□ 張 韜

中石化勝利油田分公司 勝利采油廠 山東東營 257301

1 應(yīng)用背景

隨著石油行業(yè)的不斷發(fā)展,對(duì)不同油藏的開采要求也在不斷提升,精細(xì)化油田開發(fā)已成為采油工藝發(fā)展的趨勢(shì)。由于開發(fā)用地的緊張,陸上油田的開發(fā)叢式井、井工廠越來越多,對(duì)排采設(shè)備的占地面積提出了更高的要求。隨著油田勘探、開發(fā)的深入及居住小區(qū)的擴(kuò)展,油田生產(chǎn)區(qū)和住宅區(qū)出現(xiàn)了交叉現(xiàn)象,為了滿足油田居民安靜生活的需要,低噪聲、無運(yùn)動(dòng)污染抽油機(jī)的應(yīng)用受到現(xiàn)場(chǎng)重視。海上稠油和邊際資源的開發(fā)對(duì)占地面積小、沖程沖次連續(xù)可調(diào)、有桿抽油系統(tǒng)的需求增加,液壓式抽油機(jī)是最有競(jìng)爭力的機(jī)型。目前,液壓式抽油機(jī)的種類繁多,如何選擇一種適合油田需求的機(jī)型,成為在油田推廣的重點(diǎn)。液壓式抽油機(jī)從構(gòu)成上分為液壓站和井口桿柱驅(qū)動(dòng)兩部分,液壓站的液壓回路主要有泵與控制閥、泵馬達(dá)與控制閥兩大類,桿柱驅(qū)動(dòng)有多滑輪增程、單滑輪增程、高架直驅(qū)、低矮直驅(qū)等。經(jīng)過對(duì)比分析,選擇了一種基于泵馬達(dá)的低矮直驅(qū)液壓式抽油機(jī)在勝利油田某采油廠現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行近2 a的現(xiàn)場(chǎng)試用試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)試用試驗(yàn)結(jié)果表明,該抽油機(jī)在油田具有一定的推廣價(jià)值,并為液壓式抽油機(jī)的設(shè)計(jì)和選型提供了經(jīng)驗(yàn)。對(duì)該抽油機(jī)基本結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況進(jìn)行介紹,可以為抽油機(jī)設(shè)計(jì)和油田使用人員提供參考。

2 低矮直驅(qū)液壓式抽油機(jī)選型

抽油機(jī)的主要功能是將電機(jī)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為懸點(diǎn)的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)抽油桿柱和抽油泵上下運(yùn)動(dòng),將采出液舉升至地面。抽油機(jī)上沖程時(shí)懸點(diǎn)的載荷方向與速度方向相反,為阻力。抽油機(jī)下沖程時(shí)載荷方向與速度的方向相同,為動(dòng)力。為了保障抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常工作,必須設(shè)計(jì)平衡系統(tǒng),使上、下沖程電機(jī)均對(duì)外做功。抽油機(jī)主要由三個(gè)功能模塊組成,即換向模塊、桿柱驅(qū)動(dòng)模塊、平衡模塊。換向模塊的功能是切換進(jìn)入液壓缸的液壓油流向。桿柱驅(qū)動(dòng)模塊的功能是將液壓缸運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)桿柱運(yùn)動(dòng)。平衡模塊目前有重塊平衡、液力平衡、復(fù)合平衡等形式,結(jié)構(gòu)與液壓系統(tǒng)的選擇設(shè)計(jì)和桿柱驅(qū)動(dòng)模塊的結(jié)構(gòu)有關(guān)。采用重塊平衡方式,多選擇增程形式桿柱驅(qū)動(dòng)模式。采用液力平衡方式,需要安裝蓄能器,平衡系統(tǒng)集成在液壓站內(nèi)。換向與動(dòng)力系統(tǒng)統(tǒng)稱為液壓式抽油機(jī)的液壓站,可以單獨(dú)安裝。桿柱驅(qū)動(dòng)模塊安裝在井口上,兩者通常通過液壓管線連接。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)使用的低矮直驅(qū)液壓式抽油機(jī)如圖1所示。采用井口低矮直驅(qū)桿柱驅(qū)動(dòng)方式,可最大限度地減小占地面積,降低運(yùn)動(dòng)件外露導(dǎo)致的設(shè)備自身安全隱患,提升設(shè)備的適用性。液壓系統(tǒng)采用基于泵馬達(dá)的基本回路,雙井互為平衡方式,降低液壓閥的工作頻率,提升液壓站的可靠性,降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率配置。

圖1 低矮直驅(qū)液壓式抽油機(jī)

3 液壓回路設(shè)計(jì)

為提升液壓站閥控系統(tǒng)的可靠性,采用了基于泵馬達(dá)的液壓回路設(shè)計(jì),如圖2所示。

圖2 液壓回路

圖2中,G為油井的桿柱載荷,7、18為驅(qū)動(dòng)油井桿柱運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)油缸,9、17為液壓缸回程時(shí)的壓力傳感器,10、16為液壓缸工作行程時(shí)的壓力傳感器,作為缸內(nèi)壓力的測(cè)量裝置。單向組合閥和控制閥用于缸內(nèi)進(jìn)入和排出液量的控制,進(jìn)而控制抽油機(jī)懸點(diǎn)的運(yùn)行速度和抽油機(jī)的沖次,實(shí)現(xiàn)所需運(yùn)動(dòng)規(guī)律和沖次抽吸的要求。

當(dāng)雙井工作時(shí),設(shè)驅(qū)動(dòng)油缸18驅(qū)動(dòng)的油井桿柱為上沖程,泵馬達(dá)3為泵工作狀態(tài),泵馬達(dá)2為馬達(dá)狀態(tài)。油井桿柱下行時(shí)驅(qū)動(dòng)油缸7內(nèi)的流體通過控制閥11、單向組合閥12驅(qū)動(dòng)泵馬達(dá)2,使泵馬達(dá)2與驅(qū)動(dòng)電機(jī)一起驅(qū)動(dòng)泵馬達(dá)3工作。高壓流體經(jīng)單向組合閥14、控制閥15進(jìn)入驅(qū)動(dòng)油缸18,完成驅(qū)動(dòng)油缸18的活塞上行,實(shí)現(xiàn)懸點(diǎn)上行的目的。蓄能器中的輔助流體通過電磁插裝閥13、單向組合閥14進(jìn)入控制閥15,共同推動(dòng)驅(qū)動(dòng)油缸18的活塞上行。反之,驅(qū)動(dòng)油缸18驅(qū)動(dòng)的油井桿柱為下沖程,泵馬達(dá)3轉(zhuǎn)換為馬達(dá)狀態(tài),泵馬達(dá)2為泵狀態(tài)。比例閥控制閥和單向控制閥聯(lián)合工作,實(shí)現(xiàn)雙井載荷差值較大時(shí)蓄能器的蓄能與釋放,起到輔助平衡的功能。

對(duì)于單井工作狀態(tài),設(shè)驅(qū)動(dòng)油缸18驅(qū)動(dòng)的油井為工作狀態(tài),上沖程時(shí)泵馬達(dá)3為泵狀態(tài),高壓流體經(jīng)單向組合閥14、控制閥15進(jìn)入驅(qū)動(dòng)油缸18。驅(qū)動(dòng)油缸18中的活塞上行,完成驅(qū)動(dòng)桿柱上行抽油的目的。蓄能器中的輔助液體通過電磁插裝閥4驅(qū)動(dòng)泵馬達(dá)2工作,此時(shí)泵馬達(dá)2為馬達(dá)狀態(tài),泵馬達(dá)2與驅(qū)動(dòng)電機(jī)一起驅(qū)動(dòng)泵馬達(dá)3工作,實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)油缸18活塞上行的目的。在下沖程時(shí),驅(qū)動(dòng)油缸18內(nèi)回流的流體通過控制閥15、單向組合閥14驅(qū)動(dòng)泵馬達(dá)3工作,此時(shí)泵馬達(dá)3為馬達(dá)狀態(tài),泵馬達(dá)3與驅(qū)動(dòng)電機(jī)一起驅(qū)動(dòng)泵馬達(dá)2工作,將高壓流體通過電磁插裝閥4存儲(chǔ)在蓄能器中,待工作沖程時(shí)使用,起到平衡的作用。

液壓回路系統(tǒng)采用雙缸驅(qū)動(dòng)雙井的基本方式,雙缸上下交替運(yùn)行工作,兩缸互為平衡,不需要額外增加平衡配重,充分利用電能和抽油桿柱的重力勢(shì)能,顯著提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)的載荷因數(shù),達(dá)到節(jié)能和降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)裝機(jī)功率的目的,可以使驅(qū)動(dòng)電機(jī)裝機(jī)功率下降40%～50%?？刂苹芈繁M量減少切換動(dòng)力液的流向,可以延長液壓閥的壽命。

4 桿柱驅(qū)動(dòng)方式選擇

液壓式抽油機(jī)采用低矮式井口直驅(qū)桿柱的驅(qū)動(dòng)方式,活塞桿直接與抽油桿連接,抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳遞線路如圖3所示。減少桿柱驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)構(gòu)件的數(shù)量,傳動(dòng)鏈最短,提升可靠性,降低制造成本。沒有外露運(yùn)動(dòng)件和日常維護(hù)部件,可提升抽油機(jī)自身的安全性,降低油田的日常維護(hù)要求?？梢詾橛吞锕?jié)約一根光桿,節(jié)約油田的設(shè)備購置成本。相比其它常用的桿柱驅(qū)動(dòng)方式,有兩點(diǎn)不足。第一,增加了井液密封。除一般液壓式抽油機(jī)活塞與缸體、活塞桿與缸體兩個(gè)動(dòng)力液密封裝置外,增加活塞桿與井口產(chǎn)出液密封裝置。第二,去除懸繩器,改變油田調(diào)整防沖距、測(cè)量示功圖方式。需要在設(shè)計(jì)時(shí)充分注意并解決上述問題,才能滿足油田的要求。

圖3 抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)傳遞線路

5 技術(shù)問題解決

5.1 產(chǎn)出液密封裝置

產(chǎn)出液密封裝置如圖4所示。在原井口上加裝具有帶卡箍頭結(jié)構(gòu),可以懸掛抽油桿柱,具有產(chǎn)出液通道的短節(jié)。在短節(jié)上設(shè)計(jì)提升底座,提升底座上部安裝抽油機(jī)的液壓缸,可有效將活塞桿與缸體的密封和活塞桿與井口的密封分離,產(chǎn)出液密封通過卡箍頭與短節(jié)連接,并通過壓帽等裝置完成壓緊調(diào)整。當(dāng)需要更換產(chǎn)出液密封時(shí),將卡箍頭打開,將液壓系統(tǒng)的控制方式由自動(dòng)調(diào)整為手動(dòng),通過活塞越位運(yùn)動(dòng),將抽油桿與活塞桿的接頭提升至提升底座內(nèi),用專用卡瓦將抽油桿柱懸掛在短節(jié)上,卸開抽油桿與活塞桿的連接,由此可以方便地更換油井產(chǎn)出液密封。

圖4 產(chǎn)出液密封裝置

通過合理選擇密封結(jié)構(gòu)及長壽命、適合井液特征的密封材料,可以有效延長井液密封的壽命。

5.2 防沖距調(diào)整

采用活塞桿與抽油桿直接連接的方式,舍棄目前廣泛使用的抽油機(jī)懸繩器連接光桿,光桿連接抽油桿的方式,這樣無法采用油田目前普遍采用的通過光桿卡子二次調(diào)整懸繩器上光桿的懸掛位置進(jìn)行防沖距調(diào)整的方法,需要采用新的調(diào)整程序。對(duì)此,編制修井作業(yè)時(shí)調(diào)整防沖距的程序,主要步驟為:① 根據(jù)桿柱設(shè)計(jì)、泵型號(hào)和井液特性,計(jì)算桿柱的靜變形量;② 根據(jù)計(jì)算的變形量和下泵深度,配置抽油桿短節(jié)和桿柱總長;③ 下泵完成后在井口安裝短節(jié),用作業(yè)機(jī)起升桿柱,將桿柱懸掛在短節(jié)上;④ 連接活塞桿與抽油桿柱,利用液壓系統(tǒng)起升桿柱,安裝井液密封裝置,完成防沖距的調(diào)整。

為了滿足防沖距調(diào)整的需要,驅(qū)動(dòng)液壓缸的行程需大于抽油機(jī)的行程,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐和理論分析,實(shí)際行程應(yīng)滿足:

H=S+2～3 m

(1)

式中:H為抽油機(jī)高度;S為抽油機(jī)沖程。

對(duì)于沖程為6 m的抽油機(jī),桿柱驅(qū)動(dòng)裝置的總高度為9 m左右,整體高度較低,可滿足風(fēng)載下穩(wěn)定性的要求。

5.3 懸點(diǎn)示功圖

由于舍棄了懸繩器驅(qū)動(dòng)桿柱的結(jié)構(gòu),因此也改變了目前抽油機(jī)獲得懸點(diǎn)示功圖的方法。在液壓油缸主油路上設(shè)計(jì)測(cè)壓裝置,通過壓力傳感器分別檢測(cè)兩井液壓缸內(nèi)的壓力,通過計(jì)算獲得抽油桿柱的拉力。通過在液壓缸內(nèi)安裝磁滯位移傳感器,獲得抽油桿柱上部的位移。綜合兩個(gè)參數(shù),就可以獲得抽油機(jī)的懸點(diǎn)示功圖。

6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

6.1 樣機(jī)安裝與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行

新型液壓式抽油機(jī)于2020年5月完成廠內(nèi)樣機(jī)制造和型式試驗(yàn)后,于2020年12月15日在勝利油田某采油廠第三管理區(qū)完成雙井安裝,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),如圖5所示。兩臺(tái)液壓式抽油機(jī)設(shè)計(jì)為12型6 m抽油機(jī),A井沖程為2.5 m,B井沖程為4.5 m,沖次為3.5次/min。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

雙井運(yùn)行至2021年1月22日,由于B井發(fā)生井液密封磨損現(xiàn)象,改為A井單井運(yùn)行。廠家對(duì)井液密封進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),主要改進(jìn)如下:① 擴(kuò)大軟密封的尺寸;② 改進(jìn)密封結(jié)構(gòu),使用高耐磨和吸收性好的密封材料;③ 適當(dāng)擴(kuò)大間隙;④ 安裝抽油桿扶正器。重新涂裝后,于2021年4月10日進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),選擇沖次為2.5次/min,現(xiàn)場(chǎng)樣機(jī)如圖6所示,懸點(diǎn)示功圖如圖7所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)樣機(jī)

圖7 懸點(diǎn)示功圖

改進(jìn)后試驗(yàn)樣機(jī)安全運(yùn)行至2022年7月15日,安全運(yùn)行超過15個(gè)月,中途僅發(fā)生越位停機(jī)兩次、輕載保護(hù)停機(jī)兩次,更換磁滯位置傳感器一次,累計(jì)停機(jī)短于4 h,無其它運(yùn)行故障發(fā)生,運(yùn)行平穩(wěn)可靠,密封良好,經(jīng)過了冬季嚴(yán)寒和夏季炎熱的考驗(yàn)。

試驗(yàn)表明,液壓站的電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率為22 kW,相比原有兩臺(tái)12-4.8-73HB游梁式抽油機(jī)的裝機(jī)功率70 kW有顯著降低。試驗(yàn)樣機(jī)平均日耗電230 kWh,相比原有兩臺(tái)抽油機(jī)降低了25%以上,具有顯著的節(jié)能效果。

6.2 主要部件拆解

為了驗(yàn)證液壓式抽油機(jī)使用壽命和設(shè)計(jì)可靠性,于2022年7月15日對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)液壓站和兩臺(tái)桿柱驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)返廠進(jìn)行全面拆檢檢測(cè),拆檢表明,液壓缸的泄漏小于0.08 mL/min,標(biāo)準(zhǔn)允許量為0.2 mL/min,液壓站效率下降不大于1個(gè)百分點(diǎn),閥件工作正常,性能滿足使用要求,證明可以滿足現(xiàn)場(chǎng)使用的環(huán)境要求。使用15個(gè)月后的產(chǎn)出液密封如圖8所示,密封環(huán)如圖9所示,泵馬達(dá)使用前后特性對(duì)比如圖10所示。

圖8 產(chǎn)出液密封

圖9 密封環(huán)

圖10 泵馬達(dá)使用前后特性對(duì)比

針對(duì)拆檢和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需解決的問題,已經(jīng)完成了整體提升改造,準(zhǔn)備進(jìn)行油田擴(kuò)大使用試驗(yàn)。

7 結(jié)束語

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用表明,基于泵馬達(dá)的低矮直驅(qū)液壓式抽油機(jī)具有占地面積小、沖程沖次調(diào)整方便、整機(jī)裝機(jī)功率低、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)簡便、無本質(zhì)安全隱患、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),在油田有一定的使用空間。

經(jīng)過精心設(shè)計(jì)液壓站和產(chǎn)出液密封系統(tǒng),基于泵馬達(dá)的低矮直驅(qū)液壓式抽油機(jī)的可靠性和適應(yīng)性可以滿足油田需求。