張宏橋，樊春明，車昊陽，吳小雄，鄧榮，王德貴

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國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；3.中國石油川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司，西安 710018）

0 引言

隨著國內(nèi)頁巖氣大規(guī)?？碧介_發(fā)，叢式水平井組合“工廠化”壓裂模式是頁巖氣井增產(chǎn)改造的主要方式，并將成為頁巖氣開發(fā)降本增效的重要手段。工廠化壓裂作業(yè)期間的主要地面設(shè)備包括壓裂車組、混砂設(shè)備、電纜作業(yè)設(shè)備、地面管匯等設(shè)備。地面管匯系統(tǒng)包括低壓管匯和高壓管匯，其中高壓管匯是壓裂施工中最易出問題的地方[1-3]。隨著壓裂作業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，高壓管匯的數(shù)量不斷增長(zhǎng)，而這些管匯的檢測(cè)、就位、連接和安全固定目前均是人力進(jìn)行，勞動(dòng)強(qiáng)度大，危險(xiǎn)程度高，連接方式作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，增加了非生產(chǎn)時(shí)間，降低了效率。因此研究高壓管匯連接對(duì)提升我國壓裂設(shè)備制造創(chuàng)新力有積極作用，對(duì)我國壓裂工藝提速提效具有助推作用。

1 常規(guī)高壓管匯連接面臨的問題

高壓管匯連接將壓裂車增壓后的高壓流體輸送到井口，完成高壓流體的輸送任務(wù)，如圖1所示的虛線區(qū)域。常規(guī)高壓管匯連接主要由直管、彎管、活動(dòng)彎頭、閥門等部件組成，尺寸為2 in（50.8 mm）、3 in（76.2 mm）、4 in（101.6 mm）等。在現(xiàn)場(chǎng)壓裂作業(yè)時(shí)，多是這些部件現(xiàn)場(chǎng)拼湊，集成化的設(shè)備較少，如圖2所示。高壓管匯連接都是通過法蘭和由壬連接，在井口處為法蘭連接，而其他區(qū)域都是由壬連接。隨著壓裂規(guī)模的擴(kuò)大，需要去串接更多的管線。尤其隨著壓裂規(guī)模的擴(kuò)大，這帶來了以下問題。

圖1 高壓管匯連接示意圖

圖2 高壓管匯連接現(xiàn)場(chǎng)圖

1）工作強(qiáng)度大，作業(yè)時(shí)效低。井工廠壓裂需要龐大的地面管匯，若壓力為15 000 psi，滿足流量12 m3/min的需求，嚴(yán)格按照SY/T 6270標(biāo)準(zhǔn)[4]，單井口須接4根3 in管線或者3根4 in管線。而實(shí)際川渝地區(qū)流量達(dá)到16 m3/min、20 m3/min[5-7]，這需要更多的管匯。這些管匯對(duì)接基本都是由壬連接，需要現(xiàn)場(chǎng)人員錘擊安裝，工作強(qiáng)度極大，部分由壬連接屬于高空作業(yè)，增加了作業(yè)難度。在管匯連接好以后還要使用安全卡箍或安全軟繩捆綁，并且每條管路的起點(diǎn)和終點(diǎn)使用卸扣固定，增加了安裝作業(yè)時(shí)間。同時(shí)，在壓裂作業(yè)期間還需要進(jìn)行定期檢查和維護(hù)，當(dāng)由壬作業(yè)時(shí)損壞，需要更換，這又增加了非生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間，進(jìn)一步降低了作業(yè)效率。這些都說明現(xiàn)有的管匯連接勞動(dòng)強(qiáng)度高、作業(yè)效率低。

2）安全性低。高壓管匯系統(tǒng)采用人力錘擊方式進(jìn)行由壬緊固，錘擊沖擊力大且無法量化，易引起螺紋和密封損壞，造成泄漏。隨著接管工作量的不斷增加，現(xiàn)場(chǎng)連接過程中人員在高壓管匯之間交叉作業(yè)，人員極易受到傷害。常規(guī)管匯橇與井口之間的區(qū)域布滿了各種管道，擺放欠規(guī)范化，在組裝和拆卸過程中，多個(gè)操作人員肩扛手背，錘擊、交叉作業(yè)，易造成人身傷害、設(shè)備損傷，有極大的安全隱患。另外，傳統(tǒng)管匯硬連接工況下，管件靈活性差，脈沖振動(dòng)大，增加了管道內(nèi)部應(yīng)力，降低了管閥件使用壽命，帶來較大的安全隱患。

3）成本高。除了需要提速提效外，設(shè)備本身的成本也是影響總成本的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)有的井工廠壓裂需要龐大的地面管匯，這些管匯基本都是由壬連接，由壬錘擊極易造成本體損壞，同時(shí)錘擊產(chǎn)生的沖擊也會(huì)使管匯產(chǎn)生附加載荷，降低管匯和密封壽命，增加作業(yè)成本。同時(shí)為了監(jiān)測(cè)、控制這些管匯需要添加額外的設(shè)備，從現(xiàn)場(chǎng)情況來看，現(xiàn)有管匯連接占到整個(gè)地面設(shè)備成本的20%，減少這一部分的成本可以降低壓裂開發(fā)總成本。

針對(duì)這些問題，國外公司已對(duì)高壓管匯連接進(jìn)行了創(chuàng)新性的研究和使用，并取得了不少成果。比如FMC推出了iComplete system、SPM公司推出了Simplified Frac Iron System、Halliburton公司推出了Express Kinect系統(tǒng)、FHE公司推出了AFE系統(tǒng)，可以看到，各家公司都有自己的技術(shù)路線，通過調(diào)研尚未有文章對(duì)這些新產(chǎn)品新技術(shù)作全面介紹，本文匯總分析這些新產(chǎn)品，對(duì)國產(chǎn)高壓管匯自動(dòng)化連接具有指導(dǎo)意義。

2 國外現(xiàn)狀

2.1 SPM公司高壓管匯連接系統(tǒng)

Simplified Frac Iron System是SPM公司在2017年OTC上推出的高壓管匯系統(tǒng)[8]，它摒棄了傳統(tǒng)的壓裂連接需要許多彎管、旋轉(zhuǎn)接頭連接的思路，而是從直線最短和最簡(jiǎn)單即最可靠的研發(fā)思路出發(fā)，所有管線都是采用大直徑直管，不采用旋轉(zhuǎn)彎管接頭。

如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)由管匯撬、大通徑管線、分流裝置、單直線快接、壓裂井口等模塊組成，管匯撬匯集壓裂車傳遞過來的壓裂液，并通過大通徑管線傳遞到分流裝置，分流裝置通過單直線快接將壓裂液傳遞到壓裂井口。整套裝置只進(jìn)行模塊間的對(duì)接，減少84%的連接。各模塊之間都采用符合API標(biāo)準(zhǔn)的法蘭連接，沒有一個(gè)由壬，形成標(biāo)準(zhǔn)化安裝流程。整套裝置額定工作壓力為103.5 MPa（15 000 psi）,流量為19.5 m3/min（123 bbl/min）通徑為177.8 mm（7 in）。

圖3 SPM公司高壓管匯連接系統(tǒng)

管匯撬帶有齒輪輔助機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)管匯撬臂的旋轉(zhuǎn)、伸出動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)單人輕松完成管匯對(duì)接工作。壓裂井口可上下調(diào)節(jié)，并且其法蘭可旋轉(zhuǎn)，這使法蘭對(duì)接工作變得容易。壓裂井口上采用業(yè)界獨(dú)有的7 in旋塞閥，閥門控制簡(jiǎn)單可靠，并且潤(rùn)滑油量為常規(guī)閥門潤(rùn)滑量的2%。所有管線都是大通徑管線，減少彎管數(shù)量，優(yōu)化管線流道，降低流道沖蝕，使用時(shí)間為傳統(tǒng)設(shè)備的3倍以上。

同時(shí)還配備全自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，通過潤(rùn)滑泵為整個(gè)系統(tǒng)的閥門提供遠(yuǎn)程自動(dòng)潤(rùn)滑。通過自動(dòng)閥門和自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，可在遠(yuǎn)程操控中心完成閥門切換及系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間使用，實(shí)現(xiàn)了高壓區(qū)域無人化、自動(dòng)化。

2.2 FMC公司高壓管匯連接系統(tǒng)

IComplete system是FMC公司推出的高壓管匯系統(tǒng)[9]，整個(gè)系統(tǒng)由管匯撬、大通徑管線、分流裝置、單直線快接、壓裂井口、自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)等模塊組成，這些模塊通過軟管串聯(lián)起來。軟管接頭都采用卡箍連接，完全去除由壬。同傳統(tǒng)連接相比，減少80%的連接，提高50%的安裝速度，降低30%的成本。

分流裝置與壓裂井口之間的軟管可做到在通徑139.7 mm（5.5 in）時(shí)流量達(dá)到21.5 m3/min (135 bbl/min）。但管匯撬配置的閥門通徑為177.8 mm（7 in）時(shí)，流量為19.5 m3/min(121 bbl/min），限制了整個(gè)系統(tǒng)的流量。管匯撬與壓裂車之間的軟管為3 in，長(zhǎng)度為6 m，彎曲半徑為0.7 m，單位質(zhì)量為41.1 kg/m，減輕管匯對(duì)接的質(zhì)量。上面提到的這些參數(shù)額定工作壓力為103.5 MPa（15 000 psi）。

系統(tǒng)配置了自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，自動(dòng)為閥門提供潤(rùn)滑，不需要人去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行潤(rùn)滑操作，在閥門帶壓的情況下也可潤(rùn)滑，并記錄潤(rùn)滑數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全生命周期的管理。系統(tǒng)還配置了井口快速連接裝置，在射孔作業(yè)時(shí)，可遠(yuǎn)程對(duì)接防噴管和井口，提高射孔效率，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。集成控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制閥門和井口快速連接裝置，并監(jiān)控閥門的狀態(tài)。

圖4 FMC公司高壓管匯連接系統(tǒng)

2.3 Schlumberger公司高壓管匯連接系統(tǒng)

Schlumberger公司也推出了2種高壓管匯連接系統(tǒng)：一種與FMC類似，管路采用軟管；另一種與SPM類似，管路采用硬管[10-11]。軟管系統(tǒng)額定工作壓力為103.5 MPa（15 000 psi），通徑為152.4 mm（6 in），流量為24.6 m3/min(155 bbl/min）；硬管系統(tǒng)額定工作壓力為103.5 MPa（15 000 psi），通徑為177.8 mm（7 in）。

軟管系統(tǒng)與FMC類似，因此主要介紹一下硬管系統(tǒng)，如圖5所示。它將各個(gè)模塊撬裝化，各模塊之間采用法蘭連接。在一個(gè)8口井平臺(tái)，使用此設(shè)備總安裝時(shí)間減少60%，連接和泄漏點(diǎn)減少75%，壓裂成本降低30%[12]。與SPM公司不同的是，它采用單管萬向?qū)訅毫丫诤头至餮b置。單管萬向裝置由可承受高壓的90°彎頭和旋轉(zhuǎn)接頭組成，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)空間3個(gè)自由度的調(diào)節(jié)來保證兩個(gè)裝置的對(duì)接。

圖5 Schlumberger公司高壓管匯連接系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)的閥門都為自動(dòng)閘閥，金屬密封，帶軸承上閥桿和自平衡下閥桿，降低啟閉轉(zhuǎn)矩，快速啟閉，防止停留在中間位置。遠(yuǎn)程操控，并附帶手動(dòng)功能，提高閥門的冗余性。遠(yuǎn)程操控中心監(jiān)控所有閥門的狀態(tài)，并可在遠(yuǎn)程操控中心完成閥門自動(dòng)切換。在壓裂施工前設(shè)置好壓裂參數(shù)，包括壓裂工序、壓力等參數(shù)。壓裂時(shí)，操控中心監(jiān)控流體流向是否正確，安全互鎖保證閥門不過壓，杜絕壓裂意外事件，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 Halliburton公司高壓管匯連接系統(tǒng)

ExpressKinect是Halliburton公司推出的高壓管匯系統(tǒng)[13-15]，由高壓管匯撬、大通徑活動(dòng)管匯、井口快速插拔裝置組成。高壓管匯撬與壓裂車對(duì)接，井口快速插拔裝置安裝在壓裂井口上；大通徑活動(dòng)管匯的一端為法蘭接頭，與管匯撬對(duì)接；另一端為快插接頭，與井口快速插拔裝置對(duì)接?？觳褰宇^與井口快速插拔裝置的連接為自動(dòng)對(duì)接，在第一口井使用完后，用吊車將快插接頭從第一口井吊往第二口井，完成第二口井的自動(dòng)對(duì)接。

常規(guī)管匯撬需要3～4個(gè)接頭對(duì)接，Halliburton公司推出了全新思路的管匯臂技術(shù)，將幾個(gè)接頭集成在一起做成管匯臂，實(shí)現(xiàn)小范圍的旋轉(zhuǎn)和距離調(diào)整，只用對(duì)接一個(gè)接頭，降低75%的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，減輕75%的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)單人輕松對(duì)接。

圖6 Halliburton公司高壓管匯連接系統(tǒng)

大通徑活動(dòng)管匯共有5個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭，具有5個(gè)自由度，可保證快插接頭在空間位置的切換，實(shí)現(xiàn)活動(dòng)半徑內(nèi)任意位置的切換。它改變了傳統(tǒng)一對(duì)一連接，形成一對(duì)多的布局，實(shí)現(xiàn)一套管線覆蓋2口井、3口井甚至是4口井，節(jié)省地面設(shè)備成本。它開創(chuàng)了新的作業(yè)模式，獲得2017年E&P獎(jiǎng)，已在北美地區(qū)大規(guī)模使用[16]。

整套裝置額定工作壓力為103.5 MPa（15 000 psi）,流量為15.9 m3/min（100 bbl/min），通徑為130 mm（5-1/8 in）。在工廠化壓裂時(shí)井口切換時(shí)間可以控制在5 min之內(nèi)，減少85%的由壬，并減少75%管匯連接工作量。

2.5 FHE公司高壓管匯連接系統(tǒng)。

FracLock是FHE公司的高壓管匯連接系統(tǒng)，是自動(dòng)化程度最高的壓裂活動(dòng)管匯自動(dòng)對(duì)接產(chǎn)品[17]。FHE公司是井口快速插拔裝置的開創(chuàng)者，它開始用于射孔作業(yè)，用于提高射孔防噴裝置的換裝效率；通過與大通徑活動(dòng)管匯結(jié)合，實(shí)現(xiàn)射孔換裝和壓裂自動(dòng)插拔，拉鏈作業(yè)上實(shí)現(xiàn)射孔壓裂的無縫對(duì)接。

它的結(jié)構(gòu)類似工程機(jī)械的天泵，將管線和折臂吊結(jié)合在一起。整套裝置有5個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭，通過液壓馬達(dá)的精確控制和控制器的算法輔助，完成了自動(dòng)對(duì)接。整個(gè)裝置完全脫離吊機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)工作人員操作遙控盒實(shí)現(xiàn)對(duì)位，在第一次人工對(duì)位后，它可實(shí)時(shí)記錄位置，在后續(xù)井口對(duì)接時(shí)實(shí)現(xiàn)一鍵式井口對(duì)接。

整個(gè)裝置額定工作壓力為103.5 MPa（15 000 psi）,流量為20.7 m3/min(130 bbl/min），通徑為177.8 mm（7 in）。最大作業(yè)半徑為12 m，可覆蓋4口井。同傳統(tǒng)作業(yè)模式比，建井成本降低24%，減少50%的設(shè)備和人員。

圖7 大通徑活動(dòng)管匯工作原理圖

圖8 FHE公司高壓管匯連接系統(tǒng)

2.6 各家產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)匯總（如表1）

表1 高壓管匯連接系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

同時(shí)國內(nèi)也對(duì)這些問題進(jìn)行了研究，也出現(xiàn)了很多成果。寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司研制了105 MPa快速連接壓裂管匯撬[18]，如圖9左圖所示。帶有液壓助力系統(tǒng)，一人可輕松完成壓裂橋臂空間位置的多自由度旋轉(zhuǎn)與拉伸，極大降低勞動(dòng)強(qiáng)度。擁有足夠的自由度，壓裂臂可有效吸收脈動(dòng)沖擊，降低管匯疲勞應(yīng)力。

圖9 寶雞石油機(jī)械公司高壓管匯連接

寶雞石油機(jī)械在2021年推出了壓裂快速插拔管匯系統(tǒng)，并在2021年11月完成了工業(yè)性試驗(yàn)，如圖9右圖所示。整個(gè)裝置壓力105 MPa，通徑為130 mm，由井口插拔裝置和大通徑管匯組成，平均井口切換時(shí)間在5 min內(nèi)。井口插拔裝置帶有3層鎖定技術(shù)，控制管線少、產(chǎn)品安全性高，大通徑管匯質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、吊裝便捷。

道森公司2019年推出了高壓管匯連接系統(tǒng)，如圖10左圖所示。道森公司于2019年9月底完成了工業(yè)性試驗(yàn)，如裝置額定工作壓力為103.5 MPa，通徑為130 mm。于2021年7月完成了高壓大通徑壓裂管匯工業(yè)性試驗(yàn)，額定工作壓力為139.5 MPa，通徑為142.9 mm，并配備了142.9 mm遠(yuǎn)控閘閥，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制所有閥門的啟閉。

圖10 道森公司和中石化四機(jī)公司高壓管匯連接

中石化四機(jī)石油機(jī)械公司在2021年第21屆中國國際石油石化技術(shù)裝備展覽會(huì)上展示壓裂快速插拔裝置，如圖10右圖所示。壓裂快速插拔裝置壓力為103.5 MPa，通徑為130 mm，由井口插拔頭、大通徑活動(dòng)彎頭、法蘭伸縮補(bǔ)償裝置等關(guān)鍵部件組成，實(shí)現(xiàn)20 min內(nèi)切換不同的井口。

可以看到，國內(nèi)廠家在高壓管匯連接方面做出了許多新產(chǎn)品，但是同國外相比，國內(nèi)產(chǎn)品只在部分管匯上實(shí)現(xiàn)了代替，并沒有進(jìn)行系統(tǒng)性的代替。并且缺少遠(yuǎn)控中心對(duì)自動(dòng)化閥門進(jìn)行集成控制，無法真正實(shí)現(xiàn)高壓區(qū)域無人化、自動(dòng)化。

4 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)場(chǎng)提速提效的要求，高壓管匯連接向著去由壬、大通徑、模塊化、自動(dòng)化等方向發(fā)展。

1）去由壬。由壬緊固采用人力錘擊方式，錘擊沖擊力大且無法量化，易引起螺紋和密封損壞，造成泄漏。在大規(guī)模壓裂時(shí)，國外高壓管匯連接現(xiàn)都改為符合API標(biāo)準(zhǔn)的法蘭或卡箍，降低管匯泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

2）大通徑。國外高壓管匯連接內(nèi)徑現(xiàn)已普及到177.8 mm（7 in），而國內(nèi)除了道森在單管萬向上達(dá)到了177.8 mm（7 in），其他公司管徑都只達(dá)到130 mm（5.13 in）。大通徑管匯的流量等于小通徑三、四根管線并接的流量，減少連接數(shù)量，降低工人工作量；減少磨損，提高使用壽命。但大通徑的開發(fā)是一個(gè)系統(tǒng)性工程，不僅要開發(fā)大通徑直管，還要開發(fā)大通徑彎管、大通徑閥門、大通徑旋轉(zhuǎn)接頭、大通徑快連井口裝置。

3）模塊化。國外高壓管匯都進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，吊裝安裝，只進(jìn)行模塊之間的對(duì)接。對(duì)接都采用API標(biāo)準(zhǔn)法蘭，降低安全風(fēng)險(xiǎn)和工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品的通用性。

4）自動(dòng)化。系統(tǒng)的閥門都為自動(dòng)閥門，配備自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，并由遠(yuǎn)程操控中心監(jiān)控和控制現(xiàn)場(chǎng)所有閥門，實(shí)現(xiàn)高壓區(qū)域無人化、自動(dòng)化，提高安全性，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。而國內(nèi)只實(shí)現(xiàn)了部分代替，沒有進(jìn)行系統(tǒng)性代替，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化。