KL180-140型壓裂井口裝置研制與應(yīng)用

杜文波，鄭泳，張川，饒冬，王偉，徐睿晗

（1.四川寶石機(jī)械鉆采設(shè)備有限責(zé)任公司,四川 德陽 618000；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；3.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；4.西南油氣田分公司川東北氣礦，四川 達(dá)州 635000）

0 引言

近年來，美國“頁巖氣革命”[1]促使頁巖油氣產(chǎn)量持續(xù)增加，造成全球石油市場供大于求，導(dǎo)致自2014年以來國際油價(jià)大幅下跌，一度跌破30美元大關(guān)，甚至低于頁巖油氣的開采成本。這造成美國一些頁巖油氣生產(chǎn)企業(yè)面臨破產(chǎn)，引起國際上一些石油公司紛紛延緩或縮減勘探開發(fā)投資。各石油公司為了擺脫低油價(jià)帶來的困擾，更加關(guān)注如何通過技術(shù)創(chuàng)新和商業(yè)模式創(chuàng)新來降低開采成本、提高效益。

1 結(jié)構(gòu)原理

1.1 方案確定

通過對國內(nèi)外同類產(chǎn)品優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析和對市場使用情況進(jìn)行調(diào)研[3-4]，確定了壓裂井口裝置的總體方案，如圖1～圖3所示。

中石化壓裂井口裝置總體方案（如圖1）由油管頭總成和壓裂平板閥等2部分組成，壓裂注入頭部分由壓裂作業(yè)隊(duì)提供。

圖1 中石化壓裂井口裝置示意圖

中石油壓裂井口裝置總體方案（如圖2）由油管頭總成、壓裂平板閘閥和壓裂注入頭等3部分組成。

圖2 中石油壓裂井口裝置示意圖

壓裂井口裝置完井總體方案（如圖3）由油管頭總成、壓裂平板閘閥和采氣樹等3部分組成。采氣樹總成是在加砂壓裂酸化過程完成后安裝的用于測試、生產(chǎn)的采氣設(shè)備。

圖3 壓裂井口裝置完井示意圖

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 主要性能指標(biāo)參數(shù)表

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 油管頭總成設(shè)計(jì)

油管頭總成（如圖4）由油管頭四通、油管懸掛器、兩翼閘閥及其部件組成，具有安裝方便、密封可靠、安全性能高等特點(diǎn)。油管頭四通底部采用BT密封+金屬密封二次密封結(jié)構(gòu)，這種密封結(jié)構(gòu)可利用高壓注塑泵將密封脂經(jīng)單流閥注入到二次密封圈中，擠壓并激發(fā)二次密封圈膨脹，從而起到增強(qiáng)密封作用；油管頭四通頂絲用于固定和壓緊油管懸掛器。在油管頭四通上法蘭外圓柱面設(shè)計(jì)注脂試壓孔，解決了采用φ180 mm通徑閥門無法對油管懸掛器主、副密封試壓的難題。在頂絲孔處增加環(huán)形凹槽，防止在坐掛油管懸掛器時(shí)密封件經(jīng)過頂絲孔處被剪切。

圖4 壓裂井口裝置油管頭總裝圖

2.2 油管懸掛器設(shè)計(jì)

油管懸掛器（如圖5）坐掛在油管頭四通本體臺階上，用來懸掛油管。其主密封采用金屬密封，副密封采用橡膠密封，安裝方便，密封可靠。油管懸掛器內(nèi)孔帶3 in的BPV背壓閥扣，在平板閥失效情況下，可不壓井更換閥門。

圖5 壓裂井口裝置油管懸掛器總裝圖

2.3 高壓力、大通徑平板閘閥設(shè)計(jì)

高壓力、大通徑平板閥（如圖6）主要由閥體、閥蓋、閥板、閥座、閥桿、尾桿、護(hù)板、滾珠絲桿及其他部件組成，具有以下特點(diǎn)：1）平板閥采用前座密封結(jié)構(gòu)。平板閘閥設(shè)計(jì)為前座密封結(jié)構(gòu)。當(dāng)閥門全開時(shí)，閥體、閥座和閥板的通孔成平滑的直管線，流體流過的阻力最小，避免閥板、閥座密封面受介質(zhì)沖蝕。在閥門處于全開和全關(guān)狀態(tài)時(shí)，閥板與閥座始終貼合，阻斷了壓裂液中的砂礫進(jìn)入閥腔的通道，保證了平板閥的密封和正常開關(guān)。2）閥板、閥座采用等離子噴焊。現(xiàn)有壓裂井口裝置平板閥閥板、閥座密封面均采用噴涂工藝，耐蝕層厚度僅為0.15～0.20 mm，涂層與基體機(jī)械結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度僅為70～90 MPa，耐腐蝕、抗沖刷能力弱。為解決此問題，采用對閥板、閥座密封面等離子噴焊耐蝕合金工藝技術(shù)，焊層厚度可達(dá)1.5～2.0 mm，實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)400～700 MPa，增強(qiáng)其在壓裂施工過程中的耐腐蝕、抗沖刷能力。3）采用彈簧致動(dòng)密封圈。閥桿與閥蓋間的密封采用彈簧致動(dòng)密封圈代替?zhèn)鹘y(tǒng)橡膠密封圈，承溫范圍可達(dá)-60～+260 ℃，在保證閥桿良好密封性能的同時(shí)，減小閥桿與盤根之間的摩擦力，從而降低閥門開關(guān)力矩；并增加支撐環(huán)做導(dǎo)向和扶正，有效延長閥門使用壽命。4）圓弧平板閘閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)。將閥板外形結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使基體能夠承受超高壓介質(zhì)所產(chǎn)生的沖刷與腐蝕，增強(qiáng)閥板的強(qiáng)度。5）采用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)。采用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)和高強(qiáng)度高載荷的推力圓柱滾子軸承，將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)效率高達(dá)90%～98%，傳動(dòng)靈敏平穩(wěn)。滾珠絲杠副為點(diǎn)接觸滾動(dòng)摩擦，摩擦阻力小，此結(jié)構(gòu)可降低開關(guān)力矩，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。6）設(shè)計(jì)倒密封結(jié)構(gòu)。閥（尾）桿設(shè)計(jì)有倒密封結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)帶壓更換平板閥（尾）桿密封圈。

圖6 PFF180-140（PFF180-105）平板閘閥示意圖

3 關(guān)鍵部件的三維建模及強(qiáng)度校核

對壓裂井口裝置各部件的受力特點(diǎn)與失效形式進(jìn)行研究，并基于Abaqus分析軟件完成壓裂井口裝置主要承壓件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元分析與評價(jià)，驗(yàn)證壓裂井口裝置的安全可靠性。

1）壓裂井口裝置油管頭本體強(qiáng)度研究。在210 MPa強(qiáng)度載荷條件下，建立油管頭本體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與評價(jià)方法；在壓裂井口裝置油管頭本體承受介質(zhì)產(chǎn)生的載荷140 MPa，懸掛器傳遞的軸向載荷1.20×106N的工況條件下，建立油管頭本體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與評價(jià)方法。

分析結(jié)果表明，油管頭在工況條件與強(qiáng)度載荷條件下試驗(yàn)結(jié)果滿足要求。

圖7 油管頭本體強(qiáng)度壓力下的應(yīng)力分布圖

圖8 油管頭本體工作壓力下的應(yīng)力分布圖

2）懸掛器強(qiáng)度設(shè)計(jì)研究。壓裂井口裝置懸掛器本體承受懸掛油管自重所產(chǎn)生的軸向拉力， 結(jié)合5000 ～7000 m井深，油管懸掛質(zhì)量為120 t，承受介質(zhì)產(chǎn)生的載荷為140 MPa，建立油管懸掛器本體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與評價(jià)模型。分析結(jié)果表明，油管懸掛器結(jié)構(gòu)可滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 懸掛器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)力分布圖

3）壓裂井口裝置平板閥閥體強(qiáng)度設(shè)計(jì)研究。平板閘閥閥體(30CrMo)承受介質(zhì)產(chǎn)生的表面壓力載荷[5]，以設(shè)計(jì)壓力的1.5倍（介質(zhì)壓力為210 MPa）計(jì)算閥體強(qiáng)度，建立結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與評價(jià)模型。

分析結(jié)果表明，閥體結(jié)構(gòu)可滿足強(qiáng)度要求。

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

2018年11月，研制的KL180-105壓裂井口裝置在重慶涪陵焦頁XX井進(jìn)行壓裂酸化施工作業(yè)，歷時(shí)18 d，累計(jì)壓裂24段，共注入液量為4.81 萬m3、砂量為2346 t，施工最高壓力為72 MPa，順利完成該井頁巖段體積改造。壓裂井口裝置安裝方便，密封性能良好，得到用戶的認(rèn)可。

2019年8月，研制的KL180-140壓裂井口裝置在長寧XX井進(jìn)行大型壓裂酸化施工作業(yè)，歷時(shí)23 d，累積壓裂20段，共注入液量為3.74 萬m3、砂量為1914 t，施工最高壓力為85 MPa，順利完成該井頁巖段體積改造。壓裂井口裝置密封性能良好。

5 結(jié)論

圖10 閥體強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)力分布圖

KL180-140、KL180-105壓裂井口裝置的成功研制將給壓裂作業(yè)帶來直接效益。大通徑（≥φ130 mm）、高壓力（≥105 MPa）壓裂井口裝置，允許多臺壓裂車同時(shí)泵入壓裂液，節(jié)約作業(yè)時(shí)間，降低施工成本；采用前座密封的防砂閥門，能有效防止閥門開關(guān)困難、砂堵等情況，減少閥門檢修次數(shù)，提高作業(yè)安全性，縮短壓裂周期，節(jié)約檢修和時(shí)間成本；平板閥閥板、閥座密封面采用噴焊耐蝕合金代替超音速噴涂工藝，延長閥門使用壽命，增加了閥門密封可靠性，降低了檢修、更換帶來的經(jīng)濟(jì)成本與作業(yè)安全問題。