壓裂用快速插拔井口系統(tǒng)研究進(jìn)展

白明偉，車昊陽，王德貴

(1.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 長慶井下技術(shù)作業(yè)公司，西安 710018；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002 )

近年來，國家持續(xù)加大非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)力度，四川頁巖氣、長慶致密油氣、新疆瑪湖致密油等重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域建產(chǎn)規(guī)模逐年增大，壓裂作業(yè)大幅增加。為提高作業(yè)效率，降低作業(yè)成本，工廠化壓裂逐漸成為主流的作業(yè)模式。叢式水平井組合工廠化壓裂模式是增產(chǎn)改造的主要方式和降本增效的重要手段[1-4]。在工廠化壓裂作業(yè)過程中，由于施工規(guī)模的限制，需要采用多條76.2 mm(3寸)，或101.6 mm(4寸)的壓裂管路并聯(lián)，滿足大排量施工的要求。目前，施工排量已經(jīng)達(dá)到20 m3/min。1個常規(guī)壓裂井場大約需要100個高壓管件及其連接接頭，繁雜的管路布置會增加施工周期，還帶來更多的管線刺漏風(fēng)險。現(xiàn)有的管匯連接方式基本都是由壬連接，在組裝和拆卸過程中，需要眾多操作人員肩扛、手抬、錘擊、交叉作業(yè)，勞動強(qiáng)度大，效率低，風(fēng)險高。

目前，我國的射孔、壓裂井口換裝時效較低，影響現(xiàn)場作業(yè)總體時效，與北美地區(qū)差距較大[5-7]。平臺井工廠化壓裂作業(yè)時，為保證人員安全，某口井在壓裂時，相鄰井不允許換裝射孔作業(yè)井口防噴裝置。井口電纜防噴系統(tǒng)安裝繁瑣，涉及高空高壓作業(yè)，勞動強(qiáng)度大，危險系數(shù)高，作業(yè)時間長。射孔井口防噴裝置急需升級，實(shí)現(xiàn)無人化遠(yuǎn)程操作井口換裝，在壓裂的同時完成同平臺相鄰井射孔作業(yè)，實(shí)現(xiàn)壓裂射孔無縫銜接，提高工廠化壓裂總體時效[8]。

針對壓裂、射孔施工作業(yè)中勞動強(qiáng)度大、連接效率低等問題，國外Halliburton、FORUM、FHE、NOV等公司開發(fā)了壓裂用快速插拔井口系統(tǒng)，高壓管線和由壬連接數(shù)量大幅減少，實(shí)現(xiàn)了壓裂、射孔作業(yè)的無縫銜接。為了縮短與國外壓裂用快速插拔井口系統(tǒng)的技術(shù)差距，有必要深入研究國外幾家著名公司的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為國內(nèi)研發(fā)同類產(chǎn)品提供參考。

1 快速插拔井口系統(tǒng)簡介

快速插拔井口系統(tǒng)由快速插拔井口裝置和大通徑單通道活動管匯車(撬)組成，可在壓裂、射孔作業(yè)時與井口快速插拔，如圖1所示?？焖俨灏尉谘b置安裝在井口最上方，它是1種高度集成的機(jī)械、液壓一體化裝置。施工人員在遠(yuǎn)離井口的控制柜前，通過操作控制面板來實(shí)現(xiàn)防噴管插入端，或壓裂管匯插入端與井口裝置的連接和釋放，插入后能快速試壓。大通徑單通道活動管匯車(撬)是壓裂液進(jìn)入井口的最后通道，一般由底盤車(撬)、折臂吊機(jī)、大通徑活動彎頭、大通徑直管等組成。在多井口壓裂作業(yè)時，大通徑單通道管路在倒換井口時，用吊機(jī)吊裝，使管路插拔公頭與插拔主體進(jìn)行對接，通過液控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程鎖緊或解鎖。吊機(jī)帶動活動管匯隨吊機(jī)一起運(yùn)動，活動接頭可為管匯提供自由度，在與井口對接時可調(diào)整角度、方向和與井口遠(yuǎn)近距離。

射孔作業(yè)時，防噴管插入端和井口遠(yuǎn)程自動對接、自動釋放，并能快速試壓和自動投球，替代了傳統(tǒng)的人工連接防噴管和井口裝置。壓裂作業(yè)時，壓裂管匯插入端與井口遠(yuǎn)程自動對接，壓裂管匯入口端與壓裂車管匯相連。在預(yù)先布置井場時，現(xiàn)場人員只用對接壓裂管匯車(撬)入口端接口，降低了勞動強(qiáng)度，提高了井場布置效率，降低了安全隱患。整個操作都可以遠(yuǎn)程控制完成，操作人員不用在高壓區(qū)域進(jìn)行高空作業(yè)，降低了施工風(fēng)險，減少操作人員的勞動強(qiáng)度。

1-大通徑單通道活動管匯車；2-快速插拔井口裝置；3-壓裂作業(yè)井口；4-射孔作業(yè)井口。圖1 快速插拔井口系統(tǒng)

2 國外典型產(chǎn)品技術(shù)現(xiàn)狀

Halliburton、FHE、FORUM、NOV等公司均在開發(fā)壓裂用快速插拔井口系統(tǒng)，其產(chǎn)品已經(jīng)在油田應(yīng)用。

2.1 Halliburton公司壓裂用快速插拔井口系統(tǒng)

Halliburton公司是最早研制出壓裂用快速插拔井口系統(tǒng)的公司，其開發(fā)的ExpressKinectTMWellhead Connection Unit壓裂用快速插拔井口系統(tǒng)主要由井口快速拔插裝置(ExpressKinect)、大通徑多自由度管匯車組成[9]，配套1臺F275型折臂吊機(jī)。大通徑多自由度管匯車入口端和出口端均配置1套井口快速拔插裝置，入口端與壓裂車匯總后的管匯撬相連，出口端與壓裂井口相連，如圖2所示。在井口高度為4.6～6.1 m，井間距5 m時，其作業(yè)半徑最大可以覆蓋3口井。

圖2 ExpressKinectTM壓裂用快速插拔井口系統(tǒng)

大通徑多自由度管匯車入口端管匯總成和出口端管匯總成均由5個旋轉(zhuǎn)活動接頭組成，具有5個旋轉(zhuǎn)自由度，旋轉(zhuǎn)活動接頭采用“T”型滑動軸承結(jié)構(gòu)，摒棄了傳統(tǒng)活動接頭的彈道結(jié)構(gòu)，使其具有較小的外徑、較大的承載能力。如圖3所示。多自由度管匯與吊車是分離的，也可使用現(xiàn)場吊車，降低使用成本。

1-左側(cè)管道；2-“T”型軸承；3-夾持機(jī)構(gòu)；4-密封；5-右側(cè)管道。圖3 旋轉(zhuǎn)活動接頭

2017年開發(fā)成功以來，已經(jīng)在北美地區(qū)大規(guī)模使用。具有成本低、現(xiàn)場布置靈活等特點(diǎn)，減少了85%的高壓管線，減少了75%的由壬連接，在工廠化壓裂時井口切換時間可以控制在5 min之內(nèi)。整套系統(tǒng)工作壓力103.41 MPa(15 000 psi)，流量15.9 m3/min，通徑130 mm(5英寸)。

2.2 FHE公司壓裂用快速插拔井口系統(tǒng)

美國FHE公司開發(fā)了FracLock壓裂用井口快速插拔系統(tǒng)[10]，其采用類似混凝土泵車結(jié)構(gòu)，壓裂管線被布置在1個定制的臂架上，臂架上安裝有傳感器和液壓馬達(dá)，可以保持插頭插入時始終保持垂直狀態(tài)，如圖4所示。其具有位置記憶功能，可記錄12個位置，最大作業(yè)半徑12 m。在第1次使用后，可實(shí)現(xiàn)自動對位，一鍵式井口對接。壓裂管線上配置有5個旋轉(zhuǎn)接頭，旋轉(zhuǎn)接頭采用圓柱推力軸承結(jié)構(gòu)，如圖5所示，使壓裂管線可以隨臂架一起運(yùn)動。壓裂管線90°轉(zhuǎn)彎處采用流線型結(jié)構(gòu)，可降低管線沖蝕，提高管線壽命。該公司開發(fā)了51.71 MPa(7 500 psi)和103.41 MPa(15 000 psi)2種規(guī)格的RIG LOCK快速插拔井口裝置?？刂葡到y(tǒng)采用1控3，或1控4的模式，即1套控制系統(tǒng)同時控制3或4套插拔裝置機(jī)械本體。整套系統(tǒng)工作壓力可達(dá)103.41 MPa(15 000 psi)，流量20.67 m3/min，內(nèi)徑177.8 mm(7 英寸)。

圖4 FracLock快速插拔井口系統(tǒng)

圖5 活動彎頭

2.3 FORUM公司壓裂用快速插拔井口系統(tǒng)

美國FORUM公司開發(fā)了FracKing ConnectTM壓裂用快速插拔井口系統(tǒng)[11]，系統(tǒng)由車載式高壓軟管系統(tǒng)和HLA 15K快速插拔裝置組成，如圖6所示。車載式高壓軟管系統(tǒng)包括1個定制的起重機(jī)和高壓軟管。Forum的快速插拔井口系統(tǒng)，多井共用單根高壓管線，減少所需的旋轉(zhuǎn)連接高達(dá)94%，設(shè)計簡單。與常規(guī)產(chǎn)品相比，復(fù)雜性顯著降低，它結(jié)合了軟管的靈活性和大通徑的優(yōu)點(diǎn)，減少了連接點(diǎn)，簡化了管線連接。它采用的由壬和法蘭連接更少，泄漏點(diǎn)也更少。系統(tǒng)工作壓力可達(dá)103.41 MPa(15 000 psi)，流量20.67 m3/min，內(nèi)徑125.4 mm(6 英寸)。

圖6是典型的全井場高壓軟管壓裂井場管線布局，由于高壓軟管折彎半徑較大，插入端需要增加配重以保持插入公頭保持豎直狀態(tài)。為方便壓裂車與管匯撬之間、管匯撬與插拔井口系統(tǒng)管線之間連接，高壓軟管末端配備標(biāo)準(zhǔn)由壬或API 法蘭端接頭，并帶有可旋轉(zhuǎn)活動接頭，易于拆卸和更換主要部件。

圖6 FracKing ConnectTM系統(tǒng)

HLA系列快速插拔井口裝置配置有自動投球器，自動升降液帽功能。可遠(yuǎn)程操作，比傳統(tǒng)作業(yè)模式節(jié)省30%～40%時間，現(xiàn)場維修時間只需15 min。

該公司開發(fā)了Serpent SeriesTM系列高壓軟管，如圖7所示，技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖7 Serpent SeriesTM系列高壓軟管外形

表1 Serpent SeriesTM系列高壓軟管技術(shù)參數(shù)

2.4 NOV公司壓裂用快速插拔井口系統(tǒng)

NOV公司開發(fā)了The FracMaxx and Big Bore QuickLatch System壓裂用井口快速插拔系統(tǒng)[12]，由The FracMaxx大通徑管匯拖車和quicklatchTM壓裂用井口快速插拔裝置組成，如圖8所示。The FracMaxx大通徑管匯采用拖車模塊運(yùn)輸，配套有隨車吊機(jī)，單通道大通徑管匯系統(tǒng)額定工作壓力103.41 MPa(15 000 psi)，流量21.46 m3/min，內(nèi)徑203.2 mm(8 英寸)，是目前行業(yè)通徑最大的快速插拔井口系統(tǒng)，作業(yè)半徑可以覆蓋4個井口。插入公頭帶平衡裝置，可以自動調(diào)節(jié)插入公頭的狀態(tài)，使其始終保持垂直。通過遙控器遠(yuǎn)程遙控操作隨車吊機(jī)即可完成管匯與井口之間的插拔連接。入口端在壓裂時可以用隨車吊機(jī)將其放置在地面上，可以根據(jù)需要配置羊角頭或單通道法蘭。

圖8 NOV公司的快速插拔井口系統(tǒng)

大通徑管匯旋轉(zhuǎn)活動接頭采用類似Halliburton滑動軸承結(jié)構(gòu)，如圖9所示。旋轉(zhuǎn)活動接頭采用“工”型低摩擦軸承和夾持結(jié)構(gòu)，采用防擠出高壓密封，保證密封的壽命，接頭在沒有內(nèi)壓或工具輔助狀態(tài)下可以靈活旋轉(zhuǎn)。配套有專用密封更換工具，密封損壞時，可以最大限度地減少停機(jī)時間，并且允許密封在外面更換，而不需要從系統(tǒng)中拆卸管道。由于所有的配件沒有焊接或螺紋部位，使活動彎頭結(jié)構(gòu)緊湊、耐沖蝕能力強(qiáng)。

2.5 典型產(chǎn)品優(yōu)缺點(diǎn)(如表2所示)

1-左側(cè)管道；2-“工”型軸承；3-右側(cè)管道；4-密封；5-夾持機(jī)構(gòu)。圖9 NOV公司的旋轉(zhuǎn)活動接頭

表2 壓裂用快速插拔井口系統(tǒng)典型產(chǎn)品比較

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 井口快速插拔裝置

井口快速插拔裝置是一種高度集成化的機(jī)械、液壓一體化裝置，主要由機(jī)械本體和控制系統(tǒng)組成，1套控制系統(tǒng)可完成3～4口井作業(yè)，高可靠性鎖緊和解鎖機(jī)構(gòu)、高壓高壽命密封結(jié)構(gòu)是其關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)有產(chǎn)品主要有4種結(jié)構(gòu)：

1) 豎直液缸帶動凸輪式旋轉(zhuǎn)鎖塊壓緊。

2) 水平液缸推動鎖塊鎖緊。

3) 鎖塊在活塞外筒的推動下水平移動，鎖緊主體。

4) 鎖緊裝置在活塞外筒的推動下(像手一樣)鎖緊主體。

除此之外，該裝置應(yīng)采用模塊化設(shè)計，控制系統(tǒng)邏輯互鎖，防止誤操作。配備遠(yuǎn)程自動投球器，具有插拔位置指示功能。采用雙重安全設(shè)計，保證連接可靠。具有遠(yuǎn)程快速試壓功能。

3.2 大通徑活動彎頭

大通徑活動彎頭需要克服靈活轉(zhuǎn)動和高壓密封這一矛盾問題。常規(guī)103.41 MPa(15 000 psi)活動彎頭，目前國內(nèi)只能做到101.6 mm(4 英寸)通徑，而國外目前已經(jīng)研制出130.2 mm(5英寸)，甚至203.2 mm(8 英寸)通徑產(chǎn)品。通徑增大以后，管線軸向載荷急劇增加，需要設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)接頭來承受內(nèi)壓力和活塞的軸向力。傳統(tǒng)彈道結(jié)構(gòu)已經(jīng)不適合127 mm(5 英寸)以上的大尺寸管匯，主要原因是摩擦阻力顯著增大，轉(zhuǎn)動非常困難。國外普遍采用滑動軸承結(jié)構(gòu)來增加軸承的承載能力，采用流線型設(shè)計，以減少管匯內(nèi)沖蝕。103.41 MPa (15 000 psi)、130.2 mm(5英寸)以上通徑活動彎頭目前無法進(jìn)行國外配套，只能進(jìn)行自主研發(fā)。

3.3 大通徑活動管匯系統(tǒng)

大通徑多自由度管匯插拔作業(yè)時，受井場布局和井口位置影響較大，國內(nèi)井場普遍存在井場面積小，井間距大的現(xiàn)象。另外，放噴管線和井口地坑及護(hù)欄等要求大通徑管匯車離開井口有一定的距離。這些限制因素要求大通徑活動管匯系統(tǒng)作業(yè)半徑大，運(yùn)輸時整體尺寸小。大通徑活動彎頭在吊機(jī)輔助作用下雖然能夠轉(zhuǎn)動，但摩擦阻力仍然很大，起吊時，如何保持管匯終端的插頭一直保持豎直狀態(tài)是一難題，可以通過增加配重、安裝平衡裝置等措施來解決。為了達(dá)到較遠(yuǎn)的作業(yè)半徑，較小的運(yùn)輸尺寸，國外目前普遍采用2段折疊式管匯，例如國民油井公司和哈里伯頓公司，這種管匯布局方案可以使管匯更容易張開和回收。另外，管匯懸空還需解決高壓管線抖動的問題。

4 結(jié)論

1) 壓裂用快速插拔井口系統(tǒng)在提高壓裂作業(yè)時效，減少高壓管線使用數(shù)量、減少連接管線勞動強(qiáng)度，提高現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)備自動化程度，避免人員進(jìn)入高壓區(qū)倒換閘門，提高安全性方面有巨大優(yōu)勢。隨著壓裂施工的壓力和排量不斷增高，以及壓裂裝備自動化的迫切需求，對壓裂用快速插拔井口系統(tǒng)的需求越來越高[13-15]。

2) 國外井口快速插拔裝置具有帶壓鎖定功能，防止帶壓情況下意外解鎖，安全性高，具有雙重位置指示功能，機(jī)械本體和面板均能進(jìn)行位置指示，確保插拔到位。插拔部位密封壽命長，更換周期長。

3) 大通徑活動彎管需要采用流線設(shè)計，在滿足大通徑、耐高壓、轉(zhuǎn)動靈活的同時，外徑尺寸需要緊湊設(shè)計，以降低整體質(zhì)量。流線型設(shè)計，可以提高管道的耐沖蝕能力，使排量更大，管道磨損少，壽命長。需采用防松脫連接設(shè)計，防止管線旋轉(zhuǎn)、振動而引起管線泄漏。

4) 自帶吊機(jī)，可以節(jié)省現(xiàn)場安裝空間，降低后期使用成本，使管線伸展、縮回更加便捷，并降低作業(yè)時間和勞動強(qiáng)度。

5) 國外產(chǎn)品的管內(nèi)平均流速普遍高于國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的12.2 m/s[16]的平均流速。引進(jìn)國外設(shè)備進(jìn)入國內(nèi)后，最大流量可能要降級使用。

6) 相比國外壓裂用快速插拔井口系統(tǒng)，國內(nèi)研究起步較晚，進(jìn)口國外設(shè)備價格昂貴，無法大量應(yīng)用，國內(nèi)發(fā)展空間很大。目前，國外還未研制出137.88 MPa(20 000 psi)、130.2(5英寸)以上通徑活動彎頭。隨著國內(nèi)深層頁巖氣開發(fā)，177.8 mm(7 英寸)以上通徑、137.88 MPa(20 000 psi)壓力、操作自動化、一鍵定位是未來壓裂用快速插拔井口系統(tǒng)的發(fā)展方向。