壓裂用快速插拔井口系統研究進展

白明偉，車昊陽，王德貴

(1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 長慶井下技術作業公司，西安 710018；2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002 )

近年來，國家持續加大非常規油氣資源的勘探開發力度，四川頁巖氣、長慶致密油氣、新疆瑪湖致密油等重點開發區域建產規模逐年增大，壓裂作業大幅增加。為提高作業效率，降低作業成本，工廠化壓裂逐漸成為主流的作業模式。叢式水平井組合工廠化壓裂模式是增產改造的主要方式和降本增效的重要手段[1-4]。在工廠化壓裂作業過程中，由于施工規模的限制，需要采用多條76.2 mm(3寸)，或101.6 mm(4寸)的壓裂管路并聯，滿足大排量施工的要求。目前，施工排量已經達到20 m3/min。1個常規壓裂井場大約需要100個高壓管件及其連接接頭，繁雜的管路布置會增加施工周期，還帶來更多的管線刺漏風險。現有的管匯連接方式基本都是由壬連接，在組裝和拆卸過程中，需要眾多操作人員肩扛、手抬、錘擊、交叉作業，勞動強度大，效率低，風險高。

目前，我國的射孔、壓裂井口換裝時效較低，影響現場作業總體時效，與北美地區差距較大[5-7]。平臺井工廠化壓裂作業時，為保證人員安全，某口井在壓裂時，相鄰井不允許換裝射孔作業井口防噴裝置。井口電纜防噴系統安裝繁瑣，涉及高空高壓作業，勞動強度大，危險系數高，作業時間長。射孔井口防噴裝置急需升級，實現無人化遠程操作井口換裝，在壓裂的同時完成同平臺相鄰井射孔作業，實現壓裂射孔無縫銜接，提高工廠化壓裂總體時效[8]。

針對壓裂、射孔施工作業中勞動強度大、連接效率低等問題，國外Halliburton、FORUM、FHE、NOV等公司開發了壓裂用快速插拔井口系統，高壓管線和由壬連接數量大幅減少，實現了壓裂、射孔作業的無縫銜接。為了縮短與國外壓裂用快速插拔井口系統的技術差距，有必要深入研究國外幾家著名公司的產品結構特點，為國內研發同類產品提供參考。

1 快速插拔井口系統簡介

快速插拔井口系統由快速插拔井口裝置和大通徑單通道活動管匯車(撬)組成，可在壓裂、射孔作業時與井口快速插拔，如圖1所示。快速插拔井口裝置安裝在井口最上方，它是1種高度集成的機械、液壓一體化裝置。施工人員在遠離井口的控制柜前，通過操作控制面板來實現防噴管插入端，或壓裂管匯插入端與井口裝置的連接和釋放，插入后能快速試壓。大通徑單通道活動管匯車(撬)是壓裂液進入井口的最后通道，一般由底盤車(撬)、折臂吊機、大通徑活動彎頭、大通徑直管等組成。在多井口壓裂作業時，大通徑單通道管路在倒換井口時，用吊機吊裝，使管路插拔公頭與插拔主體進行對接，通過液控系統進行遠程鎖緊或解鎖。吊機帶動活動管匯隨吊機一起運動，活動接頭可為管匯提供自由度，在與井口對接時可調整角度、方向和與井口遠近距離。

射孔作業時，防噴管插入端和井口遠程自動對接、自動釋放，并能快速試壓和自動投球，替代了傳統的人工連接防噴管和井口裝置。壓裂作業時，壓裂管匯插入端與井口遠程自動對接，壓裂管匯入口端與壓裂車管匯相連。在預先布置井場時，現場人員只用對接壓裂管匯車(撬)入口端接口，降低了勞動強度，提高了井場布置效率，降低了安全隱患。整個操作都可以遠程控制完成，操作人員不用在高壓區域進行高空作業，降低了施工風險，減少操作人員的勞動強度。

1-大通徑單通道活動管匯車；2-快速插拔井口裝置；3-壓裂作業井口；4-射孔作業井口。圖1 快速插拔井口系統

2 國外典型產品技術現狀

Halliburton、FHE、FORUM、NOV等公司均在開發壓裂用快速插拔井口系統，其產品已經在油田應用。

2.1 Halliburton公司壓裂用快速插拔井口系統

Halliburton公司是最早研制出壓裂用快速插拔井口系統的公司，其開發的ExpressKinectTMWellhead Connection Unit壓裂用快速插拔井口系統主要由井口快速拔插裝置(ExpressKinect)、大通徑多自由度管匯車組成[9]，配套1臺F275型折臂吊機。大通徑多自由度管匯車入口端和出口端均配置1套井口快速拔插裝置，入口端與壓裂車匯總后的管匯撬相連，出口端與壓裂井口相連，如圖2所示。在井口高度為4.6～6.1 m，井間距5 m時，其作業半徑最大可以覆蓋3口井。

圖2 ExpressKinectTM壓裂用快速插拔井口系統

大通徑多自由度管匯車入口端管匯總成和出口端管匯總成均由5個旋轉活動接頭組成，具有5個旋轉自由度，旋轉活動接頭采用“T”型滑動軸承結構，摒棄了傳統活動接頭的彈道結構，使其具有較小的外徑、較大的承載能力。如圖3所示。多自由度管匯與吊車是分離的，也可使用現場吊車，降低使用成本。

1-左側管道；2-“T”型軸承；3-夾持機構；4-密封；5-右側管道。圖3 旋轉活動接頭

2017年開發成功以來，已經在北美地區大規模使用。具有成本低、現場布置靈活等特點，減少了85%的高壓管線，減少了75%的由壬連接，在工廠化壓裂時井口切換時間可以控制在5 min之內。整套系統工作壓力103.41 MPa(15 000 psi)，流量15.9 m3/min，通徑130 mm(5英寸)。

2.2 FHE公司壓裂用快速插拔井口系統

美國FHE公司開發了FracLock壓裂用井口快速插拔系統[10]，其采用類似混凝土泵車結構，壓裂管線被布置在1個定制的臂架上，臂架上安裝有傳感器和液壓馬達，可以保持插頭插入時始終保持垂直狀態，如圖4所示。其具有位置記憶功能，可記錄12個位置，最大作業半徑12 m。在第1次使用后，可實現自動對位，一鍵式井口對接。壓裂管線上配置有5個旋轉接頭，旋轉接頭采用圓柱推力軸承結構，如圖5所示，使壓裂管線可以隨臂架一起運動。壓裂管線90°轉彎處采用流線型結構，可降低管線沖蝕，提高管線壽命。該公司開發了51.71 MPa(7 500 psi)和103.41 MPa(15 000 psi)2種規格的RIG LOCK快速插拔井口裝置。控制系統采用1控3，或1控4的模式，即1套控制系統同時控制3或4套插拔裝置機械本體。整套系統工作壓力可達103.41 MPa(15 000 psi)，流量20.67 m3/min，內徑177.8 mm(7 英寸)。

圖4 FracLock快速插拔井口系統

圖5 活動彎頭

2.3 FORUM公司壓裂用快速插拔井口系統

美國FORUM公司開發了FracKing ConnectTM壓裂用快速插拔井口系統[11]，系統由車載式高壓軟管系統和HLA 15K快速插拔裝置組成，如圖6所示。車載式高壓軟管系統包括1個定制的起重機和高壓軟管。Forum的快速插拔井口系統，多井共用單根高壓管線，減少所需的旋轉連接高達94%，設計簡單。與常規產品相比，復雜性顯著降低，它結合了軟管的靈活性和大通徑的優點，減少了連接點，簡化了管線連接。它采用的由壬和法蘭連接更少，泄漏點也更少。系統工作壓力可達103.41 MPa(15 000 psi)，流量20.67 m3/min，內徑125.4 mm(6 英寸)。

圖6是典型的全井場高壓軟管壓裂井場管線布局，由于高壓軟管折彎半徑較大，插入端需要增加配重以保持插入公頭保持豎直狀態。為方便壓裂車與管匯撬之間、管匯撬與插拔井口系統管線之間連接，高壓軟管末端配備標準由壬或API 法蘭端接頭，并帶有可旋轉活動接頭，易于拆卸和更換主要部件。

圖6 FracKing ConnectTM系統

HLA系列快速插拔井口裝置配置有自動投球器，自動升降液帽功能。可遠程操作，比傳統作業模式節省30%～40%時間，現場維修時間只需15 min。

該公司開發了Serpent SeriesTM系列高壓軟管，如圖7所示，技術參數如表1所示。

圖7 Serpent SeriesTM系列高壓軟管外形

表1 Serpent SeriesTM系列高壓軟管技術參數

2.4 NOV公司壓裂用快速插拔井口系統

NOV公司開發了The FracMaxx and Big Bore QuickLatch System壓裂用井口快速插拔系統[12]，由The FracMaxx大通徑管匯拖車和quicklatchTM壓裂用井口快速插拔裝置組成，如圖8所示。The FracMaxx大通徑管匯采用拖車模塊運輸，配套有隨車吊機，單通道大通徑管匯系統額定工作壓力103.41 MPa(15 000 psi)，流量21.46 m3/min，內徑203.2 mm(8 英寸)，是目前行業通徑最大的快速插拔井口系統，作業半徑可以覆蓋4個井口。插入公頭帶平衡裝置，可以自動調節插入公頭的狀態，使其始終保持垂直。通過遙控器遠程遙控操作隨車吊機即可完成管匯與井口之間的插拔連接。入口端在壓裂時可以用隨車吊機將其放置在地面上，可以根據需要配置羊角頭或單通道法蘭。

圖8 NOV公司的快速插拔井口系統

大通徑管匯旋轉活動接頭采用類似Halliburton滑動軸承結構，如圖9所示。旋轉活動接頭采用“工”型低摩擦軸承和夾持結構，采用防擠出高壓密封，保證密封的壽命，接頭在沒有內壓或工具輔助狀態下可以靈活旋轉。配套有專用密封更換工具，密封損壞時，可以最大限度地減少停機時間，并且允許密封在外面更換，而不需要從系統中拆卸管道。由于所有的配件沒有焊接或螺紋部位，使活動彎頭結構緊湊、耐沖蝕能力強。

2.5 典型產品優缺點(如表2所示)

1-左側管道；2-“工”型軸承；3-右側管道；4-密封；5-夾持機構。圖9 NOV公司的旋轉活動接頭

表2 壓裂用快速插拔井口系統典型產品比較

3 關鍵技術

3.1 井口快速插拔裝置

井口快速插拔裝置是一種高度集成化的機械、液壓一體化裝置，主要由機械本體和控制系統組成，1套控制系統可完成3～4口井作業，高可靠性鎖緊和解鎖機構、高壓高壽命密封結構是其關鍵技術。現有產品主要有4種結構：

1) 豎直液缸帶動凸輪式旋轉鎖塊壓緊。

2) 水平液缸推動鎖塊鎖緊。

3) 鎖塊在活塞外筒的推動下水平移動，鎖緊主體。

4) 鎖緊裝置在活塞外筒的推動下(像手一樣)鎖緊主體。

除此之外，該裝置應采用模塊化設計，控制系統邏輯互鎖，防止誤操作。配備遠程自動投球器，具有插拔位置指示功能。采用雙重安全設計，保證連接可靠。具有遠程快速試壓功能。

3.2 大通徑活動彎頭

大通徑活動彎頭需要克服靈活轉動和高壓密封這一矛盾問題。常規103.41 MPa(15 000 psi)活動彎頭，目前國內只能做到101.6 mm(4 英寸)通徑，而國外目前已經研制出130.2 mm(5英寸)，甚至203.2 mm(8 英寸)通徑產品。通徑增大以后，管線軸向載荷急劇增加，需要設計特殊結構接頭來承受內壓力和活塞的軸向力。傳統彈道結構已經不適合127 mm(5 英寸)以上的大尺寸管匯，主要原因是摩擦阻力顯著增大，轉動非常困難。國外普遍采用滑動軸承結構來增加軸承的承載能力，采用流線型設計，以減少管匯內沖蝕。103.41 MPa (15 000 psi)、130.2 mm(5英寸)以上通徑活動彎頭目前無法進行國外配套，只能進行自主研發。

3.3 大通徑活動管匯系統

大通徑多自由度管匯插拔作業時，受井場布局和井口位置影響較大，國內井場普遍存在井場面積小，井間距大的現象。另外，放噴管線和井口地坑及護欄等要求大通徑管匯車離開井口有一定的距離。這些限制因素要求大通徑活動管匯系統作業半徑大，運輸時整體尺寸小。大通徑活動彎頭在吊機輔助作用下雖然能夠轉動，但摩擦阻力仍然很大，起吊時，如何保持管匯終端的插頭一直保持豎直狀態是一難題，可以通過增加配重、安裝平衡裝置等措施來解決。為了達到較遠的作業半徑，較小的運輸尺寸，國外目前普遍采用2段折疊式管匯，例如國民油井公司和哈里伯頓公司，這種管匯布局方案可以使管匯更容易張開和回收。另外，管匯懸空還需解決高壓管線抖動的問題。

4 結論

1) 壓裂用快速插拔井口系統在提高壓裂作業時效，減少高壓管線使用數量、減少連接管線勞動強度，提高現場標準化、設備自動化程度，避免人員進入高壓區倒換閘門，提高安全性方面有巨大優勢。隨著壓裂施工的壓力和排量不斷增高，以及壓裂裝備自動化的迫切需求，對壓裂用快速插拔井口系統的需求越來越高[13-15]。

2) 國外井口快速插拔裝置具有帶壓鎖定功能，防止帶壓情況下意外解鎖，安全性高，具有雙重位置指示功能，機械本體和面板均能進行位置指示，確保插拔到位。插拔部位密封壽命長，更換周期長。

3) 大通徑活動彎管需要采用流線設計，在滿足大通徑、耐高壓、轉動靈活的同時，外徑尺寸需要緊湊設計，以降低整體質量。流線型設計，可以提高管道的耐沖蝕能力，使排量更大，管道磨損少，壽命長。需采用防松脫連接設計，防止管線旋轉、振動而引起管線泄漏。

4) 自帶吊機，可以節省現場安裝空間，降低后期使用成本，使管線伸展、縮回更加便捷，并降低作業時間和勞動強度。

5) 國外產品的管內平均流速普遍高于國內行業標準規定的12.2 m/s[16]的平均流速。引進國外設備進入國內后，最大流量可能要降級使用。

6) 相比國外壓裂用快速插拔井口系統，國內研究起步較晚，進口國外設備價格昂貴，無法大量應用，國內發展空間很大。目前，國外還未研制出137.88 MPa(20 000 psi)、130.2(5英寸)以上通徑活動彎頭。隨著國內深層頁巖氣開發，177.8 mm(7 英寸)以上通徑、137.88 MPa(20 000 psi)壓力、操作自動化、一鍵定位是未來壓裂用快速插拔井口系統的發展方向。