大通徑壓裂快速連接管匯技術現(xiàn)狀及發(fā)展建議

白蘭昌,王前敏 ,樊春明 ,李鵬 , 付俊 , 李娜

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西寶雞 721002）

0 引言

根據(jù)我國油氣資源現(xiàn)狀,響應國家能源安全戰(zhàn)略規(guī)劃，加大常規(guī)及非常規(guī)油氣藏力度的要求，隨著定向井技術的成熟，井場大量采用叢式井開發(fā)，為了提高完井效率，多采用拉鏈式作業(yè)完成射孔與地層壓裂增產(chǎn)作業(yè)[1-2]。傳統(tǒng)固定式管匯連接方式（如圖1），管匯安裝工作量大、安全風險點多、風險高，大通徑壓裂快速連接管匯應運而生（如圖2）。其用一根管道提供了壓裂液從壓裂管匯撬傳輸?shù)骄诘耐ǖ溃⑶以诳觳寰诘呐浜舷驴梢詫崿F(xiàn)多井口快速輪換作業(yè)需求，改變了傳統(tǒng)叢式固定管匯連接方式，減少了85%以上的管匯連接量及風險點。

圖1 傳統(tǒng)拉鏈式壓裂作業(yè)

圖2 大通徑壓裂快速連接管匯應用示意圖

目前美國走在壓裂技術的前沿，在大通徑壓裂快速連接管匯技術方面開發(fā)應用比較成熟，形成了多種路線方案，并仍在持續(xù)改進中，我國在大通徑壓裂管匯研制應用方面處于剛起步階段。因此找到適合于我國應用及市場需求的設計開發(fā)方向，對我國在油氣開發(fā)的增產(chǎn)增效方面具有十分重要的意義。

1 技術概況

自壓裂技術在美國掀起頁巖油氣開發(fā)革命以來，圍繞壓裂的配套新技術新設備層出不窮，使得壓裂的工作效率、可靠性、安全性及便利性要求不斷提高。大通徑壓裂快速連接管匯作為替代小通徑多通道壓裂管路作業(yè)及大通徑固定管路作業(yè)的新設備，就是近幾年開發(fā)并成功應用的一個高效連接與快速井口切換關鍵設備之一。大通徑壓裂快速連接管匯主要的產(chǎn)品開發(fā)商包括美國NOV公司、HALLIBURTON公司、FORUM公司及FHE公司等。

2 典型應用方案分析

2.1 HALLIBURTON大通徑壓裂快連管匯車

HALLIBURTON公司的大通徑壓裂快連管匯車[3]的外觀如圖3所示，主要技術參數(shù)為：管匯最大通徑為φ130 mm（5-1/8 in），最高工作壓力為105 MPa，最大流量滿足15.9 m3/min，可以滿足兩口間距5～10 m的井位同時作業(yè)需要。其特點是：管匯采用專有小尺寸活動接頭，密封可靠、承載力強；管匯通過活動接頭實現(xiàn)五自由度設計，在隨車吊輔助下完成空間位置的轉換；尾部連接遠程液壓控制快插裝置，實現(xiàn)與井口的快速連接與脫開，安全、高效；吊車動力源由汽車底盤提供，無需配置獨立的動力系統(tǒng)；底盤采用6×4底盤，整車尺寸小于10 m，道路適用性十分廣泛。其不足之處在于快插裝置連接于高壓管匯尾端，由于質(zhì)量大，造成管匯整體工作范圍受限，如果增加作業(yè)半徑，對隨車吊及底盤都要求會更高；另外由于管匯采用懸臂式設計，管匯根部旋轉接頭受力惡劣，降低管匯的可靠性及安全性；采用硬管設計，彎頭多且彎頭處沖蝕明顯。

圖3 HALLIBURTON大通徑壓裂快連管匯車

2.2 NOV公司大通徑壓裂快連管匯撬

NOV公司壓裂快連管匯撬[4]的外觀如圖4所示，主要技術參數(shù)與NOV基本一致，管匯最大通徑φ19.2 mm(8 in)，最高工作壓力為105 MPa，最大流量滿足21.46 m3/min。區(qū)別之一在于采用撬裝模式，相對于車裝成本大大降底；另外，尾部只連接快插接頭，吊裝質(zhì)量更輕，在相同吊車配置下，管匯可以做得更長，可以滿足3口井輪換作業(yè)。撬裝模式雖然省去了車頭，但是同樣帶來了缺點：首先需要獨立配置動力站為隨車吊提供動力，并提供電源為控制系統(tǒng)供電；其次由于采用撬裝，整車尺寸更大，尺寸達12 m以上，道路適用性不如HALLIBURTON的產(chǎn)品；另外與HALLIBURTON方案一致采用懸臂式設計，同樣存在根部旋轉接頭受力惡劣、彎頭多、彎頭處沖蝕明顯等缺點。

圖4 NOV公司大通徑壓裂快連管匯撬

2.3 FORUM公司柔性管大通徑壓裂快連管匯車

FORUM公司柔性管大通徑壓裂快連管匯車[5]的外觀如圖5所示最大管徑尺寸為φ152.4 mm（6 in），最大工作壓力為105 MPa，采用高壓柔性管代替硬管連接，實現(xiàn)壓裂液的輸送。其相較于硬管的顯著優(yōu)點是連接點進一步減少，結構十分簡單、易安裝，相較于硬管零件數(shù)減少90%以上；除兩端接頭處外管道內(nèi)流體無急劇變向，對主管匯的沖蝕明顯減小。其缺點為：柔性管在壓裂液環(huán)境下的耐沖蝕性能沒有得到充分的驗證，技術不成熟；而且要做到更大通徑、實現(xiàn)更大流量的高壓柔性管存在一定的技術困難；另外柔性管生產(chǎn)成本也高，經(jīng)濟性有待考證。

圖5 FORUM公司柔性管大通徑壓裂快連管匯車

2.4 FHE公司大通徑壓裂快連管匯撬

FHE公司大通徑壓裂快連管匯撬[6]的外觀如圖6所示，最大管徑尺寸為φ177.8 mm（7 in），最高工作壓力為105 MPa；其與折臂吊設計成一體，主直管與兩節(jié)吊臂鋼性連接，通過兩個U形活動關節(jié)彌補吊臂角度變化過程中的管件長度變化；采用工廠機械手主動智能控制方案，工作過程中通過各部件的復合運動，實現(xiàn)插拔作業(yè)。其控制的主要內(nèi)容包括折臂的自動控制及插拔頭的主動旋轉：折臂的控制保證在定位井口后，折臂吊頭部可以帶動插拔頭直線向下運動；插拔頭的智能控制，保證快連接頭垂直朝下，便于與井口對接。相較于前兩種硬管連接，其優(yōu)點在于高壓管匯的重力完全由吊臂承載，對管匯根部無附加力矩，增強了旋轉接頭的可靠性及安全性；可以實現(xiàn)軌跡記憶及重復定位功能，實現(xiàn)一鍵操作，自動化水平為所有方案中最高的一種。其缺點為：自動化機械臂設計對于多變的工作環(huán)境中顯得有點水土不服，適用性不強，對工作效率提高程度不明顯，沒有發(fā)揮其應有的自動化水平；由于采用更高的自動化設計，要求極高的液壓系統(tǒng)控制精度，其成本為所有方案中最高的一種，性價比不高。

圖6 FHE公司大通徑壓裂快連管匯撬

2.5 國產(chǎn)大通徑壓裂快速連接管匯撬

目前完成工業(yè)性試驗的國產(chǎn)大通徑壓裂快速連接管匯撬方案如圖7所示，壓裂管匯單獨成撬，工作時通過常規(guī)公路吊引導管匯完成插拔快連作業(yè)。其主要技術參數(shù)為：管徑尺寸為φ20.67 mm(7 in)，工作壓力為105 MPa，適用兩口井連續(xù)作業(yè)要求。其特點是：采用撬裝，體積小，便于運輸；由于采用公路吊進行井口切換，對撬體而言無傾覆要求，可以設計得十分簡便，成本低廉。缺點為：需要公路吊進行配合工作，除了撬體本身占用空間外，公路吊也會占用有限的井場空間；作業(yè)過程中需要公路吊一直工作，需要專業(yè)的吊車司機配合才能完成作業(yè)，吊車的使用成本高；另外和國外的產(chǎn)品相比較，無論是可靠性、工作半徑、管道通徑等都存在一定的差距。

圖7 國產(chǎn)大通徑壓裂快連管匯撬

2.6 各家方案對比及應用情況

NOV公司、HALLIBURTON公司采用相同的技術路線，在局部細節(jié)方面有小的區(qū)別，都具有成熟的應用；FORUM公司柔性管壓裂快連管匯車采用柔性管代替硬管連接，進一步減化連接管件，具有更少的風險點，從而具有更高的安全性、可靠性；FHE公司的產(chǎn)品另辟蹊徑，具有更高的自動化水平，據(jù)資料顯示，其已完成多套樣機的開發(fā)與廠內(nèi)試驗，并根據(jù)試驗結果進一步優(yōu)化了設計方案并完成試制，待合適的時機進行工業(yè)性試驗。國內(nèi)部分公司正在進行相應的技術開發(fā)及驗證，性能及應用情況目前尚不明確。

當前，NOV公司及HALLIBURTON公司壓裂快連管匯撬均已得到成熟應用并得到用戶的肯定，并逐步得到大面積推廣應用；FHE公司和FORUM公司產(chǎn)品正在進行各項技術驗證，有待各項性能成熟；國內(nèi)該產(chǎn)品的開發(fā)處于研發(fā)起步階段，與國外存在較大的差距。

3 結論及發(fā)展建議

3.1 結論

縱觀國內(nèi)外近幾年石油鉆采裝備的發(fā)展方向，隨著壓裂施工作業(yè)壓力和排量的不斷增高，對自動化壓裂裝備具有迫切的需求[7]。壓裂管匯的發(fā)展同其它壓裂相關設備發(fā)展一樣，充分體現(xiàn)了以下幾個特征：

1）用大通徑單管代替?zhèn)鹘y(tǒng)小通徑多通道壓裂管路作業(yè)，整體結構更加簡化，密封性能更可靠，壽命更長，更加高效，滿足多井口拉鏈式作業(yè)需要。

2）操作方式上，從人工手動連接管匯向快速化、機械化、自動化方向發(fā)展。目前已成功開發(fā)多種快連方案，滿足快速連接需要；設備操作采用遠程氣、液控制等方式進行控制。

3）設計方法上，采用有限元、運動仿真等多種手段，對整體空間運動、過程受力、內(nèi)部流體流場及流體對內(nèi)部抗沖蝕性能進行分析、優(yōu)化。

4）在適用性上，滿足多種復雜地形的道路運輸需求，滿足操作簡便性、大排量、高壓力的井口壓裂作業(yè)需求等。

3.2 發(fā)展建議

1）針對國內(nèi)需求，全力搞好機械化、自動化的壓裂快連管匯研發(fā)工作。整合國內(nèi)相關優(yōu)勢資源，重點對當前困擾其高壓力環(huán)境下對可靠性、安全性和便利性起關鍵性作用的大通徑高壓管匯彎頭、旋轉關節(jié)、自動化控制等重點節(jié)點進行攻關，以解決和掌握其技術精髓，滿足油氣裝備發(fā)展需要。

2）把握重點方向，重點采用相對成熟的技術方案進行開發(fā)，加快國內(nèi)相關設備研發(fā)進度，縮短開發(fā)周期的同時使相關技術得到驗證與成熟，并逐步開展更高可靠性及自動化的產(chǎn)品設計開發(fā)工作。