高壓力、大排量、大通徑、多通道壓裂頭鉆鏜孔加工工藝

■ 中石化石油工程機械有限公司第四機械廠 （湖北荊州 434024） 官 強

在油氣井壓裂施工作業中，為保證施工順利及設備、人員的安全，一定要使用壓裂頭，如圖1所示，以匯集壓裂液進入井下（如井口壓裂頭）。千萬不要使用三通或四通接頭匯集壓裂液，否則會產生節流現象，破壞三通或四通接頭，造成施工作業中斷。

而頁巖氣壓裂施工時壓裂液流量更大，以重慶涪陵、四川威遠為代表的頁巖氣“井工廠”壓裂施工流量達到16～18m3/min。為使頁巖氣“井工廠”壓裂施工的順利進行，需要用到主要由壓裂頭組成的壓裂高壓分流管匯（見圖1）。分流管匯中的壓裂頭首先匯集地面高壓管匯撬中多路排出管路的高壓壓裂液，然后再通過閘板閥的開啟與關閉、再次經過壓裂頭分配高壓壓裂液。

圖1 壓裂施工

外徑尺寸達到1 074mm、毛坯質量達到5t、形位公差、尺寸公差要求嚴格的高壓力、大排量、大通徑、多通道的八通壓裂頭加工非常困難。目前，還沒有此種壓裂頭的國產產品。

本文重點研究了高壓力、大排量、大通徑、多通道壓裂頭的鉆鏜孔加工工藝，以提高加工效率，適應重慶涪陵、四川威遠為代表的頁巖氣“井工廠”壓裂施工。

1. 實施方案

圖2 壓裂頭剖視圖

如圖2所示，高壓力、大排量、大通徑、多通道壓裂頭由于外徑尺寸達到1 074mm、毛坯質量達到5t、形位公差、尺寸公差要求嚴格，加工非常困難。特別是加工6個斜面上的6個φ78mm孔相當困難。

考慮到壓裂頭的實際工況為輸送高壓攜砂液，壓力達到幾十甚至上百MPa，而大流量的高壓攜砂液對壓裂頭的流通通道內壁沖蝕磨損影響大，特別是在管匯轉折處的拉壓應力作用，在反復的動態應力的作用下，誘發疲勞裂紋和應力腐蝕裂紋，引發壓裂頭的刺穿和破裂，對現場工作人員和設備構成嚴重威脅。有鑒于此，壓裂頭材料為特殊合金鋼鍛造；6個斜面上的6個φ78mm孔形位公差要求高，即需要保證對稱度，以便壓裂施工時六路排出主管路的高壓壓裂液能夠平穩的匯集于壓裂頭，而且能夠抵消各排出主管路各水平方向的力，保證壓裂頭受力均勻，延長使用壽命。

綜合考慮上述因素，我們設計了如圖3所示的工裝。

圖3 工裝及使用圖

如圖3所示，鉆鏜6個斜面上的6個φ78mm孔時，首先利用工裝裝夾壓裂頭。裝夾方式為：將工裝的定位銷軸放入壓裂頭法蘭孔φ130mm中定位壓裂頭；再將工裝的4個螺桿穿入壓裂頭法蘭孔φ54mm并擰緊螺母以固定壓裂頭。最后用工裝的壓塊壓緊壓裂頭法蘭，更加牢固的固定壓裂頭。鏜孔時，將工裝的底座直接放在鏜床的工作臺上，此時，鏜刀桿與壓裂頭斜面垂直，可以直接進行鏜孔6個φ78mm操作。

2. 裝置優點

利用此工裝加工6個φ78mm孔時，不僅可以保證安全、質量、加工效率以及上述所要求的所有苛刻條件，還具備如下優點：

（1）當加工完一個斜面上的孔φ78mm時，可以用撬杠插入撬杠孔，轉動轉盤，轉盤帶動壓裂頭轉到下一個斜面加工。

（2）工裝的角度調節手柄為限位裝置，有30°、60°兩種，即打開其中一個角度調節手柄，轉盤就只能轉動相對應的角度30°或60°，保證6個φ78mm孔各中心對稱。

（3）工裝有調整墊片，當壓裂頭斜面與水平面夾角發生變化時，可以通過增加或減少調整墊片來保證鏜刀桿與壓裂頭斜面垂直，即此工裝具有通用性，可以加工不同類型的壓裂頭。

3. 應用前景

目前，我們已經成功加工完4個此壓裂頭，且這4個壓裂頭已經在重慶涪陵、四川威遠等頁巖氣“井工廠”壓裂施工工區使用。所有形位公差、尺寸公差完全符合圖樣要求，高壓試驗符合標準，現場使用方便、質量穩定。

隨著我國油氣井開發難度的不斷增加以及非常規油氣的開發，壓裂裝備在儲層改造中的作用越來越大。高壓力、大排量、大通徑、多通道壓裂頭的成功制造，不僅填補了國內空白，也有效保證了頁巖氣井工廠壓裂的順利實施，保證了施工設備及人員的安全，為大規模的頁巖氣開發提供了裝備保障，也有效推動了水力壓裂技術的發展。

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[1] 陸劍中，孫家寧. 金屬切削原理與刀具[M]. 北京：機械工業出版社，2011.

（收稿日期：20180112）

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