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液压技术在抽油设备上的应用
【关键词】液压技术,机械采油,采油设备,应用
【论文摘要】介绍了液压技术在抽油设备上的应用优势，并对现阶段的应用状况作了分析，认为影响液压技术在抽油设备上应用的主要问题是可靠性、寿命、效率和发热，而解决的途径应从机械结构设计、机加工的质量、密封材料选择和液压元件的购置等4方面着手。提出为了使液压抽油机工作平稳可靠，可在泵出口处接一小型蓄能器；在野外工作时应考虑到风沙和环境的影响；液压传动技术在应用时要扬长避短。
自30年代以来，液压技术迅速发展并被应用到工业生产的各个领域。近几年来，国内外液压技术在抽油设备的应用都有明显的上升趋势。例如，在抽油机上应用液压技术，容易实现抽油机的长冲程、低冲次，可使抽油机的整机重量和占地面积都大大减少，这一特点尤其适合于海洋原油开采［1］。与常规游梁式抽油机相比，液压抽油机参数调节方便，容易实现无级调节，能很好地适应不断变化的井况，还可实现工作载荷的全过程平衡。如果在抽油机的传动链中加入液压传动环节，很容易实现工作参数的动态监测和自动控制。但由于抽油机恶劣的工况条件，液压设备的密封容易失效，液压元件的寿命较难保障。另外有的地区日夜温差大，对液压油的要求也比较高，为保证油温不超过60℃，需增加冷却系统。再有，液压设备维护要求比较严格，故障排除的技术性较强。这些因素都使液压技术在抽油设备上的应用受到一定的限制。
应用现状
目前，液压技术在抽油设备上的应用主要集中在液压式抽油机上，此外在一些抽油泵的驱动上也应用了液压技术，如水力活塞泵、液压驱动螺杆泵等，还有某些抽油设备中为实现某种功能引进了液压机构，如地面驱动螺杆泵的防反转机构。
液压式抽油机按照液压执行元件可分为液压缸式和液马达式两大类；按照平衡方式可分为气动平衡（蓄能器平衡）和机械平衡，而机械平衡的液压抽油机又包括配重平衡、双井平衡和油管平衡［2～3］。
液压缸式抽油机一般包含的设备有电动机、液压泵、油缸、机架、油箱、平衡系统等。其特点是系统结构简单，控制方便，冲程长度受油缸长度的限制，且冲程长时机架较高。最具代表性的液压缸式抽油机是前苏联的ΑΓΗ型液压抽油机（油管平衡）［2］、威克斯液压抽油机（蓄能器平衡）［4］和吉林工业大学的YCH—II型液压抽油机（蓄能器平衡）［3，5～8］。为了增大冲程长度而又不使机架过高，后期研制的液压缸式抽油机大多采用了增程设备，这种结合发挥了液压传动与机械传动的长处。例如，江汉机械研究所近期开发的CYJS14—5.5—80YY型液压抽油机采用了常规游梁式抽油机机架，使用液压驱动，加上新型动液面测量仪，与常规抽油机相比，整机质量减轻了30%～40%，节能20%～30%。另外一种降低机架高度的方案是用液压缸的活塞杆来代替光杆。例如，四川万兴科技发展有限责任公司近年来研制的全液压长冲程大载荷抽油机可不用井架、滑轮和平衡块，相对常规游梁式抽油机容积效率提高到88%。
液马达式抽油机的一般由电动机、液压泵、液马达、滚筒、机架、油箱和平衡系统等组成，其突出的特点是容易实现长冲程。这种抽油机通常都带有一个滚筒，所以又称为滚筒式液压抽油机。具有代表性的是法国MAPE型液压抽油机（配重平衡），我国兰州石油机械研究所设计、南阳石油机械厂试制的YCJ12—10—2500型液压抽油机（配重平衡）［7］和大庆油田的双井游动滑车抽油机（双井平衡）［3］。值得一提的是路甬祥院士提出的功率回收型液压抽油机，其最大特点是采用了容积调速系统，利用泵－马达系统，将换向时的能量尽可能地回收，使电动机工作平稳，理论上可以获得较高的系统效率［
9、10］。
液马达式抽油机既有配重平衡式也有气动平衡式。气动平衡的平衡效果较好，电动机的峰值电流较低，整机质量小，但系统稍嫌复杂，造价较高；配重平衡式结构简单，制造成本低，但平衡效果理论上略差，特别是在上下死点的换向过程中尤为明显。无论是气动平衡还是配重平衡都只考虑了整个冲程过程的能量平衡，而对换向时的能量无法完全回收，即电动机无法在恒定功率下工作，峰值电流较大。但从液压系统的角度来看，实现电动机恒功率工作是可以做到的。
存在问题及解决途径
1.可靠性
液压式抽油机是常年连续运转的大型野外工作设备，其工作条件非常恶劣，维护周期长，一旦出现故障，不仅要浪费大量的人力和物力，而且还可能影响油井的工作状态，降低油井的采收率，甚至出现砂堵等故障。所以，在设计寿命范围内保证较高的可靠性是液压式抽油机大批量投入工业生产的最首要的问题。
2.寿命
相对笨重的游梁式抽油机之所以能在迅速发展的原油开采领域占有一席之地，其主要原因就是寿命和维修周期长。因此，液压式抽油机的寿命指标必须赶上甚至超过游梁式抽油机。
3.效率
液压泵、油缸以及液马达都存在容积损失和机械损失；液压油流经阀件和管路时，或多或少都会产生压力损失，有的还会产生流量损失，这些能量损失必然会极大地影响液压式抽油机的系统效率，所以效率是影响其进一步推广的重要因素。
4.发热
液压系统件存在的容积损失、机械损失和压力损失绝大部分都以热能形式储存于液压油中，造成液压油的温度升高。液压油温度上升，一方面会使油粘度降低，润滑部位的油膜破坏，密封效果降低，密封材料过早老化；另一方面还会引起液压油蒸汽压升高，造成空穴和气蚀现象，影响系统设备的性能。一般认为，液压油油温不宜高于60℃。在这方面吉林工业大学进行了理论计算和现场试验，获得了一些理论和实测结果［8］。
要解决这些的问题，应从如下几方面入手。
（1）机械结构设计 机械结构设计是整台设备研制的前提，直接影响整机的外形尺寸、材料和能源的消耗，以及安装、操作、维修的便利程度（人机工程）和可靠性等方面的问题。
（2）机加工质量 机加工质量是影响液压设备可靠性、效率、寿命和发热的关键，也是制约液压技术推广应用的瓶颈问题，这一点可以从液压技术发展史上得到证明。目前国内已把电加工手段引入到一些重要配合面的表面加工上，使加工质量得到大幅度提高。
（3）密封材料的选择 选择密封材料时，不仅要注意其密封性、退让性、耐磨性，对于长期野外工作的液压设备，更应注意密封材料的发热性、散热性以及热膨胀性。密封材料的上述性能将对设备的效率、寿命和发热产生直接影响。
（4）液压元件的购置 市场上液压元件的质量差别很大，价格更是相差悬殊，所以选购液压元件时应非常慎重。对于液压抽油设备来说，性能占据了主导地位。这是因为，一方面，抽油设备功率较大，系统效率对其经济效益影响较大；另一方面，系统效率低，发热量大，相应的一次性投资就会增加；此外，抽油设备在野外工作，一旦液压元件出现故障，维修费用较高。所以，选购性能优越的液压元件，从长远的角度来看，其经济效益可能显著。
几点看法
(1)根据抽油机的工作过程可以绘制出抽油机的力平衡示意图，如图1所示。从图1可以看出，换向时，气动平衡驱动力的波动虽略低于机械平衡，但总体上看，两者的波动范围都比较大。所以，要获得满意的平衡效果，就必须完善换向过程的平衡。在配重平衡的滚筒式液压抽油机系统中如果采用恒功率变量泵－定量马达容积调速系统，靠变量泵本身调节能力进行调节，理论上可以实现比较全面的平衡。当驱动力增大时，泵排量降低，压力升高，增大了马达的输出扭矩，这样在不增大电动机输出功率的情况下，抽油机得以正常工作。为了使系统工作平稳可靠，可以在泵出口处接一小型蓄能器，从而使系统达到比较理想的工作效果。
图1 抽油机的力平衡示意图
(2)液压抽油机在沙漠中应用时应考虑到风沙的影响，在内地应用应考虑环境污染和采取防盗措施，在海洋平台上应用限制因素虽较少，但考虑到平台上空间的限制，应灵活布局，甚至采用“一泵多机”的工作方案。
(3)在抽油设备上，液压传动是一项很有发展前途的应用技术，但在某些方面还是无法取代其它传动技术。片面地强调“全液压”必将造成不必要的损失，在应用时要扬长避短。
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