大通徑壓裂快速連接管匯技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展建議

白蘭昌,王前敏 ,樊春明 ,李鵬 , 付俊 , 李娜

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西寶雞 721002）

0 引言

根據(jù)我國(guó)油氣資源現(xiàn)狀,響應(yīng)國(guó)家能源安全戰(zhàn)略規(guī)劃，加大常規(guī)及非常規(guī)油氣藏力度的要求，隨著定向井技術(shù)的成熟，井場(chǎng)大量采用叢式井開(kāi)發(fā)，為了提高完井效率，多采用拉鏈?zhǔn)阶鳂I(yè)完成射孔與地層壓裂增產(chǎn)作業(yè)[1-2]。傳統(tǒng)固定式管匯連接方式（如圖1），管匯安裝工作量大、安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多、風(fēng)險(xiǎn)高，大通徑壓裂快速連接管匯應(yīng)運(yùn)而生（如圖2）。其用一根管道提供了壓裂液從壓裂管匯撬傳輸?shù)骄诘耐ǖ溃⑶以诳觳寰诘呐浜舷驴梢詫?shí)現(xiàn)多井口快速輪換作業(yè)需求，改變了傳統(tǒng)叢式固定管匯連接方式，減少了85%以上的管匯連接量及風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

圖1 傳統(tǒng)拉鏈?zhǔn)綁毫炎鳂I(yè)

圖2 大通徑壓裂快速連接管匯應(yīng)用示意圖

目前美國(guó)走在壓裂技術(shù)的前沿，在大通徑壓裂快速連接管匯技術(shù)方面開(kāi)發(fā)應(yīng)用比較成熟，形成了多種路線方案，并仍在持續(xù)改進(jìn)中，我國(guó)在大通徑壓裂管匯研制應(yīng)用方面處于剛起步階段。因此找到適合于我國(guó)應(yīng)用及市場(chǎng)需求的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方向，對(duì)我國(guó)在油氣開(kāi)發(fā)的增產(chǎn)增效方面具有十分重要的意義。

1 技術(shù)概況

自壓裂技術(shù)在美國(guó)掀起頁(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)革命以來(lái)，圍繞壓裂的配套新技術(shù)新設(shè)備層出不窮，使得壓裂的工作效率、可靠性、安全性及便利性要求不斷提高。大通徑壓裂快速連接管匯作為替代小通徑多通道壓裂管路作業(yè)及大通徑固定管路作業(yè)的新設(shè)備，就是近幾年開(kāi)發(fā)并成功應(yīng)用的一個(gè)高效連接與快速井口切換關(guān)鍵設(shè)備之一。大通徑壓裂快速連接管匯主要的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商包括美國(guó)NOV公司、HALLIBURTON公司、FORUM公司及FHE公司等。

2 典型應(yīng)用方案分析

2.1 HALLIBURTON大通徑壓裂快連管匯車

HALLIBURTON公司的大通徑壓裂快連管匯車[3]的外觀如圖3所示，主要技術(shù)參數(shù)為：管匯最大通徑為φ130 mm（5-1/8 in），最高工作壓力為105 MPa，最大流量滿足15.9 m3/min，可以滿足兩口間距5～10 m的井位同時(shí)作業(yè)需要。其特點(diǎn)是：管匯采用專有小尺寸活動(dòng)接頭，密封可靠、承載力強(qiáng)；管匯通過(guò)活動(dòng)接頭實(shí)現(xiàn)五自由度設(shè)計(jì)，在隨車吊輔助下完成空間位置的轉(zhuǎn)換；尾部連接遠(yuǎn)程液壓控制快插裝置，實(shí)現(xiàn)與井口的快速連接與脫開(kāi)，安全、高效；吊車動(dòng)力源由汽車底盤提供，無(wú)需配置獨(dú)立的動(dòng)力系統(tǒng)；底盤采用6×4底盤，整車尺寸小于10 m，道路適用性十分廣泛。其不足之處在于快插裝置連接于高壓管匯尾端，由于質(zhì)量大，造成管匯整體工作范圍受限，如果增加作業(yè)半徑，對(duì)隨車吊及底盤都要求會(huì)更高；另外由于管匯采用懸臂式設(shè)計(jì)，管匯根部旋轉(zhuǎn)接頭受力惡劣，降低管匯的可靠性及安全性；采用硬管設(shè)計(jì)，彎頭多且彎頭處沖蝕明顯。

圖3 HALLIBURTON大通徑壓裂快連管匯車

2.2 NOV公司大通徑壓裂快連管匯撬

NOV公司壓裂快連管匯撬[4]的外觀如圖4所示，主要技術(shù)參數(shù)與NOV基本一致，管匯最大通徑φ19.2 mm(8 in)，最高工作壓力為105 MPa，最大流量滿足21.46 m3/min。區(qū)別之一在于采用撬裝模式，相對(duì)于車裝成本大大降底；另外，尾部只連接快插接頭，吊裝質(zhì)量更輕，在相同吊車配置下，管匯可以做得更長(zhǎng)，可以滿足3口井輪換作業(yè)。撬裝模式雖然省去了車頭，但是同樣帶來(lái)了缺點(diǎn)：首先需要獨(dú)立配置動(dòng)力站為隨車吊提供動(dòng)力，并提供電源為控制系統(tǒng)供電；其次由于采用撬裝，整車尺寸更大，尺寸達(dá)12 m以上，道路適用性不如HALLIBURTON的產(chǎn)品；另外與HALLIBURTON方案一致采用懸臂式設(shè)計(jì)，同樣存在根部旋轉(zhuǎn)接頭受力惡劣、彎頭多、彎頭處沖蝕明顯等缺點(diǎn)。

圖4 NOV公司大通徑壓裂快連管匯撬

2.3 FORUM公司柔性管大通徑壓裂快連管匯車

FORUM公司柔性管大通徑壓裂快連管匯車[5]的外觀如圖5所示最大管徑尺寸為φ152.4 mm（6 in），最大工作壓力為105 MPa，采用高壓柔性管代替硬管連接，實(shí)現(xiàn)壓裂液的輸送。其相較于硬管的顯著優(yōu)點(diǎn)是連接點(diǎn)進(jìn)一步減少，結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單、易安裝，相較于硬管零件數(shù)減少90%以上；除兩端接頭處外管道內(nèi)流體無(wú)急劇變向，對(duì)主管匯的沖蝕明顯減小。其缺點(diǎn)為：柔性管在壓裂液環(huán)境下的耐沖蝕性能沒(méi)有得到充分的驗(yàn)證，技術(shù)不成熟；而且要做到更大通徑、實(shí)現(xiàn)更大流量的高壓柔性管存在一定的技術(shù)困難；另外柔性管生產(chǎn)成本也高，經(jīng)濟(jì)性有待考證。

圖5 FORUM公司柔性管大通徑壓裂快連管匯車

2.4 FHE公司大通徑壓裂快連管匯撬

FHE公司大通徑壓裂快連管匯撬[6]的外觀如圖6所示，最大管徑尺寸為φ177.8 mm（7 in），最高工作壓力為105 MPa；其與折臂吊設(shè)計(jì)成一體，主直管與兩節(jié)吊臂鋼性連接，通過(guò)兩個(gè)U形活動(dòng)關(guān)節(jié)彌補(bǔ)吊臂角度變化過(guò)程中的管件長(zhǎng)度變化；采用工廠機(jī)械手主動(dòng)智能控制方案，工作過(guò)程中通過(guò)各部件的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)插拔作業(yè)。其控制的主要內(nèi)容包括折臂的自動(dòng)控制及插拔頭的主動(dòng)旋轉(zhuǎn)：折臂的控制保證在定位井口后，折臂吊頭部可以帶動(dòng)插拔頭直線向下運(yùn)動(dòng)；插拔頭的智能控制，保證快連接頭垂直朝下，便于與井口對(duì)接。相較于前兩種硬管連接，其優(yōu)點(diǎn)在于高壓管匯的重力完全由吊臂承載，對(duì)管匯根部無(wú)附加力矩，增強(qiáng)了旋轉(zhuǎn)接頭的可靠性及安全性；可以實(shí)現(xiàn)軌跡記憶及重復(fù)定位功能，實(shí)現(xiàn)一鍵操作，自動(dòng)化水平為所有方案中最高的一種。其缺點(diǎn)為：自動(dòng)化機(jī)械臂設(shè)計(jì)對(duì)于多變的工作環(huán)境中顯得有點(diǎn)水土不服，適用性不強(qiáng)，對(duì)工作效率提高程度不明顯，沒(méi)有發(fā)揮其應(yīng)有的自動(dòng)化水平；由于采用更高的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，要求極高的液壓系統(tǒng)控制精度，其成本為所有方案中最高的一種，性價(jià)比不高。

圖6 FHE公司大通徑壓裂快連管匯撬

2.5 國(guó)產(chǎn)大通徑壓裂快速連接管匯撬

目前完成工業(yè)性試驗(yàn)的國(guó)產(chǎn)大通徑壓裂快速連接管匯撬方案如圖7所示，壓裂管匯單獨(dú)成撬，工作時(shí)通過(guò)常規(guī)公路吊引導(dǎo)管匯完成插拔快連作業(yè)。其主要技術(shù)參數(shù)為：管徑尺寸為φ20.67 mm(7 in)，工作壓力為105 MPa，適用兩口井連續(xù)作業(yè)要求。其特點(diǎn)是：采用撬裝，體積小，便于運(yùn)輸；由于采用公路吊進(jìn)行井口切換，對(duì)撬體而言無(wú)傾覆要求，可以設(shè)計(jì)得十分簡(jiǎn)便，成本低廉。缺點(diǎn)為：需要公路吊進(jìn)行配合工作，除了撬體本身占用空間外，公路吊也會(huì)占用有限的井場(chǎng)空間；作業(yè)過(guò)程中需要公路吊一直工作，需要專業(yè)的吊車司機(jī)配合才能完成作業(yè)，吊車的使用成本高；另外和國(guó)外的產(chǎn)品相比較，無(wú)論是可靠性、工作半徑、管道通徑等都存在一定的差距。

圖7 國(guó)產(chǎn)大通徑壓裂快連管匯撬

2.6 各家方案對(duì)比及應(yīng)用情況

NOV公司、HALLIBURTON公司采用相同的技術(shù)路線，在局部細(xì)節(jié)方面有小的區(qū)別，都具有成熟的應(yīng)用；FORUM公司柔性管壓裂快連管匯車采用柔性管代替硬管連接，進(jìn)一步減化連接管件，具有更少的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，從而具有更高的安全性、可靠性；FHE公司的產(chǎn)品另辟蹊徑，具有更高的自動(dòng)化水平，據(jù)資料顯示，其已完成多套樣機(jī)的開(kāi)發(fā)與廠內(nèi)試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案并完成試制，待合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)部分公司正在進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證，性能及應(yīng)用情況目前尚不明確。

當(dāng)前，NOV公司及HALLIBURTON公司壓裂快連管匯撬均已得到成熟應(yīng)用并得到用戶的肯定，并逐步得到大面積推廣應(yīng)用；FHE公司和FORUM公司產(chǎn)品正在進(jìn)行各項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證，有待各項(xiàng)性能成熟；國(guó)內(nèi)該產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)處于研發(fā)起步階段，與國(guó)外存在較大的差距。

3 結(jié)論及發(fā)展建議

3.1 結(jié)論

縱觀國(guó)內(nèi)外近幾年石油鉆采裝備的發(fā)展方向，隨著壓裂施工作業(yè)壓力和排量的不斷增高，對(duì)自動(dòng)化壓裂裝備具有迫切的需求[7]。壓裂管匯的發(fā)展同其它壓裂相關(guān)設(shè)備發(fā)展一樣，充分體現(xiàn)了以下幾個(gè)特征：

1）用大通徑單管代替?zhèn)鹘y(tǒng)小通徑多通道壓裂管路作業(yè)，整體結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化，密封性能更可靠，壽命更長(zhǎng)，更加高效，滿足多井口拉鏈?zhǔn)阶鳂I(yè)需要。

2）操作方式上，從人工手動(dòng)連接管匯向快速化、機(jī)械化、自動(dòng)化方向發(fā)展。目前已成功開(kāi)發(fā)多種快連方案，滿足快速連接需要；設(shè)備操作采用遠(yuǎn)程氣、液控制等方式進(jìn)行控制。

3）設(shè)計(jì)方法上，采用有限元、運(yùn)動(dòng)仿真等多種手段，對(duì)整體空間運(yùn)動(dòng)、過(guò)程受力、內(nèi)部流體流場(chǎng)及流體對(duì)內(nèi)部抗沖蝕性能進(jìn)行分析、優(yōu)化。

4）在適用性上，滿足多種復(fù)雜地形的道路運(yùn)輸需求，滿足操作簡(jiǎn)便性、大排量、高壓力的井口壓裂作業(yè)需求等。

3.2 發(fā)展建議

1）針對(duì)國(guó)內(nèi)需求，全力搞好機(jī)械化、自動(dòng)化的壓裂快連管匯研發(fā)工作。整合國(guó)內(nèi)相關(guān)優(yōu)勢(shì)資源，重點(diǎn)對(duì)當(dāng)前困擾其高壓力環(huán)境下對(duì)可靠性、安全性和便利性起關(guān)鍵性作用的大通徑高壓管匯彎頭、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、自動(dòng)化控制等重點(diǎn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行攻關(guān)，以解決和掌握其技術(shù)精髓，滿足油氣裝備發(fā)展需要。

2）把握重點(diǎn)方向，重點(diǎn)采用相對(duì)成熟的技術(shù)方案進(jìn)行開(kāi)發(fā)，加快國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)備研發(fā)進(jìn)度，縮短開(kāi)發(fā)周期的同時(shí)使相關(guān)技術(shù)得到驗(yàn)證與成熟，并逐步開(kāi)展更高可靠性及自動(dòng)化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。