高性能壓裂井口設(shè)備技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化研究

摘 要：作為一種重要的非常規(guī)天然氣資源，我國頁巖氣可開采量達(dá)36萬億立方米，居世界第一。為了規(guī)?；_發(fā)儲量豐富的頁巖氣藏，需解決相關(guān)的技術(shù)和裝備難題，而壓裂技術(shù)是頁巖氣開發(fā)過程中的最核心技術(shù)，離不開一套高性能壓裂井口設(shè)備的支撐。介紹了適用于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境和儲藏條件的頁巖氣采收和增產(chǎn)的成套井口裝備及關(guān)鍵部件，包括壓裂閘閥、壓裂井口裝置和采氣樹、壓裂管匯的技術(shù)要求，以及產(chǎn)業(yè)化需解決的難題，并預(yù)測市場前景。

關(guān)鍵詞：頁巖氣；壓裂；井口設(shè)備；產(chǎn)業(yè)化

引言

壓裂、采氣是頁巖氣整個開發(fā)過程中技術(shù)含量最高、工藝最復(fù)雜的環(huán)節(jié)，涉及的設(shè)備也很多，其中壓裂井口裝置和采氣樹設(shè)備、壓裂管匯是壓裂、采氣作業(yè)過程中必不可少的關(guān)鍵裝備，擔(dān)負(fù)著鉆井完井后井口固定、流體壓力監(jiān)測和控制、采氣作業(yè)以及壓裂液的輸送、供給，設(shè)備需具備在超高壓、高低溫及酸性高腐蝕等復(fù)雜惡劣條件下安全可靠工作的能力；閘閥是壓裂設(shè)備中的關(guān)鍵部件，需滿足在壓裂作業(yè)過程中耐高壓、耐腐蝕、密封可靠、開關(guān)迅速的要求，從而實現(xiàn)對油氣流體的有效控制，避免因功能失效而導(dǎo)致流體泄漏對人員、設(shè)備和環(huán)境造成危害。

1 國內(nèi)外發(fā)展概況及趨勢

1.1 國內(nèi)外發(fā)展概況

國外目前實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)化開采的只有美國和加拿大，其中美國是商業(yè)化開采最早、技術(shù)最成熟、裝備最先進(jìn)及齊全的國家，目前已進(jìn)入頁巖氣開發(fā)的快速發(fā)展階段。加拿大是全球第二個實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)化開采的國家，目前處于發(fā)展階段。在壓裂井口裝置、壓裂樹、壓裂管匯和壓裂閥門設(shè)備方面，美國產(chǎn)品技術(shù)性能高、質(zhì)量穩(wěn)定、使用壽命長，并可滿足多種復(fù)雜工況條件，目前正向結(jié)構(gòu)簡化、功能集成、使用高效便捷方向發(fā)展。加拿大技術(shù)和裝備水平落后于美國，且多采用與美國廠商合作并引進(jìn)其相關(guān)設(shè)備的方式，目前也已基本能滿足多種頁巖氣井的開采需要。

頁巖氣開發(fā)裝備市場因其技術(shù)門檻較高，目前國內(nèi)主要生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量偏少，尤其是用于水平井分段壓裂技術(shù)的超高壓大口徑壓裂裝備，能夠自行研發(fā)和制造的企業(yè)為數(shù)不多。作者所在單位有多年的此類設(shè)備設(shè)計、制造和銷售經(jīng)驗，工藝和設(shè)備精良，在產(chǎn)品技術(shù)性能和價格等方面具有自己的優(yōu)勢。

1.2 發(fā)展趨勢

隨著技術(shù)的發(fā)展，頁巖氣的開發(fā)逐漸向高壓力、大排量、高砂比、多級壓裂、多井次、混合工藝、低污染等方向發(fā)展，從而實現(xiàn)大規(guī)模、高效率開采，降低單位產(chǎn)量開采成本，便于頁巖氣資源商業(yè)化應(yīng)用.因此，驅(qū)動壓裂井口設(shè)備和關(guān)鍵部件向更高工作壓力（20000Psi以上）、高性能級別（PR2級）、高可靠性、長使用壽命和高性價比方向發(fā)展。

2 設(shè)備的技術(shù)要求

頁巖氣屬于非常規(guī)天然氣，因其自身低產(chǎn)、低滲透深賦存等特點，使得其開發(fā)開采裝備技術(shù)要求比常規(guī)天然氣明顯高出一截，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）頁巖氣資源大多需采用壓裂增產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行開采，因此設(shè)備需具有超高工作壓力，達(dá)到15000～20000Psi。

（2）設(shè)備需具有優(yōu)秀的氣密封性能，以防止可能富含的H2S等有害流體泄漏造成人員、設(shè)備和環(huán)境危害。

（3）設(shè)備本身需具有較強的耐高腐蝕性，以防止被可能富含的H2S、CO2等酸性氣體腐蝕，造成設(shè)備故障或損壞，影響現(xiàn)場開采作業(yè)。

（4）為滿足多種壓裂工藝，以及大排量、高砂比、多井次的壓裂作業(yè)要求，設(shè)備必須具有高可靠性、易維護(hù)性和較長的使用壽命。

3 產(chǎn)業(yè)化需解決的技術(shù)和工藝難題舉例

（1）設(shè)備在高、低壓條件下具備氣泡級密封能力

需研發(fā)高性能的閘閥關(guān)鍵位置密封機構(gòu)和密封件，保證可靠氣密封，使設(shè)備達(dá)到零泄漏。

（2）可快速關(guān)閉的高安全性液動安全閥的設(shè)計

需研發(fā)傳動更加平穩(wěn)可靠、關(guān)井更加迅速的液動安全閥，為現(xiàn)場開采作業(yè)時的井口及壓裂裝置提供安全保護(hù)。

（3）壓裂設(shè)備重要金屬圓環(huán)薄壁件的精密加工工藝

壓裂設(shè)備中的高精度金屬薄壁件加工是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一，如壓裂液回流管匯上的濾沙件是典型的圓環(huán)薄壁件，其外圓公差0.06，同軸度要求0.1，零件最薄處的壁厚僅2.25mm，且外圓表面上有多處斜槽和側(cè)孔，加工難度相當(dāng)大。

（4）用于HH級壓裂設(shè)備及關(guān)鍵部件的耐蝕合金內(nèi)腔堆焊工藝

HH級耐腐蝕高端井口設(shè)備的制造需解決深孔內(nèi)徑堆焊的技術(shù)難題，從而突破國內(nèi)內(nèi)腔堆焊技術(shù)的落后和依賴進(jìn)口的局面。

（5）壓裂井口裝置關(guān)鍵密封件噴涂工藝

壓裂井口裝置關(guān)鍵密封件表面的耐磨性、耐蝕性和平面度要求極高，需通過先進(jìn)噴涂工藝進(jìn)行解決。

4 解決方案

4.1 實現(xiàn)高、低壓條件下氣泡級密封的關(guān)鍵密封機構(gòu)的研發(fā)

研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的雙錐面密封環(huán)、復(fù)合式雙錐面密封環(huán)和高性能非金屬封件，實現(xiàn)了關(guān)鍵部位的可靠密封，為金屬密封井口裝置、采氣樹及含有毒氣體的氣藏用設(shè)備設(shè)計制造提供了技術(shù)保障。雙錐面密封原理是采用合理角度（最佳角度15°）使金屬密封環(huán)實現(xiàn)高壓壓力自密封、低壓預(yù)緊密封；非金屬密封件是在國外先進(jìn)蓄能圈基礎(chǔ)上創(chuàng)新設(shè)計了蓄能、強制和壓力自密封相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，保證了氣泡級密封，使設(shè)備達(dá)到零泄漏。

4.2 可快速關(guān)閉的高安全性液動安全閥的設(shè)計

液動安全閥的設(shè)計采用正反旋同軸等高組合式彈簧結(jié)構(gòu)，通過采用組合彈簧使最小安裝空間下獲得最大的彈簧驅(qū)動力，在臨近關(guān)閥終了時，閥門可以成功的剪切7/32"測井線鋼絲繩（其平均剪切力1.5噸力），使安全閥傳動更加平穩(wěn)可靠，關(guān)井更加迅速，最快可達(dá)11秒（國內(nèi)同類產(chǎn)品一般為13秒），為復(fù)雜井口及壓裂裝置提供了更安全的保護(hù)。

4.3 壓裂設(shè)備重要金屬薄壁件的精密加工工藝

針對高精度圓環(huán)薄壁件的質(zhì)量要求，研發(fā)團隊經(jīng)過艱難的思索和技術(shù)攻關(guān)，終于研究、試驗出一套方便易行的工藝方法，即在不增加其它專用加工設(shè)備的前提下，充分利用數(shù)控車床、加工中心等自動化加工裝置，應(yīng)用專門設(shè)計的三個工裝，實現(xiàn)精確加工圓環(huán)薄壁型關(guān)鍵金屬零件，使之尺寸精度達(dá)到圖紙要求，且不發(fā)生變形，上述難題得以成功解決。

4.4 用于HH級高端井口壓裂設(shè)備及關(guān)鍵部件的熱絲TIG內(nèi)腔堆焊工藝

為了滿足HH級高端井口設(shè)備的制造工藝要求，采用預(yù)熱焊絲，結(jié)合功能強大的編程控制系統(tǒng)FPA9000，研究試驗一種高效而且高質(zhì)量的焊接工藝，從而解決深孔內(nèi)腔堆焊耐蝕合金的技術(shù)關(guān)鍵，最小堆焊內(nèi)徑達(dá)到35mm，堆焊深度達(dá)到2000mm，熱影響區(qū)小，母材稀釋率減少60%，焊接速度是普通TIG焊的兩倍，為制造高壓、腐蝕性強等惡劣條件的高端HH級油氣井口裝置及壓裂樹等設(shè)備提供技術(shù)支撐。

4.5 壓裂井口裝置關(guān)鍵密封件超音速噴涂工藝

采用先進(jìn)的超音速熱噴涂技術(shù)，密封件表面預(yù)熱后，利用先進(jìn)噴涂設(shè)備把合金粉末熔融以超音速的速度噴涂在密封件表面上，在密封件表面形成合金層，再通過精密研磨最終形成高性能密封面。

5 產(chǎn)業(yè)化實施過程概述

由于使用時的惡劣工況，設(shè)備必須具有很高的耐腐蝕性，同時還要承受高壓甚至超高壓的工作壓力，因此要求主要零件必須具備較高的綜合機械性能，一些關(guān)鍵零件表面還要求具有高耐磨，高硬度以及自潤滑表面等特性，且這些特性均需滿足相關(guān)的API認(rèn)證要求，因此需采取先進(jìn)的機加工、研磨、拋光、鍍鎳磷、PT探傷、MT探傷、精加工等多個工序，方可滿足設(shè)備特性需求?？傮w生產(chǎn)流程為：原材料為優(yōu)質(zhì)鋼材，經(jīng)過鍛造后形成毛坯，通過對毛坯粗加工、熱處理、精加工、鉆銑加工、去毛刺、表面處理等工藝過程生產(chǎn)出一個個零部件，然后再經(jīng)過清洗、裝配、壓力試驗、性能試驗等工序?qū)⒁粋€個零件裝配成整機部件，最后組裝成成套設(shè)備。

作者所在單位成功開發(fā)的高性能壓裂井口裝置、壓裂樹、壓裂管匯、大口徑壓裂閘閥等設(shè)備及關(guān)鍵部件于2011年開始進(jìn)行小批生產(chǎn)，并在國外的北美地區(qū)、國內(nèi)的川慶、勝利、大慶等油田進(jìn)行試用，備受好評。截至2015年年底，相關(guān)產(chǎn)品已實現(xiàn)1.3億元的銷售額，具備了下一步大批量生產(chǎn)的技術(shù)和市場條件。圖1為應(yīng)用于國外某油氣田現(xiàn)場壓裂作業(yè)的超高壓大口徑壓裂井口和壓裂樹設(shè)備。

6 市場應(yīng)用前景

目前，國外壓裂設(shè)備集中在北美主要用于非常規(guī)天然氣開發(fā)，其他地區(qū)主要用于石油增產(chǎn)，中東地區(qū)壓裂設(shè)備市場有限，主要是油井單產(chǎn)處于高峰期，目前尚未進(jìn)入大規(guī)模壓裂增產(chǎn)階段。國際壓裂設(shè)備市場目前主要由美國康菲國際石油有限公司、?？松梨诠?、雪佛龍石油公司、FMC等國際石油設(shè)備供應(yīng)商占據(jù)。國內(nèi)已實施的頁巖氣開發(fā)開采試驗區(qū)多采用與國外合作的方式，以進(jìn)口設(shè)備為主，但存在價格高昂、供貨周期長、維修成本高的缺點，需逐步提高國產(chǎn)化率。另一方面，隨著常規(guī)天然氣資源日益緊缺，我國逐漸將戰(zhàn)略規(guī)劃轉(zhuǎn)移到頁巖氣等非常規(guī)油氣資源上，未來3～5年，有望掀起一股開發(fā)熱潮。

預(yù)計到2020年，我國頁巖氣產(chǎn)量將達(dá)300億立方米以上，屆時對頁巖氣開發(fā)設(shè)備總需求將達(dá)2000億元，對配套壓裂設(shè)備的需求將達(dá)1400億元左右，而同期全球壓裂設(shè)備的市場需求更將達(dá)2500億美元以上，市場空間巨大。相信國產(chǎn)高性能壓裂井口設(shè)備將具有越來越強的技術(shù)性能，同時，相對于國外同類產(chǎn)品具有極高的性價比，在未來壓裂設(shè)備市場中大放異彩。

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作者簡介：孫曉迎（1981-），男，工程碩士，主任工程師，長期從事油氣田開采設(shè)備及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)和項目管理工作，尤其對高端井口裝置和采油（氣）樹設(shè)備有較深研究。