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有杆抽油系统在油田采油中占主导地位,是油田能耗的主要组成部分,其运行效率一直备受关注。采用传统游梁式抽油机是有杆抽油系统效率低下的重要原因。受限于游梁抽油机曲柄摇杆的非线性传动方式,尽管出现了各种改进型游梁抽油机,其驱动功率不平衡、电机负载率低、效率低下、工作参数调整困难、体积大质量重等一系列缺点一直存在,并限制了其通过长冲程低冲次运行提高有杆抽油系统效率的能力。因此一系列无游梁式抽油机得到了研发与应用。本文针对提高有杆抽油系统运行效率的目标,尝试将直驱电液技术应用其中,研发了线性平衡驱动的液压抽油机,研究了直驱电液系统的悬点提升位移跟踪控制,并基于井下系统工作动态提出了有杆抽油系统节能运行控制策略,实现了原油开采的节能增效。这些研究为有杆抽油系统效率提升与直驱电液系统应用研究提供了支撑,具有重要的实际应用与学术研究价值。本文根据采油悬点载荷的特点,从驱动速度平衡与驱动力平衡角度分析了减小抽油机装机功率、提高电机负荷率进而提高抽油机效率的方法,并由此设计了平衡效果好的直驱电液抽油机。为实现仅可获带噪声位移量测信号且受未知干扰的直驱电液抽油机悬点提升跟踪控制,本文研究了量测噪声环境下的系统状态观测与未知干扰估计方法,进而设计了带干扰补偿的自适应切换增益滑模控制器。在连续时间滑模控制器的基础上,考虑工业控制器的采样控制特性,设计了位移跟踪离散时间滑模控制器。在研究高效直驱电液抽油机与悬点提升控制的基础上,进一步研究了有杆抽油系统的节能运行控制。建立了包括抽油杆柱和抽油泵在内的井下系统动态仿真模型,分析比较了不同浮力处理方法在抽油杆柱动态模型中的效果,求解了基于等摩擦功原理的抽油杆柱波动方程粘性阻尼系数。利用井下系统模型仿真比较了油井含气量与悬点运动对抽油泵工况与悬点载荷的影响。进一步考虑油层供油动态,仿真分析了不同采油冲次下油井产油量与系统能耗效率的变化。最终提出了基于抽油泵充满度控制的采油节能控制策略,并设计了由悬点功图求解井下泵充满度的方法。论文的主要结构如下:第一章,论述了有杆抽油系统节能增效的研究背景及意义,概述了有杆采油系统的工作原理、国内外采油效率研究现状以及液压抽油机的研发现状,并介绍了直驱电液技术的相关研究进展,最后提出了课题的主要研究内容。第二章,介绍了直驱电液抽油机的设计、仿真分析与样机功能性试验。给出了本课题液压抽油机的载荷与冲程冲次等主要性能指标。设计了悬点提升曲线及液压驱动与功率平衡方案,并对带气体蓄能的直驱电液系统方案进行了具体设计与器件选型。仿真验证了所设计液压抽油机的性能,并对样机进行了轻载挂重的连续运行试验与传动效率分析。第三章,针对直驱电液抽油机仅位移可测且带随机噪声,存在系统参数不确定性及未知负载力扰动下的悬点提升位移跟踪问题,设计了连续时间滑模控制器。结合电机矢量控制与液压动态建立了直驱电液系统的动态模型。比较了基于滑模观测器、跟踪微分器与Kalman扩张观测器的状态观测与干扰估计效果。设计了基于理想切换增益的切换增益自适应律。仿真与实验比较了控制算法的性能。第四章,研究了直驱电液抽油机悬点提升采样控制时的离散滑模控制器。讨论了离散滑模趋近律问题,分析了准滑模带宽与干扰补偿误差的关系,研究了给定降维系统性能下的滑模面设计方法。分析了前步干扰补偿可能导致的系统不稳定,并提出在滑模控制器输出与系统输入间引入一阶输入滤波器,分析了引入输入滤波器后系统的稳定性判断方法。第五章,建立了包括三维定向井抽油杆柱与抽油泵在内的井下系统联合仿真模型,给出了其数值求解方法,并利用仿真模型比较了油层含气量和不同悬点运动曲线对采油作业的影响。讨论了抽油杆柱动态模型中不同浮力处理方法的影响与效果,以及基于等摩擦功求解了的其等效粘性阻尼系数。第六章,研究了供采匹配问题,提出了有杆抽油系统节能控制策略。联合油井流入动态与井下系统模型仿真了不同冲次时的供采平衡状态。分析了冲次提高对油井产油量与井下系统效率的影响。提出了维持一定泵充满度的采油效率优化控制策略。对优化控制策略中的抽油泵充满度判断问题,研究了基于泵端位移-载荷曲线一阶、二阶导数的判断方法。第七章,对本文的主要研究工作和结论进行了总结归纳,阐述了本文的创新点,并对下步研究工作进行了展望。