頁巖氣開發壓裂用井口裝置安全使用研究

徐振宇

（渤海裝備遼河熱采機械公司井口制造廠，遼寧 盤錦 124209）

在國內頁巖氣勘探速度不斷加快的今天，頁巖氣在鉆井、試氣以及井下作業所用到的各種采氣樹、油管頭、套管頭都發生翻天覆地的變化，幾乎隔幾年就有各種新的產品。為了發揮這些產品的作用與價值，就需要標準化、專業化、規范化管理以上裝置，保障勘探采油效率和管理質量。這種做法還能夠有效規避運行風險，達成有效節省運行成本的目標。當然由于運行維護的管理制度目前并不健全，且油田管理缺少依據，沒有統一的制造商，存在種類繁多的供應廠商型號與規格，所以頁巖氣井口裝置在安裝中遇到了很大壓力。沒有良好的互換性，油套環空時常竄壓，為后續的石油開采以及壓裂過程埋下了眾多隱患，影響了安全生產。

1 基本要求

對井口裝置和連接套管來說，套管頭是非常重要的裝置與設備。在鉆井中負責防噴器和套管的連接。在完井階段則負責將采油氣井口連接到一起，能夠為每一個套管柱提供密封，并將各層套管懸掛起來。通常來說，為了釋放兩層套管間的壓力，有時候還會用套管頭作為壓力釋放管道。有些時候，還能夠用其為井內泵提供流體，為鉆井工藝特殊作業提供支持。

1．1 套管頭、油管頭安裝

在套管下放前的轉盤和校正天車方面，校正天車和表層套管頭、轉盤三者，絕不能出現超過10毫米的中心線偏差，否則會引起偏磨情況。最上面的套管頭法蘭需要比井架的基礎面高200±50毫米。這樣才能在安裝完套管頭以后，在井架底座平直接出來防噴管線，減少對施工作業的影響。要做好橡膠密封圈的檢查，仔細清洗，并檢查其有沒有損傷和裂紋。要在裝入密封槽之前，將潤滑油均勻地涂抹在橡膠密封圈。之后展開金屬密封裝置的檢查，觀察有沒有損壞和碰傷。并根據說明書選擇匹配的支撐座和密封圈。橡膠密封前需要往上面涂抹潤滑油。在安裝前做好套管頭頂絲伸縮進長度的測量，并做好記錄工作。在正式安裝前，要確保所有的頂絲已經退回到頂絲孔當中。套管安裝中，套管頭的水平度需要小于1毫米。以免在使用中偏磨，影響到質量。可以根據扭矩對稱條件，使勁擰緊螺栓。需要先行確認套管的四通試壓孔位置和注塑孔位置，以防出現誤操作情況，隨后才可以正式安裝。

1．2 套管頭與油管頭的法蘭注塑、試壓操作

1．2．1 密封圈種類

最常見的密封圈總共包括3種，套管副密封包括金屬密封、P密封和BT密封這3種情況，其中金屬密封大多數情況下僅僅用在個別的完井油層套管。P密封和BT密封圈要做好注塑激發橡膠變形，處理密封要求。在生產中，金屬密封用金屬機械變形的方法解決密封要求。

1．2．2 注塑

首先要將注塑單流閥的接口卸下來，之后將卸壓工具裝上，并將鋼球頂開，將內部的壓力全部排除掉，以防內部的壓力影響到最后的注塑注入過程與質量。

其次在泄壓過程中，一定要做好排除介質的觀察。并將注塑泵連接上，將對方注塑接頭的總成卸掉，并往橡膠密封圈中注塑。在注塑中，注入壓力是非常關鍵的條件，要隨時觀察。在對稱單流閥接口有溢出塑脂以后停止，不要繼續注塑，并立刻將單流閥堵頭擰緊。直到套管抗外擠強度和額定工作壓力來到80%，此時選擇二者最小值。如果此時的注塑壓力過高，那么配合脖頸很有可能會被擠壞、損毀。

1．2．3 試壓

（1）卸去試壓接頭的保護帽，之后將試壓泵接上，并開始密封環形空做試壓。此時試壓壓力的參照點是套管抗外擠強度以及密封圈部位的額定壓力，同樣也要選擇二者當中的最小值。必須說明的是壓力在不超過1MPa時，能夠穩定壓力30min，則表示密封合格。假設兩個橡膠的密封環空出現空氣，那么此時就有可能引起氣室效應。這時候就要往里面補充和注入壓力，直到內部的壓力在小于1MPa時候，能夠穩定超過30min，才算是合格。

（2）對懸掛器的密封狀態進行試壓。利用油管頭的四通試壓口做套管懸掛器、法蘭、金屬密封、橡膠、頂絲環空試壓，額定壓力以及套管的抗外擠強度在80%從中選擇最小值，并進行試壓，要在實踐中穩定30min，并且沒有其他的泄露情況，在壓力沒有超過1MPa的條件下，表示此時密封是合格的。

（3）在試壓超過產品最開始設計給出的壓力時，需要在試驗前往井筒里面注入至少1/3的試驗平衡壓力進行試驗，為的是防止出現套管變形和套管懸掛器變形情況。完成試驗后，將試驗環空當中的壓力排泄干凈。

1．3 試壓塞

將試壓塞坐封到套管頭上腔，以此完成上方井控設備額定壓力試驗測試工作。

2 平板閥密封與試驗

2．1 密封機理

在壓裂井口裝置中，平板閥是最核心的部件和裝置，井筒介質的開啟與截斷都需要用到平板閥。在開關到位以后，平板閥需要回轉，手輪為1/4至1/3之間，讓平板閥保持在浮動密封條件。頁巖氣壓裂作業中用到的辦法是前座密封方法。在閥板閥座的其中一面受到壓力時，此時就會受到波形彈簧預應力的作用，將進口端閥座推動到閥板的密封面，讓二者充分結合。利用進口端的閥座合金面與閥板的合金面自由貼合，利用介質完成二者的密切封裝。

2．2 平板閥試壓

在使用中，每開關10次平板閥就需要注入一次密封脂，以免介質進入到腔內，這樣才能夠獲得最好的密封效果，實現對密封面的潤滑要求。在試壓過程中，慢慢升壓，直到壓力到達額定工作壓力以后，將其穩定15min。如果這個時候沒有出現任何情況的泄露，并且壓降也沒有到達1MPa則表示平板閥合格。用兩個方向分別做壓力試驗，保障試驗準確性。

3 頁巖氣開采壓裂中需要的考慮問題

3．1 體積壓裂

做水力壓裂的時候，體積壓裂這種問題會不斷擴大天然裂縫，此時很有可能會導致部分脆性巖石出現剪切滑移現象。主裂縫會引起更多的次生裂縫。隨后次生裂縫會帶出更多的多級此生裂縫，最后這些天然裂縫和人工裂縫共同構成了相互交融的裂縫體系，極大地增加了需要改造的體積，增大了導流能力和滲流面積。這樣能夠極大地提升最終采收率和初始產量。體積壓裂的實現需要擁有合適的地層條件，那就是最小水平應力差需要比較小，環境為弱水敏性地層、巖石脆性系數高、天然裂縫發育。當前對于天然裂縫帶給人工裂縫的影響并不充分和完善，沒有明確的滲透率大小、縫網體積、工藝技術參數，無法保障作業安全。要做好這方面的研究和調查，才能夠保障生產質量。

3．2 合理選擇壓裂液

很多頁巖儲層當中都有大量的水敏感性黏土礦物，這些物質在遇到水以后會迅速溶脹，并且有很大概率引發井壁坍塌問題發生，無法保障儲層有效滲透。這種現象不僅會帶給后期壓裂巨大的負面影響和困難，同時也會影響到壓裂以后提高天然氣的產量，妨礙氣體的有效開采、集中開采。使用壓裂液的目的就是在壓裂后，能夠利用主裂縫連接與擴大連通其他裂縫，打造裂縫網絡。改造頁巖氣儲層能夠實現這一目標，當然也需要很大的工程量，有著較高的摩擦阻力。此時就需要考慮怎樣才能夠減少如此巨大的摩擦阻力，以便保障儲層有效滲透，提高滲透率。這時候就要精心選擇合適的壓裂液，通過這種做法降低后續的作業風險，并保障后面的生產中，風險得到有效控制的同時，獲得良好且復雜的裂縫網絡，這是開發頁巖氣工作人員需要重視和首要解決的情況。

3．3 清水耗費多

在生產中，清水壓裂液最重要的就是水相這個成分，其中水含量達到了99%，其他的1%則是表面活性劑、減阻劑以及酸。參照具體壓裂頁巖氣井狀況得知，十幾段單口水平井的壓裂就需要耗費上萬方的水。并且壓裂后返排壓裂液并不能直接再次使用。而國內很多有頁巖氣開采需求的地區都存在嚴重缺水情況。這些地區有著大量且良好的頁巖氣資源，但缺水的問題使得當地不能直接用這種生產方法，這是不合理的。考慮到直接打通運水通道或是從其他地區運輸水的復雜程度和成本，不論是哪一種情況都不能大量使用清水。所以壓裂過程中的大量清水實際上非常棘手。并且還要回收處理各種殘留的液體，重復利用壓裂液。

4 結語

從本文的敘述可以看到，對油管頭和套管頭的安裝和調試，要合理選擇密封結構，合理搭配橡膠與金屬密封的組合，并進行封圈注塑工作。要明確平板閥使用要點與密封原理，保障井口的密封可靠性與安全性，這對順利開采頁巖氣來說意義重大，效果十分明顯。本文在最后分析了一些在開采頁巖氣時候的注意事項，希望能夠保障生產質量、生產效果。