流线型无磁防漏泵阀总成设计与应用

王勇

（青海油田公司采油一厂，青海花土沟 816400）

随着油田开采时间的延长，油区产能逐年下降，油井注气轮次增加，措施复产油井数量激增，油层各种物理、化学污染加剧，油井出砂严重，井液含各种腐蚀介质越来越多；抽油泵工况变差，泵阀刺漏、腐蚀现象特别严重；油井检泵频繁，开采效益低，这是油田中后期开发迫切需要解决的问题。流线型无磁防漏泵阀总成的应用有效地解决了这一难题，通过新型无磁防腐耐磨泵阀和导流结构设计，弱化了液流切割作用，实现延长抽油泵使用寿命的目的。

1 抽油泵阀漏失原因分析

抽油泵的失效主要是由柱塞与泵筒的间隙漏失、泵阀的密封件漏失导致的［1－3］。其中因泵阀（固定阀、游动阀）的漏失导致的检泵量占抽油泵漏失检泵的95%以上。

1.1 磨损性漏失

油田开发中后期，油井出砂严重，泵阀启闭时段高速含砂液流通过时，产生较大的水力切割作用，因普通泵阀硬度较低，耐磨性能差，导致泵阀密封面严重刺漏。图1为同泵同期生产8个月的泵阀座磨损对比，左为高铬不锈钢阀座、右为无磁硬质合阀座。

图1 抽油泵阀座砂粒磨损

1.2 磁性吸附漏失

普通抽油泵阀和硬质合泵阀因其不具有抗磁磁性，在井下工作时，由于抽油泵受到地磁场的影响及磁物理增复产措施（例如使用过强磁防蜡器、强磁打捞工具等）的强磁作用，极易导致抽泵阀磁化，致使金属碎屑、含金属成分的微粒吸附在泵阀密封面上，使抽油泵阀关闭不严，产生漏失。图2为同泵同期生产3个月（杆断）的泵阀座磨损对比，左为普通硬质合金阀座、右为无磁硬质合阀座。随着大斜度井和水平井的不断增加，杆管磨损突显，由磁性吸附引起的泵漏、阀刺坏的现象越来越严重，造成油井频繁检泵作业。

图2 磁性吸附造成阀座磨损

1.3 腐蚀性漏失

油井进行酸化解堵、压裂措施后，因井液中含大量的残余酸使抽油泵零部件受到腐蚀，特别是抽油泵阀球和阀座密封面腐蚀严重，使抽油泵产生腐蚀性漏失，严重时无法正常抽油。高铬不锈钢阀与无磁硬质合金阀室内耐酸试验结果如图3～4所示。

图3 抽油泵阀座腐蚀情况

图4 抽油泵阀球腐蚀情况

由于以上3种原因导致泵阀关闭不严，在抽油泵活塞下行时，高压、高速液流流过密封间隙，对密封面产生很强的水力切割作用。同时，井液中还含有砂粒等高硬度物质，加速了井液对泵阀的切割，使泵阀在短期内即失效，导致油井产液量大幅下降，严重时不出液。

2 技术分析

流线型无磁防漏泵阀总成由固定无磁阀总成与导流防刺漏结构组成，如图5。该技术通过双级导流结构设计和使用无磁、耐腐材质，实现抽油泵阀抗磁防漏，达到延长抽油泵使用寿命的目的。

2.1 双级导流减磨机理

普通四孔式固定阀罩过流时，液流阻力大，阀球起跳高度、油流通道面积等都不尽合理，对密封面冲刷力大，且严重影响着泵的充满系数。改进流线型阀罩通过流线型设计扩大了过流面积，减少了进油阻力，但未改进流经球阀前后的导向设计，液流对密封面的冲刷力仍然很大。与普通抽油泵相比，流线型无磁防漏泵阀总成在抽油泵阀的上、下进出流处采取双级导流结构及阀球起跳定位扶正设计，使阀球回落迅速，减少了进出流收缩与扩散，引导液流沿轴向流动，使液流径向流速分量降低，从而弱化液流对泵阀密封面的水力冲刷作用，提高了抽油泵阀的使用寿命。

图5 流线型无磁防漏泵阀总成结构

2.2 无磁、防腐、耐磨机理［4－5］

1）特殊的化学组成无磁硬质合金YWC10／15与普通硬质合金YG8／11、高铬不锈钢相比，因化学组成不同，其物理性能有较大的区别（如表1～2）。

2）无磁性在WC－Ni硬质合金中，采用常规硬质合金生产工艺，以不同的VC（碳化钒）添加量进行试验。加入适量的VC可以使合金在常温下由铁磁性变为顺磁性，同时硬度也有一定的提高，抗弯程度在VC加入量较少时（＜1.0%）基本维持不变。添加VC使合金发生磁性转变的机理，主要在VC溶入Ni中形成固溶体，扩大了Ni的晶格常数，减弱了电子间的交换作用，从而实现抗磁、无磁。

3）金相普通硬质合金WC－Co的粘结剂Co使WC具有适当的可湿性及较好的韧性；但由于硬质相WC不容易形成稳定粘着的高熔点氧化层，因此，普通硬质合金WC－Co相对容易被腐蚀，或者容易被加工过程中产生的热碎片溶解。

表1 几种泵阀用材料的化学成分对比 wB／%

表2 几种泵阀用材料的物理性能对比

无磁硬质合金WC－Ni的粘结剂Ni单独作为粘结相，虽然不如Co作为粘结相时赋予材料的某些力学性能优异，但WC－Ni形成高熔点稳定粘着的氧化物层，这是WC－Co不具备的，因此WC－Co没有WC－Ni抗氧化、耐腐蚀。同时，为了使材料具有更加优异的力学性能，弥补Ni单独作为粘结相的一些缺点，在WC－Ni的粘结相Y 相中添加了其他碳化物（例如：TaC和NbC）。TaC极大地改善了材料的冲击韧性、抗金属疲劳性；NbC 增强了材料的抗磨损性、红硬性。

4）耐腐蚀性在5%HNO3、50% NaOH 溶液中的耐腐蚀性能测试，对比了无磁硬质合金与YG11硬质合金在同种腐蚀介质中耐腐蚀性的优劣，并对无磁硬质合金在5% HNO3溶液中的腐蚀形貌进行观察。试验结果表明：无磁硬质合金有良好的抗腐蚀性能，其耐蚀性与粘结相内的复合碳化物含量密切相关，粘结相的含量愈高，耐蚀性愈好，无磁硬质合金的耐蚀性明显优于YG11硬质合金；无磁硬质合金的腐蚀机理为钝化膜保护的电化学腐蚀。

3 技术特点及适用范围

3.1 技术特点

1）独特的双级导流结构设计实现了双向导流扶正，进油阻力小、固定阀球启闭迅速。该结构有效地改变了井液流经泵阀前后的方向，弱化含砂液流的水力切割作用。

2）阀球、阀座具有高抗磁化、防腐、耐磨的特点，使其寿命远远超过普通硬质合金球阀与普通球阀。

3）该阀可直接连接于普通抽油泵下，使抽油泵具有无磁、防腐、耐磨功能，提高其使用寿命并扩大其使用范围。

4）该技术投入产出比高，可达到无磁、防漏、防刺，提高抽油泵使用寿命，延长检泵周期，减少作业量的目的。

3.2 适用范围及选井条件

1）高含砂油井或高含气（汽）井。

2）抽油泵阀漏失严重的稀油、稠油井。

3）使用过强磁防蜡器、强磁打捞工具等的油井。

4）高温蒸汽驱含有强腐蚀介质的油井。

5）酸化、解堵、压裂、防砂处理后的油井。

6）大斜度井、水平井、全角变化率大等杆管磨损井。

4 现场应用

某井A 是一口每年因泵漏检泵超过3次以上的油井，下泵后生产不到一个月产液量即大幅下降，油井减产非常严重，每一检泵周期将少产油100t以上，每年少产油超过300t，每年作业费达￥10万元以上。采用流线型无磁防漏泵阀总成技术以后，检泵周期延长到1a，期间产量始终保持稳定（如图6）。

图6 某井A 前后3次作业对比产液情况对比

某井B 检泵周期短，抽油泵固定阀漏失严重。该井采用流线型无磁防漏泵阀总成技术后，抽油泵效显著提高，65d后测示功图如图7，未发现阀漏现象，功图显示上行程增载迅速，下行快速卸载。该井检泵周期由65d延长到420d。

图7 某井B措施前后同周期功图对比

5 结论

1）流线型无磁防漏泵阀总成技术先进，结构设计简单合理，抗磁化，防腐、耐磨、防漏，增油效果显著，适用于高含砂、含腐蚀介质及杆管磨损井。

2）该技术可有效地节约采油成本，提高采油开发的经济效益，具有广阔的推广应用前景。

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