井场数据自动分析，出现故障时自动分析故障类型，所有数据实现物联网联网管理，自动维护系统将井场运行状态信息汇总到调度管理中心，根据故障类型调度管理中心遥控开启备份机或派员进行模块化替换维修，降低井场操作时间。在现代技术条件下，上述功能实现没有多大难度，关键是要有高性能水力活塞抽油成套设备这个载体。（5）性价比水力活塞抽油设备关键缺点除了可靠性差、寿命短，还有价格高、运行费用高的问题，同等规格的产品，水力活塞抽油设备是游梁式抽油设备两倍以上价格，水力活塞抽油设备还要分离井下提

24、取液的石油作为动力液，或使用含有添加剂的水基动力液，提高了运行费用。仔细分析水力活塞抽油设备价格不应该高，井下设备体积重量与有杆泵相仿，只是结构比有杆泵复杂一些，目前的价格是人为造成的价格虚高，国外进口或国内生产的产品价格高到难于接受的地步。高性能水力活塞抽油设备很好的解决了这个问题，地面设备价格远低于抽油机地面设备，井下水力活塞泵使用常规技术加工，不使用专用精密设备，水力活塞泵易损件都是低值部件，换向阀总成结构简单，安装更换容易。全套高性能水力活塞抽油设备制造价格远低于同规格全套游梁式抽油设备制造价格。高性能水力活塞抽油设备直接用水作动力介质，地表水、井下污水、海水均可，只要做简单的过滤祛除

25、固体颗粒即可，运行费用大幅度降低。（6）可靠性、寿命与维护工作量水力活塞泵的可靠性与寿命是常规水力活塞泵最大缺点，也是水力活塞泵退出应用市场的主要原因，高性能水力活塞抽油成套设备把这个问题作为最重要的问题来考虑，基于以下思路和方法来解决这一问题： 1）、分析水力活塞泵可靠性差，寿命短的原因水力活塞泵泵力端的结构是柱塞泵，与游梁式抽油设备的有杆泵相同，所不同的是动力端结构。有杆泵用的是抽油杆拉升，水力活塞泵用的是液压往复马达，显然液压往复马达比抽油杆结构复杂，问题就在液压往复马达。液压往复马达由泵筒、活塞、活塞连杆、换向阀组成。换向阀是水力活塞泵的独有结构，水力活塞泵自动换向和往复运动要靠换向阀

26、来实现。可靠性差问题就出在水力活塞泵换向阀。以水作为动力介质来讨论，井下高温高压条件下水的渗透性很好，换向阀在几十MPa的高压状态下要实现灵活移动换向，而不泄漏高压水介质，其配合间隙必须很小，而水的润滑性能比较差。这就对水力活塞泵换向阀加工精度、耐磨性能、机械强度（井下空间很小，零部件尺寸很小）提出了很高的要求，这些要求很难同时满足，即便是现代化的今天。靠间隙密封的水力活塞泵换向阀由于密封面很短，若单边间隙由0.005mm变为0.1mm左右时，已基本确认该阀换向功能失效。换向阀一旦失灵，水力活塞泵便立即停止工作，水力活塞泵恰恰在这个关键元件方面是最薄弱的。水力活塞泵液压往复马达属液压系统。液压

27、系统用油作动力介质技术很成熟，用水作动力介质应用很少。水力活塞泵初衷是用水作动力液，用水作动力液很难满足密封与润滑要求，多数水力活塞泵并不使用水作动力介质，而是用石油作动力介质，因此实用的水力活塞泵名不副实。油田进入开采后期，含水率越来越高，把油井提取液中的石油分离出来作为动力液，分离成本也越来越高，导致水力活塞泵最后被迫放弃，这是水力活塞泵退出应用的原因之一。2）、解决好水力活塞泵换向阀存在的问题解决水力活塞泵换向阀可靠性需要解决耐磨损、动密封特性、加工难度、成本等问题，人们研制出了形形色色的水力活塞泵换向阀结构，其思路借鉴传统液压技术。需要跳出这种思路处理问题，问题才有可能得到解决。高性能

28、水力活塞抽油设备全新设计了换向阀结构，完全使用水作动力介质，在不断选择、更改、优化试验结果的基础上找到了有效方法，实现了耐磨损的长效密封结构和成本低，加工难度小的目标。解决好这些问题高性能水力活塞泵换向阀比传统水力活塞泵性能大为改善，但可靠性还无法与有杆抽油泵相比，有杆泵的检泵周期平均长达一年，高性能水力活塞泵的正常工作时间大致在一到数月之间。这个问题的解决思路是这样的，有杆泵检泵时间大约12天，费用23万，而水力活塞泵检泵时间约2小时，总费用13千元。有望与有杆泵持平。3）、地面设备的问题 水力活塞抽油设备地面设备主要是高压水泵，通常是三柱塞泵，它的故障率也要高于游梁式抽油机，为此研发出了液压增压泵作为高压水泵，新开发出了长效密封结构，有望提高它的使用寿命。目前国内外高压水泵技术突飞猛进，尤其是精密工业陶瓷结构的高压泵，地面高压泵的寿命有望不断加长。地面高压水泵的价格远低于抽油机，在使用中可