对水力活塞泵的重新认识

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当窦宏恩老师初出茅庐正年轻的时候，就成了我已不惑之年的水力活塞泵的启蒙老师，我拜读了窦宏恩老师所有介绍水力活塞泵的文章，当时水力活塞泵正是石油热门攻关科研课题。之后我经过了近三十年的不懈努力，对水力活塞泵有了全新的认识，做个简单的介绍，与大家共同探讨。
石油工业抽油技术发展的方向与出路
一、促进石油工业跨越发展的重大原始创新科研成果高性能水力活塞抽油设备
水力活塞泵发展经过了近百年的历史，人们最初设想将地面动力转化成为水的高压势能，通过抽油管将高压水输送到井底，驱动井底的水力活塞泵抽油。水力活塞泵的活塞，即可以作为水力活塞泵的液压往复马达动力端柱塞，也可以作为抽油泵泵力端柱塞，柱塞泵是最理想的高压抽油泵形式。直到1932年美国人将高压动力介质转换成纯度大于95%的石油，水力活塞泵才实现了工业化应用。水力活塞泵的技术沿袭传统的液压技术，水在井下高温高压状态下表面张力很小，密封性、润滑性不能满足水力活塞泵换向阀的密封功能要求，无法实现水力活塞泵的初衷。上世纪50年代之后，水力活塞泵一些卓越的技术性能指标，激发了人们研发水力活塞泵的积极性，世界各大石油公司推出各种各样的水力活塞泵，希望成为取代游樑式抽油设备的先进采油设备。60-90年代，水力活塞泵成为仅次于游樑式三大主流抽油设备中的第二位，第三位是电潜泵。中国也大力发展水力活塞泵，成为最早引进国外的先进技术，实现国产化生产与应用。
水力活塞泵有其独到的制约因素，就是换向阀技术借鉴传统液压技术，而液压技术的换向阀必须使用满足要求的液压油，才能正常工作，水和石油在润滑性、密封性和纯净度方面不能与高要求的液压油相比，各大公司花大力气研发的形形色色换向阀无法在可靠性方面满足实用要求，最终在2000年之后水力活塞泵退出实际使用。
水力活塞泵的希望与失望与它的优缺点密切相关，水力活塞泵有卓越的技术性能指标，水力活塞泵使用液压技术传递动力，能量传递效率高达92-98%；不使用抽油杆，不需要存储抽油杆自重下降过程的重力势能，水力活塞泵上下运动实现双作用抽油。水力活塞泵优越的工作原理，机械效率可以比游樑式抽油设备高一倍；水力活塞泵井下井上设备不足游樑式抽油设备的十分之一，造价应该远低于游樑式抽油设备；水力活塞泵还具有深抽功能，是抽汲深度最深的机械抽油设备，适合于稠油抽汲，斜井、平井抽油，小体积、小震动尤其适合海上石油开采。水力活塞泵的缺点集中在换向阀，可靠性差，性价比低，应用石油作动力液，为分离井下提取物中的石油，大幅度提高了运行费用。比较优缺点，人们最终放弃了水力活塞泵，选择继续使用落后可靠的游樑式抽油机。
二、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酷，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，几十千瓦功率的动力由地面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：1、用抽油杆往复或旋转的传递机械动力2、用液压方式传输，3、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。
    提高机械采油设备性能是世界性的课题，一百多年以来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。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。
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。水力活塞泵有优越的工作原理，有优越的技术性能指标，整个工作过程简洁流畅，技术性能高超。水力活塞泵存在的技术瓶颈是换向阀，换向阀造成水力活塞泵可靠性差、价格高，运行费用高三大缺点。
三、水力活塞泵实现的技术难点及解决方案
水力活塞泵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。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。我们率先找到了大幅度全面提升水力活塞泵技术性能的方向和方法，可以促进石油工业长足进步，攻克世界范围内机械采油设备性能低下，制约石油工业发展的短板
与所有机械设备一样，水力活塞泵的使用寿命主要取决于运动部件，水力活塞泵有三个运动部件，换向阀、活塞和活塞连杆。三个部件在几十MPa的高压状态下，必须始终保持良好的动密封性能，必须满足耐磨损性能要求。水力活塞泵最关键的部件是换向阀，靠间隙密封的水力活塞泵换向阀由于密封面很短，其配合间隙必须很小，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。
导致水力活塞泵换向阀问题的原因是高压动力介质不满足使用要求，更换动力介质实现难度很大，还是要在换向阀上作功课。具体解决方案：1、采用先导阀结构的换向阀，工作稳定可靠。2、采用柔性密封方式，采用独到的长效高压动密封结构，适用所有的动力介质。3、换向阀设计成组合结构，密封件与换向阀主体分离，换向阀失效只需更换密封件就可恢复，密封件是低值部件，更换装配容易，水力活塞泵井下泵芯采用液力起降，起降方便快捷，耗时短费用少，可以大幅度延长井下水力活塞泵的寿命。
长效高压动密封结构同样适用活塞和活塞连杆，这样困扰水力活塞泵的三大缺点将不复存在，水力活塞泵将成为性能最好，性价比最高的机械采油设备。为了与常规水力活塞泵区分，我们将这种新型水力活塞泵称为高性能水力活塞泵。 四、高性能水力活塞泵与游樑式抽油设备比较
1）、机械效率比游樑式抽油设备高一倍，全国推广一年节能超过100亿千瓦时。
2）、井上、井下设备重量不足游樑式抽油设备十分之一。
3）、造价大幅度低于游樑式抽油设备。
4）、是抽汲深度最深的机械采油设备，世界已有下放5500米的记录。
5）、可以直接用水作动力液，实现了真正意义上的水力活塞泵。
6）、自带封隔器，座封启封方便。
7）、可以抽汲稠油，是最方便稠油抽汲设备。
8）、适用于斜井、平井石油开采。
9）、配套性增强，适用性提高，高性能水力活塞泵系统结构简单，设备少、体积小、重量轻，特别适应模块化生产，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。
10）、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，高性能机械采油设备可以大规模推进向难采油田发展。甚至重启老旧油田的开发。
11）、高性能水力活塞抽油设备面向智能化、自动化、网络化，与现代信息技术结合，全部技术数据在线网络化管理，整个运行和维护中央调度，最大发挥作业人员的效能。
五、成果的创造性、先进性
国内外对水力活塞泵近百年不懈的研究应用历史，是基于水力活塞泵优越的工作原理，优越的技术性能指标，引发人们极大的关注，但最终无法克服水力活塞泵换向阀的局限性，退出了应用市场。我们突破了水力活塞泵关键技术，可以把水力活塞泵巨大的应用优势释放出来，代表最先进的石油采油技术，推动采油技术实现跨越发展，具有重要意义。
六、作用意义（直接经济效益和社会意义）
国内有20多万口油井使用机械采油设备，全世界有200多万口油井，高性能机械采油设备如果广泛使用，仅节能就可以达到数百亿到千亿的直接经济效益，其它技术优势发挥将大幅度拓展石油开采能力，降低石油开采成本，社会效益、经济效益和生态效益也将是巨大的。同时高性能水力活塞泵属于重大技术领域具有完整独立自主知识产权的高新技术项目，将占领石油重大领域关键核心技术制高点。
七、推广应用的范围、条件和前景以及存在的问题和改进意见
高性能水力活塞泵已经有完整的设计图纸，科研样品，地面仿真试验结果，有严格的可行性论证方案，设计计算依据。高性能水力活塞泵属于新生事物，先进性和重要性不为人知，需要尽快得到权威部门科学、客观、专业、公正的评价，尽快将其转为先进的生产力。高性能水力活塞泵取代游樑式抽油设备，其全面技术进步将推动采油技术跨越发展，带来巨大的市场需求，将形成一个巨大的新兴产业群体，同时高新技术将促进生产力的发展，带来良好的社会效益和生态效益。
                                                       石油人之友                                 2021-6-20

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      兰州大学张金生教授经过多年研究水力活塞泵工作原理，革新了水力活塞泵原有换向结构，根据他的资料介绍，目前新型水力活塞泵可大幅度延长泵在井下的服役期，具体解决方案：1、采用先导阀结构的换向阀，工作稳定可靠。2、采用柔性密封方式，采用独到的长效高压动密封结构，适用所有的动力介质。3、换向阀设计成组合结构，密封件与换向阀主体分离，换向阀失效只需更换密封件就可恢复，密封件是低值部件，更换装配容易，水力活塞泵井下泵芯采用液力起降，起降方便快捷，耗时短费用少，可以大幅度延长井下水力活塞泵的寿命。长效高压动密封结构同样适用活塞和活塞连杆，这样困扰水力活塞泵的三大缺点将不复存在，水力活塞泵将成为性能最好，性价比最高的机械采油设备。为了与常规水力活塞泵区分，他将这种新型水力活塞泵称为高性能水力活塞泵。
       我个人虽然没有看见张老师设计的这种新型水力活塞泵，但我相信张老师的设计在通过了室内实验后，他才可能总结出新型泵如上所述的特性。他所设计的这种新型水力活塞泵对动力液适应性极强，可以采用海水作为动力液，这种新型泵如果能经过海上采油的可靠性试验，一定在海上采油具有成本低，维护简单的特点等特点，欢迎大家有兴趣的话，可以在此与张老师探讨学习、了解他的这种新型水力活塞泵。