高性能水力活塞抽油成套设备研究与实现

一、问题的提出

1、机械采油设备现状

提高机械采油设备性能是世界性的课题，本项目率先找到了大幅度全面提高机械采油设备技术性能的方向和方法，可以促进石油工业长足进步。世界范围内机械采油设备性能低下是制约石油工业发展的短板，一百多年以来随着科学技术的发展，石油工业得到广泛发展，成为世界工业的支柱产业之一。但是作为石油工业关键设备的机械采油设备性能低下发展缓慢，成为横亘在石油工业发展道路上的拦路虎，长期难于逾越。

国内主要油田开发后期采出液含水越来越高，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、高原和深水海域，储藏深度深，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中大多都是难动用的资源，要把这些地区的储量有效地动用起来需要提高目前的开采技术，研发高性能抽油设备是石油科技攻关的重要任务。

2、机械采油设备性能低下的原因

油田机械采油设备由于使用条件相当严格，能够在油田胜任的抽油泵种类不多，油田特殊的使用条件第一是压力高，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多厘米，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，泵的功率通常在几十千瓦，井下泵的动力要靠地面提供，几十千瓦功率的动力传到几千米的井底是一件难度很大的事，目前只有三种传输方式，一是用抽油杆往复或旋转的传递机械动力，二是用液压方式传输，三是用电力传输；第四是抽油泵在井底，将抽油泵升到地面工作量比较大，不适合频繁起降，需要抽油泵检泵周期长,即要求抽油泵工作寿命长。能用于油田的机械采油设备总共有游梁式抽油设备、水力活塞泵、潜油泵、螺杆泵、水力喷射泵、气举采油几种。

3、机械采油设备使用情况

游梁式抽油设备是机械采油设备的主流设备，使用面接近90%，游梁式抽油设备技术性能指标低下，表现在：效率低；抽汲深度有限；体积庞大，重量重，使用调整困难；不适合平井、斜井使用，虽然傻大笨粗，但突出优点是可靠性好，世界范围内广泛使用，是油田主流抽油设备。水力活塞抽油设备工作原理优秀，用液压传输动力，动力传输效率超过90%，还有抽汲深度深，适应性强，体积小、重量轻，适用于斜井、平井、稠油井等环境，具有模块化、自动化、信息化的优势。但常规水力活塞抽油设备存在价格高、可靠性差、运行费用高的致命缺点，这些缺点国内外长期没有能够解决，以至应用越来越少。潜油电泵用电缆传输动力到井下，由于电缆和井下电机的局限性，没能广泛推广。

从使用的情况看，近年来电潜泵、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、气举仅在特定场合少量使用。

二、克服制约石油工业发展的瓶颈，实现石油工业跨越发展

长期以来人们诟病游梁式抽油设备性能低下，一直在寻找替代的方法，作了大量的努力，研制了各种各样的机械采油设备，仅国内试验，应用的各种新型抽油机就有一百多种，数万台，都没有实现根本的突破，始终无法取代游梁式抽油设备，被戏称为打不倒的游梁式抽油机。

1、水力活塞抽油设备工作原理

全面评价、分析各种机械采油设备工作原理、关键技术指标发现，最有发展潜力的机械采油设备是水力活塞泵，水力活塞抽油设备工作原理十分优越，一些关键技术指标遥遥领先。水力活塞泵用液压方式工作，地面动力通过高压动力液传到井下，传输效率高，传输方法简单。高压动力液传到井下驱动一个液压往复马达的柱塞往复运动，柱塞的另一个端面与水力活塞泵一体，成为抽油泵的泵力端，结构简单流畅。与游梁式抽油设备相比，用液压往复马达取代了抽油杆的作用。

液压往复马达在地面实现起来相当成熟，在高压状态下液压马达对动力介质要求非常高，用特殊的液压油作动力液才能满足要求。在井下特殊环境下，液压马达功能受限，原因是井下液压马达动力传输远，动力液采用原油或水基动力液，

难于保证液压马达的换向阀所要求的润滑性、密封性和磨损要求。因此水力活塞泵液压马达可靠性差，故障率高，影响了应用效果。造成水力活塞泵价格高、可靠性差、运行费用高的三大缺陷。

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，国外一些关键技术也并没有取得突破，国外水力活塞抽油设备应用也只占机械采油设备很小的比例，国内是引进的国外技术，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。攻克水力活塞抽油设备缺点与不足的短板,把水力活塞抽油设备高性能技术指标优势释放出来,是提升机械采油设备技术性能的一个可行方向。

水力活塞抽油设备工作原理是所有机械采油设备中最优秀的，主要技术指标也是最好的，但价格高、可靠性差、运行费用高是致命性的缺点不足，迫使其退出实际使用的舞台，只保留在传统专业技术教科书中。

2、国内外水力活塞泵发展历程

1968年，胜利油田从美国科贝公司成套引进了排量为 40 m³/d 的 A 型水力活塞泵装置，试验表明设备性能良好。

1975 年胜利油田展开了国内水力活塞泵研制及国产化和配套工作。80 年代是水力活塞泵大发展的阶段。1983 年在胜利油田成立水力活塞泵技术服务中心，水力泵作为人工举升方式的采油井最多时超过1000口，但进人中高含水期，随着含水上升，动力液耗量急剧上升，生产成本过高，从而停用水力活塞泵，改为其他人工举升方式。到 2006 年全国已没有用水力泵作为人工举升方式的油井。

美国是世界上最早研究和生产水力活塞泵的国家，其成就代表了当今世界在水力活塞泵领域的最高水平。1932年美国最早工业性应用水力活塞泵，50年代推广，1986年统计，使用井数近13000口。一度人们从水力活塞泵原理优越出发，看好水力活塞泵的应用前景，但很长时间国外一些关键技术并没有取得突破，国外水力活塞抽油设备应用也只占机械采油设备很小的比例，进入21世纪关于国外水力活塞抽油设备的应用报道逐渐减少，水力活塞泵在国外没有获得大的发展。

3、水力活塞抽油设备油田油井设备组成

常规游梁式抽油机地面设备有20吨左右，井下设备有几吨，而水力活塞抽油设备地面设备只有一吨多，井下设备只有几百公斤，水力活塞抽油设备地面设备组成见图一：

         图图一  油田水力活塞抽油设备井口地面设备构成

  由图可以看出，油田水力活塞抽油设备井口地面设备构成十分简单，高压泵机组代替了庞大的抽油机，只多了一台体积很小的无动力油水分离罐。

三、研究和实现高性能水力活塞抽油成套设备的意义和目标

1、研发高性能机械采油设备是世界石油工业发展的急需

老油田含水越来越高，新油田越来越深，石油开采成本不断加高，如何把石油开采成本降下来，出路在于创新石油采油设备和方法。当今世界石油企业的激烈市场竞争，关键是技术的竞争。谁掌握了先进的油气勘探开发技术，谁就拥有了市场竞争优势。

机械采油设备性能低下是世界性的科研难题，中国无法用跟进的方法去提高采油技术，只能用创新实现技术超越发展，变跟跑为领跑。这种创新可能产生于强大的产品开发、技术开发能力，也可能产生于先进的思想理念。

2、找到了解决世界性科研难题的方向和方法

机械采油设备使用现状不能适应石油工业发展需求的问题长期没能得到有效解决，因为机械采油设备工作条件的严酷性和复杂性，大家认识问题的角度不同，众说纷纭莫衷一是，截至目前世界范围内人们并没有找到大幅度提高机械采油设备的技术性能的方向和方法。本研究项目将极大的提升水力活塞泵的实用性，大幅度提高机械采油设备的性能指标，机械采油设备是石油工业重大装备，使用相当广泛，高性能机械采油设备的出现将促使石油工业实现跨越式发展，意义重大。

3、本研究项目是原创性的重大科研成果

本研究项目来源于石油工业发展的急需，由研发团队独立创新完成，具有完整的知识产权。全面大幅度提高机械采油设备技术性能指标，可以促进石油工业向更广泛的广度，更深的深度挺进。加大对本项目技术的投入，尽早实现应用，可以推动社会技术进步，创造巨大的社会价值。

本项目成果有巨大的市场需求，国内外市场每年需求有几十亿到几百亿元。由于实现了技术水平的跨越，经过一定时间的努力，将成为更新换代的主流设备。高性能水力活塞抽油设备的出现将引领石油工业相关技术不断发展，采油能力大幅度提升，有效降低石油开采成本，引领石油工业向沙漠、海洋及西部难采油田进发。

四、本项目的成熟度及发展目标

 1、从水力活塞抽油设备到高性能水力活塞抽油设备

水力活塞泵曾位列三种经典机械采油设备的第二位，以优秀的工作原理和优越的技术性能指标被视为最有发展前景的机械采油方式，但价格高、可靠性差、运行费用高的致命缺陷迫使其退出实际应用领域。本研究项目已成功的解决了传统水力活塞泵的三大缺陷，实现了高性能水力活塞抽油设备。

一套传统水力活塞泵整机价格在100万元以上，是游梁式抽油设备2-3倍的价格，本研究项目已经能把水力活塞泵整机制造价格控制在远低于游梁式抽油设备制造价格的水平，可以做到高性能水力活塞抽油设备在所有机械采油设备中价格最低。本研究项目高性能水力活塞抽油设备可靠性可以比传统水力活塞泵大幅度提高，关键部件水力活塞泵换向阀在结构和材料上有重大突破，活塞和活塞连杆采用创新结构的长寿命高压密封结构，运行寿命大为延长。高性能水力活塞抽油设备另一个重大突破是可以不用石油做高压动力液，改用水做高压动力液，可以用地表水、井下污水或海水作动力液，将不存在附加运行费用，运行费用高的缺陷不复存在。

目前使用的各种机械采油设备根据实际需求选用，性能各有优劣，克服了水力活塞泵关键缺陷的高性能水力活塞抽油设备综合性能，或者说性能价格比将脱颖而出，成为性能最优越，价格最低的机械采油设备。

2、如何认识和评价世界水平的重大创新成果

受社会风气的影响，人们普遍对我们的创新成果持怀疑的态度。我们有十多年研究高性能水力活塞抽油成套设备的经历，对水力活塞泵的原理、使用状况、应用效果有深入的了解，基于长期工作的积累，有足够的信心认为研发方案可以经受严格的可行性论证考核。本项目是石油工业发展的急需，有极大的产出/投入比，希望国家和社会能给予重视，组织深入的技术方案考核来确认本项目方案的可行性，促其最终成功，造福国家和社会。

3、本项目的可操作性及风险控制

作为石油工业急需的项目，在找到高新技术的方向、方法和突破口之后，将其转化为先进的生产力是当务之急。本项目有完整的技术资料，这些资料有两个重要用途，其一是提供严格的技术可行性论证方案，使人们在理性的基础上确认该项目的重要意义，方案的可行性。其二是作为后续研发和产业化生产的发展基础，如果具备简单的开发条件，一年之内可以完成产品中试和油田现场试验，尽快转入产业化生产阶段。再有一年的时间可以完成包括长行程、大流量、气田抽水、深井、海洋抽油等国家急需专用高性能抽油设备的研发，在找到突破口之后将有巨大的发展空间。

本项目可能存在的风险，一是不大，二是可控。本项目的研发费用总量不大，循序投入，在不断见到阶段性成果的基础上，分批分阶段投入，看见兔子才撒鹰。有严格的技术论证方案，有严格的经费监管程序，可以把风险降到最低。

附录：

涉及重要领域的重要问题，具有重要的应用前景

特色与创新之处体现在：

（1）、实现石油工业关键技术突破，促进石油工业发展

现用机械采油设备性能低下，限制了石油工业发展的广度和深度，石油资源逐步减少，需要开采条件更复杂的油田，这就对抽油设备提出了更多更高的技术要求，处于对石油资源的依赖性，必须适应这一发展需求，需要加紧加大对机械采油设备的研发力度。高性能水力活塞抽油成套设备适应这一发展需求，找到了可行的研发方向，实现了良好的研发效果，可以在更广泛的应用领域，更深的抽汲深度拓展应用，使石油工业得到一个大的发展。

（2）、节能效果显著

机械采油设备是耗电耗能大户，本世纪初国内年耗电超过百亿千瓦时，提高机械采油设备的效率将产生良好的节能效果。本项目可以大幅度提高抽油设备的效率，机械效率可以达到50%以上，可以比游梁式抽油设备提高效率一倍左右。下面仅就效率参数作一粗略分析，一台抽油设备平均功率约20千瓦，目前平均效率不足30%，如果将效率提高到40%，则电机功率可以下降到15千瓦，如果效率提高到50%，电机功率可以下降到12千瓦。一年可节电4.38万千瓦时或7万千瓦时。全国十几万套抽油设备，节能效果可观。

（3）、推进向海上、高原、沙漠等难采油田发展

国内后备油田资源很多是难采资源，对机械采油设备性能提出很高的要求，目前尚无符合要求的机械采油设备，只能针对具体技术难点选用适合的机械采油设备有限规模的开采。而高性能机械采油设备可以大规模推进向难采油田发展。

世界海洋油气储量很丰富，而且海洋油气产量将会稳步上升，成为世界油气产量增长的源泉。高性能水力活塞抽油成套设备特别适应海洋采油平台的技术需求，有理由相信，高性能水力活塞抽油成套设备在世界海洋石油工业的前景是一片光明的。

（4）、性能价格比大幅度提高

本研究项目的水力抽油设备不仅性能先进，由于采用关键的创新结构，总体结构得到简化，制造成本大幅度下降，造价远低于现用的水力活塞抽油设备，造价甚至大幅度低于同类型的游梁式抽油设备，有望成为综合性能最好，价格最低的机械采油设备。

（5）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。本项目采用改进泵的压力比P/E的方式提高抽汲深度，P/E的比值低于1，即用增压的方式驱动水力活塞泵，动力端在活塞大截面上，液力端改在活塞与活塞连杆连接以后的小截面上，改变活塞连杆直径大小就可改变P/E的比值，P/E的比值为0.5时,理论上20MPa的地面驱动压力就可以提升接近3500米的深度。

（6）稠油开采

在我国各地的油田有60%左右是粘度高的稠油,由于原油粘度高，使得原油流动困难；流到井底的原油，从井底向井口流动过程中，由于降压脱气和散热降温而使原油粘度增加，流动性变差难于开采。目前稠油开采以蒸汽加温为主,开采成本大幅度提高。水力活塞泵开采稠油有独到的优势，将高压动力液通过热浴锅炉加温，加温的动力液在井下循环做功过程中连续加热井筒，降低井筒中稠油的黏度，实现稠油的抽取，是最简单有效的稠油开采方法。

（7）适应能力强，具有强劲的性能优势

排量范围大，排量调节方便；同时还适用于斜井、平井、海洋油井、稠油井；起下泵方便，便于维护；体积小，重量轻，安装使用操作方便；可以引入排砂、排气、抗磨等技术；大大扩展了应用范围。

（8）、配套性增强，适用性提高

现代抽油设备向标准化、通用化、系列化发展，由制造管理水平高的国际垄断公司引领。国内缺乏相应的规模公司，与世界水平尚有一定差距。本研究项目系统结构简单，设备少、体积小、重量轻，特别适应模块化生产，一些主要模块采用通用标准设备，用较少的生产模块，经过方便的组合，最大限度地满足不同用户多种类型、规格抽油设备的需求，实现长期以来人们追求的广泛的适应性需求，引领抽油设备技术跃上一个新的台阶。

（9）、向现代化管理要效益

高性能水力活塞抽油设备通过现代传感器技术面向智能化、自动化、网络化，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，利用物联网技术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。便于现代化管理，可以全面提高管理效益，符合现代技术发展方向。

（10）、重启老旧油田的开发

因为机械采油设备性能不足，国内外一些油田提前下课，采收率不高，在石油资源日益匮乏的今天，高性能机械采油设备施展潜力，仍然可以大量开采出石油，成为石油工业发展的一条新途径。

高性能水力活塞抽油成套设备可以大幅度全面提升机械采油设备的技术性能指标，逐渐取代游梁式抽油设备，成为油田主流抽油设备，全面的技术进步将带来巨大的社会效益、经济效益和生态效益。