流線型無(wú)磁防漏泵閥總成設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王勇

（青海油田公司采油一廠，青?；ㄍ翜?816400）

隨著油田開(kāi)采時(shí)間的延長(zhǎng)，油區(qū)產(chǎn)能逐年下降，油井注氣輪次增加，措施復(fù)產(chǎn)油井?dāng)?shù)量激增，油層各種物理、化學(xué)污染加劇，油井出砂嚴(yán)重，井液含各種腐蝕介質(zhì)越來(lái)越多；抽油泵工況變差，泵閥刺漏、腐蝕現(xiàn)象特別嚴(yán)重；油井檢泵頻繁，開(kāi)采效益低，這是油田中后期開(kāi)發(fā)迫切需要解決的問(wèn)題。流線型無(wú)磁防漏泵閥總成的應(yīng)用有效地解決了這一難題，通過(guò)新型無(wú)磁防腐耐磨泵閥和導(dǎo)流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，弱化了液流切割作用，實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)抽油泵使用壽命的目的。

1 抽油泵閥漏失原因分析

抽油泵的失效主要是由柱塞與泵筒的間隙漏失、泵閥的密封件漏失導(dǎo)致的［1－3］。其中因泵閥（固定閥、游動(dòng)閥）的漏失導(dǎo)致的檢泵量占抽油泵漏失檢泵的95%以上。

1.1 磨損性漏失

油田開(kāi)發(fā)中后期，油井出砂嚴(yán)重，泵閥啟閉時(shí)段高速含砂液流通過(guò)時(shí)，產(chǎn)生較大的水力切割作用，因普通泵閥硬度較低，耐磨性能差，導(dǎo)致泵閥密封面嚴(yán)重刺漏。圖1為同泵同期生產(chǎn)8個(gè)月的泵閥座磨損對(duì)比，左為高鉻不銹鋼閥座、右為無(wú)磁硬質(zhì)合閥座。

圖1 抽油泵閥座砂粒磨損

1.2 磁性吸附漏失

普通抽油泵閥和硬質(zhì)合泵閥因其不具有抗磁磁性，在井下工作時(shí)，由于抽油泵受到地磁場(chǎng)的影響及磁物理增復(fù)產(chǎn)措施（例如使用過(guò)強(qiáng)磁防蠟器、強(qiáng)磁打撈工具等）的強(qiáng)磁作用，極易導(dǎo)致抽泵閥磁化，致使金屬碎屑、含金屬成分的微粒吸附在泵閥密封面上，使抽油泵閥關(guān)閉不嚴(yán)，產(chǎn)生漏失。圖2為同泵同期生產(chǎn)3個(gè)月（桿斷）的泵閥座磨損對(duì)比，左為普通硬質(zhì)合金閥座、右為無(wú)磁硬質(zhì)合閥座。隨著大斜度井和水平井的不斷增加，桿管磨損突顯，由磁性吸附引起的泵漏、閥刺壞的現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，造成油井頻繁檢泵作業(yè)。

圖2 磁性吸附造成閥座磨損

1.3 腐蝕性漏失

油井進(jìn)行酸化解堵、壓裂措施后，因井液中含大量的殘余酸使抽油泵零部件受到腐蝕，特別是抽油泵閥球和閥座密封面腐蝕嚴(yán)重，使抽油泵產(chǎn)生腐蝕性漏失，嚴(yán)重時(shí)無(wú)法正常抽油。高鉻不銹鋼閥與無(wú)磁硬質(zhì)合金閥室內(nèi)耐酸試驗(yàn)結(jié)果如圖3～4所示。

圖3 抽油泵閥座腐蝕情況

圖4 抽油泵閥球腐蝕情況

由于以上3種原因?qū)е卤瞄y關(guān)閉不嚴(yán)，在抽油泵活塞下行時(shí)，高壓、高速液流流過(guò)密封間隙，對(duì)密封面產(chǎn)生很強(qiáng)的水力切割作用。同時(shí)，井液中還含有砂粒等高硬度物質(zhì)，加速了井液對(duì)泵閥的切割，使泵閥在短期內(nèi)即失效，導(dǎo)致油井產(chǎn)液量大幅下降，嚴(yán)重時(shí)不出液。

2 技術(shù)分析

流線型無(wú)磁防漏泵閥總成由固定無(wú)磁閥總成與導(dǎo)流防刺漏結(jié)構(gòu)組成，如圖5。該技術(shù)通過(guò)雙級(jí)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用無(wú)磁、耐腐材質(zhì)，實(shí)現(xiàn)抽油泵閥抗磁防漏，達(dá)到延長(zhǎng)抽油泵使用壽命的目的。

2.1 雙級(jí)導(dǎo)流減磨機(jī)理

普通四孔式固定閥罩過(guò)流時(shí)，液流阻力大，閥球起跳高度、油流通道面積等都不盡合理，對(duì)密封面沖刷力大，且嚴(yán)重影響著泵的充滿系數(shù)。改進(jìn)流線型閥罩通過(guò)流線型設(shè)計(jì)擴(kuò)大了過(guò)流面積，減少了進(jìn)油阻力，但未改進(jìn)流經(jīng)球閥前后的導(dǎo)向設(shè)計(jì)，液流對(duì)密封面的沖刷力仍然很大。與普通抽油泵相比，流線型無(wú)磁防漏泵閥總成在抽油泵閥的上、下進(jìn)出流處采取雙級(jí)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)及閥球起跳定位扶正設(shè)計(jì)，使閥球回落迅速，減少了進(jìn)出流收縮與擴(kuò)散，引導(dǎo)液流沿軸向流動(dòng)，使液流徑向流速分量降低，從而弱化液流對(duì)泵閥密封面的水力沖刷作用，提高了抽油泵閥的使用壽命。

圖5 流線型無(wú)磁防漏泵閥總成結(jié)構(gòu)

2.2 無(wú)磁、防腐、耐磨機(jī)理［4－5］

1）特殊的化學(xué)組成無(wú)磁硬質(zhì)合金YWC10／15與普通硬質(zhì)合金YG8／11、高鉻不銹鋼相比，因化學(xué)組成不同，其物理性能有較大的區(qū)別（如表1～2）。

2）無(wú)磁性在WC－Ni硬質(zhì)合金中，采用常規(guī)硬質(zhì)合金生產(chǎn)工藝，以不同的VC（碳化釩）添加量進(jìn)行試驗(yàn)。加入適量的VC可以使合金在常溫下由鐵磁性變?yōu)轫槾判?，同時(shí)硬度也有一定的提高，抗彎程度在VC加入量較少時(shí)（＜1.0%）基本維持不變。添加VC使合金發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變的機(jī)理，主要在VC溶入Ni中形成固溶體，擴(kuò)大了Ni的晶格常數(shù)，減弱了電子間的交換作用，從而實(shí)現(xiàn)抗磁、無(wú)磁。

3）金相普通硬質(zhì)合金WC－Co的粘結(jié)劑Co使WC具有適當(dāng)?shù)目蓾裥约拜^好的韌性；但由于硬質(zhì)相WC不容易形成穩(wěn)定粘著的高熔點(diǎn)氧化層，因此，普通硬質(zhì)合金WC－Co相對(duì)容易被腐蝕，或者容易被加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱碎片溶解。

表1 幾種泵閥用材料的化學(xué)成分對(duì)比 wB／%

表2 幾種泵閥用材料的物理性能對(duì)比

無(wú)磁硬質(zhì)合金WC－Ni的粘結(jié)劑Ni單獨(dú)作為粘結(jié)相，雖然不如Co作為粘結(jié)相時(shí)賦予材料的某些力學(xué)性能優(yōu)異，但WC－Ni形成高熔點(diǎn)穩(wěn)定粘著的氧化物層，這是WC－Co不具備的，因此WC－Co沒(méi)有WC－Ni抗氧化、耐腐蝕。同時(shí)，為了使材料具有更加優(yōu)異的力學(xué)性能，彌補(bǔ)Ni單獨(dú)作為粘結(jié)相的一些缺點(diǎn)，在WC－Ni的粘結(jié)相Y 相中添加了其他碳化物（例如：TaC和NbC）。TaC極大地改善了材料的沖擊韌性、抗金屬疲勞性；NbC 增強(qiáng)了材料的抗磨損性、紅硬性。

4）耐腐蝕性在5%HNO3、50% NaOH 溶液中的耐腐蝕性能測(cè)試，對(duì)比了無(wú)磁硬質(zhì)合金與YG11硬質(zhì)合金在同種腐蝕介質(zhì)中耐腐蝕性的優(yōu)劣，并對(duì)無(wú)磁硬質(zhì)合金在5% HNO3溶液中的腐蝕形貌進(jìn)行觀察。試驗(yàn)結(jié)果表明：無(wú)磁硬質(zhì)合金有良好的抗腐蝕性能，其耐蝕性與粘結(jié)相內(nèi)的復(fù)合碳化物含量密切相關(guān)，粘結(jié)相的含量愈高，耐蝕性愈好，無(wú)磁硬質(zhì)合金的耐蝕性明顯優(yōu)于YG11硬質(zhì)合金；無(wú)磁硬質(zhì)合金的腐蝕機(jī)理為鈍化膜保護(hù)的電化學(xué)腐蝕。

3 技術(shù)特點(diǎn)及適用范圍

3.1 技術(shù)特點(diǎn)

1）獨(dú)特的雙級(jí)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了雙向?qū)Я鞣稣?，進(jìn)油阻力小、固定閥球啟閉迅速。該結(jié)構(gòu)有效地改變了井液流經(jīng)泵閥前后的方向，弱化含砂液流的水力切割作用。

2）閥球、閥座具有高抗磁化、防腐、耐磨的特點(diǎn)，使其壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通硬質(zhì)合金球閥與普通球閥。

3）該閥可直接連接于普通抽油泵下，使抽油泵具有無(wú)磁、防腐、耐磨功能，提高其使用壽命并擴(kuò)大其使用范圍。

4）該技術(shù)投入產(chǎn)出比高，可達(dá)到無(wú)磁、防漏、防刺，提高抽油泵使用壽命，延長(zhǎng)檢泵周期，減少作業(yè)量的目的。

3.2 適用范圍及選井條件

1）高含砂油井或高含氣（汽）井。

2）抽油泵閥漏失嚴(yán)重的稀油、稠油井。

3）使用過(guò)強(qiáng)磁防蠟器、強(qiáng)磁打撈工具等的油井。

4）高溫蒸汽驅(qū)含有強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的油井。

5）酸化、解堵、壓裂、防砂處理后的油井。

6）大斜度井、水平井、全角變化率大等桿管磨損井。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

某井A 是一口每年因泵漏檢泵超過(guò)3次以上的油井，下泵后生產(chǎn)不到一個(gè)月產(chǎn)液量即大幅下降，油井減產(chǎn)非常嚴(yán)重，每一檢泵周期將少產(chǎn)油100t以上，每年少產(chǎn)油超過(guò)300t，每年作業(yè)費(fèi)達(dá)￥10萬(wàn)元以上。采用流線型無(wú)磁防漏泵閥總成技術(shù)以后，檢泵周期延長(zhǎng)到1a，期間產(chǎn)量始終保持穩(wěn)定（如圖6）。

圖6 某井A 前后3次作業(yè)對(duì)比產(chǎn)液情況對(duì)比

某井B 檢泵周期短，抽油泵固定閥漏失嚴(yán)重。該井采用流線型無(wú)磁防漏泵閥總成技術(shù)后，抽油泵效顯著提高，65d后測(cè)示功圖如圖7，未發(fā)現(xiàn)閥漏現(xiàn)象，功圖顯示上行程增載迅速，下行快速卸載。該井檢泵周期由65d延長(zhǎng)到420d。

圖7 某井B措施前后同周期功圖對(duì)比

5 結(jié)論

1）流線型無(wú)磁防漏泵閥總成技術(shù)先進(jìn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單合理，抗磁化，防腐、耐磨、防漏，增油效果顯著，適用于高含砂、含腐蝕介質(zhì)及桿管磨損井。

2）該技術(shù)可有效地節(jié)約采油成本，提高采油開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

［1］王依明，張帆，張曉君，等.新型防顆粒沉積抽油泵的研制與應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（10）：76－78.

［2］李春紅.抽油泵閥罩的應(yīng)力計(jì)算及失效分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（8）：39－42.

［3］謝文獻(xiàn)，盧建平，姚誠(chéng)，等.油井出砂造成抽油泵失效機(jī)理分析及措施［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2003，32（5）：72－75.

［4］謝國(guó)治，殷士龍，蔣曉龍，等.Mn摻雜對(duì)快淬NdFeB永磁材料晶格與磁性能的影響［J］.金屬功能材料，2002（6）：21－23.

［5］李軍，劉穎，高升吉，等.成形工藝對(duì)粘結(jié)NdFeB磁體結(jié)構(gòu)和磁性能的影響［J］.粉末冶金技術(shù)，2005（2）：32－36.