張青鋒，張宏橋，王前敏，白蘭昌，王志喜，秦雪飛，劉 鳴

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司， 成都 610000)

大型壓裂作業(yè)需要配置必要的輔助設(shè)備才能完成整個(gè)流程，輔助設(shè)備主要包括：混配裝置、儲(chǔ)液裝置、儲(chǔ)砂輸送設(shè)備、壓裂井口管匯連接。隨著國(guó)內(nèi)大型壓裂作業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，施工排量在不斷提升，現(xiàn)有高壓管匯連接數(shù)量成倍數(shù)增加，連接工作量成倍增加，作業(yè)時(shí)長(zhǎng)增加，作業(yè)效率降低。同時(shí)現(xiàn)有管匯系統(tǒng)都為由壬連接，由于由壬連接無(wú)法量化，易引起螺紋和密封損壞，造成泄露。隨著管匯量的增大，泄漏點(diǎn)也增多，這帶來(lái)了較大的安全隱患，因此壓裂井口高壓管匯連接已成為制約大型壓裂提速提效的一個(gè)短板[1-3]。針對(duì)這個(gè)短板，國(guó)內(nèi)外推出了一些新技術(shù)，主要有大通徑單通道井口連接裝置、壓裂井口快速連接裝置、大通徑軟管等先進(jìn)技術(shù)。本文對(duì)這些新技術(shù)以及常規(guī)井口管匯連接進(jìn)行了對(duì)比分析，總結(jié)出各個(gè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和不足，可針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)工況選用不同的技術(shù)，有利于國(guó)內(nèi)壓裂井口管匯連接的研究。

1 常規(guī)井口管匯連接技術(shù)

高壓管匯將壓裂車增壓后的高壓流體輸送到井口。按照流體的流向和高壓管匯的功用，將高壓管匯分為2個(gè)部分：A區(qū)和B區(qū)，如圖1所示。區(qū)域A為壓裂車與管匯撬的對(duì)接，完成壓裂液的匯集。在區(qū)域A，快接管匯撬產(chǎn)品已在國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用[4]；區(qū)域B為管匯撬到井口，完成壓裂液分流到井口的任務(wù)，稱為壓裂井口管匯連接。在區(qū)域B，國(guó)內(nèi)采用的都是常規(guī)管匯連接方式。

圖1 高壓管匯連接分區(qū)示意

常規(guī)井口管匯連接是由直管、彎管、接頭、閥門(mén)等連接而成。這些連接大多數(shù)是由壬連接的，需要現(xiàn)場(chǎng)人員錘擊安裝，部分由壬連接屬于高空作業(yè)，增加了作業(yè)難度。在小規(guī)模作業(yè)時(shí)，管匯連接的工作強(qiáng)度尚可，并且可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有管匯靈活配置，方便快捷。隨著壓裂規(guī)模的擴(kuò)大，高壓管匯的連接數(shù)量呈倍數(shù)增加，意味著連接工作量翻倍、非工作耗時(shí)占比明顯、安全性風(fēng)險(xiǎn)成倍增大、成本也不斷提高。

2 管匯連接新技術(shù)

2.1 大通徑單通道井口連接裝置

大通徑單通道井口連接裝置是將快連管匯撬到壓裂井口之間的管線進(jìn)行匯集，用大通徑管線代替多股小通徑管線。大通徑閥門(mén)代替多個(gè)小閥門(mén)，減少接頭數(shù)量，降低連接工作量和安全風(fēng)險(xiǎn)，如圖2所示。FMC公司、SPM公司、Schlumberger公司都是這種技術(shù)路線。

圖2 大通徑單管道管匯連接

2.1.1 工作原理

大通徑單通道井口連接裝置如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)由壓裂安全閥、大通徑管匯、分流裝置3部分組成[5]。分流裝置與管匯撬匯集過(guò)來(lái)的管線對(duì)接，壓裂安全閥與壓裂井口對(duì)接，大通徑管匯將分流裝置與壓裂安全閥串接起來(lái)。各模塊都集成在模塊化撬上，在每個(gè)撬的末端僅有1個(gè)法蘭接頭，整個(gè)裝置只對(duì)接4次法蘭接頭，減少80%的連接。

1-壓裂安全閥；2-大通徑管匯；3-分流裝置。 圖3 大通徑單管道井口連接裝置

整個(gè)系統(tǒng)的閥門(mén)都為自動(dòng)閥門(mén)，可遠(yuǎn)程操控，并附帶手動(dòng)功能，提高系統(tǒng)的冗余性。同時(shí)還配備了全自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，通過(guò)泵注潤(rùn)滑液，為整個(gè)系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程自動(dòng)潤(rùn)滑。通過(guò)自動(dòng)閥門(mén)和自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，可在遠(yuǎn)程操控中心完成閥門(mén)切換以及系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間使用，實(shí)現(xiàn)高壓區(qū)域無(wú)人化、自動(dòng)化。

2.1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1) 法蘭快接技術(shù)。各撬裝模塊位置固定后進(jìn)行法蘭對(duì)接，由于固定位置的偏差，需要對(duì)法蘭做調(diào)整才能完成對(duì)接。為了快速地將法蘭對(duì)接好，各家都推出了自己的專利技術(shù)。①單直線壓裂接頭：如圖4a所示，壓裂安全閥與壓裂井口對(duì)接時(shí)連有調(diào)整接頭，此調(diào)整接頭可上下移動(dòng)并繞中心軸旋轉(zhuǎn)，這使壓裂安全閥可上下移動(dòng)且能旋轉(zhuǎn)，保證法蘭快速對(duì)接[6]；②單管萬(wàn)向裝置：此裝置由90°彎頭和旋轉(zhuǎn)接頭組成的，當(dāng)分流裝置和壓裂安全閥安裝位置出現(xiàn)偏差時(shí)，實(shí)現(xiàn)在空間3個(gè)自由度的調(diào)節(jié)來(lái)保證2個(gè)裝置的對(duì)接，如圖4b 所示[7]。

圖4 法蘭快接技術(shù)

2) 大尺寸閥門(mén)。由于管匯為大通徑，需要匹配相應(yīng)的大尺寸閥門(mén)，并能由執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)推進(jìn)。SPM公司推出了177.8 mm(7英寸)旋塞閥，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。FMC公司推出了177.8 mm(7英寸)截止閥[8]，Schlumberger公司推出了177.8 mm(7英寸)低轉(zhuǎn)矩閘閥。

2.1.3 技術(shù)特點(diǎn)

1) 相比于傳統(tǒng)的由壬連接，大通徑單通道井口連接裝置連接整齊，有跡可循，減少占地面積。

2) 所有管線都是大通徑管線，流道摩阻降低，提高使用壽命。據(jù)SPM調(diào)研，大通徑管線可降低70%的流道沖蝕，使用時(shí)間為傳統(tǒng)設(shè)備的3倍以上。

3) 整個(gè)裝置沒(méi)有由壬，采用符合API標(biāo)準(zhǔn)的法蘭，連接扭矩可控，降低潛在泄露風(fēng)險(xiǎn)。

4) 整個(gè)裝置都為全自動(dòng)閥門(mén)，不用人操作，減少閥門(mén)倒換的工作量和人工出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。

5) 在單井口上整個(gè)裝置只用連接4個(gè)法蘭，且連接好以后不需要綁帶操作，降低現(xiàn)場(chǎng)工作量。

2.2 壓裂井口快速連接裝置

壓裂井口快速連接裝置在大通徑單通道井口連接裝置的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，1套管線覆蓋多口井，完全改變傳統(tǒng)的一對(duì)一連接，形成一對(duì)多的布局，如圖5所示。Halliburton公司、NOV公司、FHE公司都是這種技術(shù)。

圖5 壓裂井口快速連接裝置連接布置

2.2.1 壓裂井口快速連接裝置簡(jiǎn)介

壓裂井口快速連接裝置由井口連接裝置和大通徑活動(dòng)管匯撬組成[9]，如圖6所示。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，井口連接裝置安裝在壓裂井口上，大通徑活動(dòng)管匯被吊放在合適的位置上,將大通徑活動(dòng)管匯的一端與管匯撬對(duì)接，另一端快插接頭端吊至一口井口，與連接裝置自動(dòng)對(duì)接后進(jìn)行一口井的壓裂。完成第1口井的壓裂后，快插接頭自動(dòng)松放，吊至第2口井進(jìn)行第2口井的壓裂，以此類推完成多口井的壓裂。

圖6 壓裂井口快速連接裝置

整個(gè)作業(yè)過(guò)程，只用人工進(jìn)行井口對(duì)接和管匯撬的對(duì)接，其余對(duì)接工作都為自動(dòng)對(duì)接，降低了管匯連接工作量。根據(jù)Halliburton調(diào)研[11]，當(dāng)常規(guī)的雙井壓裂作業(yè)時(shí)，大約需要170個(gè)連接頭，其中還有12個(gè)是高空作業(yè)。而采用壓裂井口快速連接裝置后，只用了36個(gè)接頭，而且這些接頭都是連接好的，泄露風(fēng)險(xiǎn)低，連接整個(gè)管匯也只需一個(gè)接頭。

FHE公司開(kāi)發(fā)了一種新的全自動(dòng)壓裂井口快速插拔裝置[11]，將高壓管匯和起吊裝置結(jié)合在一起，如圖7所示。在每個(gè)高壓管匯的旋轉(zhuǎn)接頭處連接有液壓馬達(dá)，通過(guò)控制器將5個(gè)液壓馬達(dá)聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)插拔頭在空間任意位置的切換?？刂破骺捎涗?2個(gè)位置，在第1次使用后，控制器記錄此位置，重復(fù)壓裂時(shí)一鍵式完成井口對(duì)接。此裝置不用吊車司機(jī)在每次井口切換時(shí)進(jìn)行對(duì)位操作，降低了現(xiàn)場(chǎng)工作量。由于只布置了一條大通徑活動(dòng)管匯，因此相比前面的產(chǎn)品，還需要進(jìn)行管匯撬與壓裂井口快速插拔裝置之間的對(duì)接，增加了管匯對(duì)接工作量。

圖7 FHE公司壓裂井口快速連接裝置

2.2.2 關(guān)鍵技術(shù)

1) 井口插拔裝置。井口插拔裝置是高度集成化的機(jī)電液一體化設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)插拔的關(guān)鍵設(shè)備[12]?，F(xiàn)有產(chǎn)品主要有3種結(jié)構(gòu)：①豎直液缸帶動(dòng)凸輪式旋轉(zhuǎn)鎖塊壓緊結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)緊湊，受力合理，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜；②水平液缸推動(dòng)橫向鎖塊鎖緊結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)操作維護(hù)簡(jiǎn)單可靠，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)時(shí)間可控制在15 min之內(nèi),但鎖塊承受切應(yīng)力，液缸受偏載，對(duì)鎖塊和液缸的材料強(qiáng)度要求高；③液壓套筒推動(dòng)鎖塊鎖緊結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)應(yīng)用成熟，鎖塊承受較小的切應(yīng)力，結(jié)構(gòu)合理，但是鎖塊在套筒內(nèi)部，維護(hù)檢修不方便。同時(shí)密封、控制系統(tǒng)、安全裝置也是此設(shè)備成熟與否的關(guān)鍵。

2) 大通徑活動(dòng)管匯。大通徑活動(dòng)管匯需要承受內(nèi)壓并靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。在通徑增大后，密封摩擦的阻力增大，管線的軸向載荷增大，因此現(xiàn)在多采用滑動(dòng)軸承來(lái)來(lái)克服這些阻力，以此增加軸承的承載能力和轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性。在密封上，除了常規(guī)的旋轉(zhuǎn)密封，NOV公司采用防擠出高壓密封，接頭在沒(méi)有內(nèi)壓或工具輔助狀態(tài)下可以靈活旋轉(zhuǎn)，如圖8所示。并配有專用密封更換工具，密封損壞時(shí)，可允許密封在外面更換，而不需要從系統(tǒng)中拆卸管道，可以最大限度的減少停機(jī)時(shí)間。

圖8 NOV公司大通徑活動(dòng)管匯

2.2.3 技術(shù)特點(diǎn)

1) 相比于大通徑單通道井口連接裝置，壓裂井口快速插拔裝置裝拆工作量更少。以3口井為例，大通徑單通道井口連接裝置需對(duì)接12個(gè)法蘭，而井口快速連接裝置只需對(duì)接4個(gè)法蘭，安裝和拆卸工作量減少75%；

2) 壓裂井口快速連接裝置實(shí)現(xiàn)1套管線覆蓋多口井，減少設(shè)備用量，降低設(shè)備成本；

3) 壓裂井口快速連接裝置可實(shí)現(xiàn)射孔換裝和壓裂管匯自動(dòng)插拔，在拉鏈作業(yè)時(shí)實(shí)現(xiàn)射孔壓裂的無(wú)縫對(duì)接，工作效率高[13]。

2.3 大通徑軟管技術(shù)

不論是大通徑單通道井口連接裝置，還是壓裂井口快速連接裝置都應(yīng)用了軟管，這些裝置其實(shí)都可以用軟管全面代替硬管，由于軟管的特殊性，本文對(duì)軟管技術(shù)進(jìn)行單獨(dú)介紹。

2.3.1 軟管應(yīng)用

FMC公司推出了WellFlex技術(shù)，將壓裂井口和分流裝置連接在一起，連接數(shù)量降低了80%，安裝時(shí)效提高了50%。其額定工作壓力103.5 MPa(15 000 psi)，通徑139.7mm(5.5英寸)，流量21.5 m3/min(135 bbl/min)，線質(zhì)量107.1 kg/m，遠(yuǎn)低于硬管的質(zhì)量。國(guó)外Schlumberger公司推出了MonoFlex技術(shù)[14]，替代單管萬(wàn)向技術(shù)，完成在壓裂現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用，如圖9所示。其額定工作壓力103.5 MPa(15 000 psi)，通徑152.4 mm(6英寸)，流量24.6 m3/min(155 bbl/min)，流速達(dá)到22.6 m/s，遠(yuǎn)高于硬管規(guī)定的12.2 m/s。

圖9 Monoflex軟管現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

FORUM公司則是更進(jìn)一步，不僅實(shí)現(xiàn)了用軟管對(duì)管匯撬的全面替代，更在壓裂井口快速連接裝置實(shí)現(xiàn)成功應(yīng)用[15]，如圖10所示。同硬管相比，軟管方式減少旋轉(zhuǎn)連接高達(dá)94%，簡(jiǎn)單可靠；由于沒(méi)有90°彎管的流體流向急劇變化，主管匯沖蝕減少，使用壽命延長(zhǎng)。

圖10 FORUM公司軟管應(yīng)用

2.3.2 關(guān)鍵技術(shù)

軟管由骨架層、內(nèi)襯層、鎧裝層、外保護(hù)層等組成。骨架層和鎧裝層主要提供強(qiáng)度保證，內(nèi)襯層和外保護(hù)層主要用來(lái)密封隔離內(nèi)部輸送流體與外部環(huán)境。每1層選用的材料和技術(shù)不同，軟管性能就不同，因此各家的產(chǎn)品性能差異很大。

如表1所示，在152.4 mm(6英寸)內(nèi)徑時(shí)，Schlumberger公司的產(chǎn)品可達(dá)到24.6 m3/min(130bbl/min)，而NOV公司產(chǎn)品只能達(dá)到19.1 m3/min(120 bbl/min)[17]。管子的彎曲半徑差異很大，在152.4 mm(6英寸)內(nèi)徑時(shí)，Schlumberger公司的產(chǎn)品彎曲半徑為121.9 cm(4英尺)，NOV公司的產(chǎn)品彎曲半徑高達(dá)179.8 cm(5.5英尺)。還能看到FMC的WellFlex和FORUM的Serpent流量基本相等，WellFlex的內(nèi)徑小于Serpent，但彎曲半徑卻比Serpent的大。

表1 各品牌軟管技術(shù)參數(shù)

2.3.3 技術(shù)特點(diǎn)

1) 硬管厚度需要專用設(shè)備才可以檢出，而軟管的厚度可由顏色來(lái)區(qū)分，維護(hù)難度降低。例如NOV的FlexConnect，軟管顏色已標(biāo)準(zhǔn)化，紅色代表75%的原始厚度，黃色代表50%的原始厚度，綠色代表25%的原始厚度，現(xiàn)場(chǎng)人員可直接根據(jù)顏色判斷軟管的磨損程度。

2) 對(duì)軟管的對(duì)接進(jìn)行了優(yōu)化，除了傳統(tǒng)的由壬，都采用符合API標(biāo)準(zhǔn)的法蘭和卡箍。FORUM公司的Serpent產(chǎn)品還對(duì)軟管和接頭的連接進(jìn)行優(yōu)化，可現(xiàn)場(chǎng)拆卸安裝，降低現(xiàn)場(chǎng)更換接頭維護(hù)難度。

3) 由于軟管不會(huì)出現(xiàn)流速的急劇變化，流體流動(dòng)更平緩，且內(nèi)部材料可優(yōu)選耐磨更好的橡膠材料，因此使用壽命更長(zhǎng)。

4) 硬管多采用鍛件，生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，而軟管雖工序復(fù)雜，但可自動(dòng)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，隨著使用量的增加，軟管的成本要優(yōu)于硬管。

3 結(jié)論

1) 常規(guī)管匯連接在小規(guī)模壓裂時(shí),連接便捷。但隨著壓裂規(guī)模的擴(kuò)大，高壓管匯的連接數(shù)量呈現(xiàn)成倍的增加，采用常規(guī)管匯連接，現(xiàn)場(chǎng)布局亂、工作強(qiáng)度大、作業(yè)時(shí)效低、安全性低、成本高。

2) 大通徑單通道井口連接裝置相比于傳統(tǒng)的由壬連接，在大規(guī)模壓裂作業(yè)時(shí)，前者更占優(yōu)勢(shì)，連接整齊，而且占地面積少；流道摩阻低，使用壽命長(zhǎng)；連接扭矩可控，減少潛在的風(fēng)險(xiǎn)；現(xiàn)場(chǎng)接管工作量低，不用人工倒換閥門(mén)，勞動(dòng)強(qiáng)度低，安全程度高。但是，大通徑單管道井口管匯裝置需單獨(dú)配備快連井口裝置才能實(shí)現(xiàn)射孔換裝的自動(dòng)對(duì)接，需增加額外的成本。

3) 壓裂井口快速連接裝置相比于大通徑單管道井口連接裝置，裝拆工作量更少；減少設(shè)備用量，降低設(shè)備成本；可實(shí)現(xiàn)射孔換裝和壓裂自動(dòng)插拔，在拉鏈作業(yè)時(shí)實(shí)現(xiàn)射孔壓裂的無(wú)縫對(duì)接，現(xiàn)場(chǎng)工作效率更高。但是，受限于大通徑活動(dòng)管匯的回轉(zhuǎn)半徑，在回轉(zhuǎn)半徑外需布置第2套裝置，會(huì)出現(xiàn)設(shè)備富余的情況。

4) 大通徑軟管相比于硬管，軟管的厚度可由顏色來(lái)進(jìn)行區(qū)分，維護(hù)難度降低；軟管中流體流動(dòng)更平緩，且內(nèi)部材料可優(yōu)選耐磨更好的橡膠材料，使用壽命更長(zhǎng)；可自動(dòng)化生產(chǎn)，隨著使用量的增加，軟管的成本要優(yōu)于硬管。