張青鋒，張宏橋，王前敏，白蘭昌，王志喜，秦雪飛，劉 鳴

(1.寶雞石油機械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司， 成都 610000)

大型壓裂作業(yè)需要配置必要的輔助設(shè)備才能完成整個流程，輔助設(shè)備主要包括：混配裝置、儲液裝置、儲砂輸送設(shè)備、壓裂井口管匯連接。隨著國內(nèi)大型壓裂作業(yè)規(guī)模的擴大，施工排量在不斷提升，現(xiàn)有高壓管匯連接數(shù)量成倍數(shù)增加，連接工作量成倍增加，作業(yè)時長增加，作業(yè)效率降低。同時現(xiàn)有管匯系統(tǒng)都為由壬連接，由于由壬連接無法量化，易引起螺紋和密封損壞，造成泄露。隨著管匯量的增大，泄漏點也增多，這帶來了較大的安全隱患，因此壓裂井口高壓管匯連接已成為制約大型壓裂提速提效的一個短板[1-3]。針對這個短板，國內(nèi)外推出了一些新技術(shù)，主要有大通徑單通道井口連接裝置、壓裂井口快速連接裝置、大通徑軟管等先進技術(shù)。本文對這些新技術(shù)以及常規(guī)井口管匯連接進行了對比分析，總結(jié)出各個技術(shù)的優(yōu)勢和不足，可針對不同的現(xiàn)場工況選用不同的技術(shù)，有利于國內(nèi)壓裂井口管匯連接的研究。

1 常規(guī)井口管匯連接技術(shù)

高壓管匯將壓裂車增壓后的高壓流體輸送到井口。按照流體的流向和高壓管匯的功用，將高壓管匯分為2個部分：A區(qū)和B區(qū)，如圖1所示。區(qū)域A為壓裂車與管匯撬的對接，完成壓裂液的匯集。在區(qū)域A，快接管匯撬產(chǎn)品已在國內(nèi)現(xiàn)場實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用[4]；區(qū)域B為管匯撬到井口，完成壓裂液分流到井口的任務(wù)，稱為壓裂井口管匯連接。在區(qū)域B，國內(nèi)采用的都是常規(guī)管匯連接方式。

圖1 高壓管匯連接分區(qū)示意

常規(guī)井口管匯連接是由直管、彎管、接頭、閥門等連接而成。這些連接大多數(shù)是由壬連接的，需要現(xiàn)場人員錘擊安裝，部分由壬連接屬于高空作業(yè)，增加了作業(yè)難度。在小規(guī)模作業(yè)時，管匯連接的工作強度尚可，并且可根據(jù)現(xiàn)場現(xiàn)有管匯靈活配置，方便快捷。隨著壓裂規(guī)模的擴大，高壓管匯的連接數(shù)量呈倍數(shù)增加，意味著連接工作量翻倍、非工作耗時占比明顯、安全性風(fēng)險成倍增大、成本也不斷提高。

2 管匯連接新技術(shù)

2.1 大通徑單通道井口連接裝置

大通徑單通道井口連接裝置是將快連管匯撬到壓裂井口之間的管線進行匯集，用大通徑管線代替多股小通徑管線。大通徑閥門代替多個小閥門，減少接頭數(shù)量，降低連接工作量和安全風(fēng)險，如圖2所示。FMC公司、SPM公司、Schlumberger公司都是這種技術(shù)路線。

圖2 大通徑單管道管匯連接

2.1.1 工作原理

大通徑單通道井口連接裝置如圖3所示，整個系統(tǒng)由壓裂安全閥、大通徑管匯、分流裝置3部分組成[5]。分流裝置與管匯撬匯集過來的管線對接，壓裂安全閥與壓裂井口對接，大通徑管匯將分流裝置與壓裂安全閥串接起來。各模塊都集成在模塊化撬上，在每個撬的末端僅有1個法蘭接頭，整個裝置只對接4次法蘭接頭，減少80%的連接。

1-壓裂安全閥；2-大通徑管匯；3-分流裝置。 圖3 大通徑單管道井口連接裝置

整個系統(tǒng)的閥門都為自動閥門，可遠程操控，并附帶手動功能，提高系統(tǒng)的冗余性。同時還配備了全自動潤滑系統(tǒng)，通過泵注潤滑液，為整個系統(tǒng)提供遠程自動潤滑。通過自動閥門和自動潤滑系統(tǒng)，可在遠程操控中心完成閥門切換以及系統(tǒng)的長時間使用，實現(xiàn)高壓區(qū)域無人化、自動化。

2.1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1) 法蘭快接技術(shù)。各撬裝模塊位置固定后進行法蘭對接，由于固定位置的偏差，需要對法蘭做調(diào)整才能完成對接。為了快速地將法蘭對接好，各家都推出了自己的專利技術(shù)。①單直線壓裂接頭：如圖4a所示，壓裂安全閥與壓裂井口對接時連有調(diào)整接頭，此調(diào)整接頭可上下移動并繞中心軸旋轉(zhuǎn)，這使壓裂安全閥可上下移動且能旋轉(zhuǎn)，保證法蘭快速對接[6]；②單管萬向裝置：此裝置由90°彎頭和旋轉(zhuǎn)接頭組成的，當(dāng)分流裝置和壓裂安全閥安裝位置出現(xiàn)偏差時，實現(xiàn)在空間3個自由度的調(diào)節(jié)來保證2個裝置的對接，如圖4b 所示[7]。

圖4 法蘭快接技術(shù)

2) 大尺寸閥門。由于管匯為大通徑，需要匹配相應(yīng)的大尺寸閥門，并能由執(zhí)行器驅(qū)動，實現(xiàn)全自動推進。SPM公司推出了177.8 mm(7英寸)旋塞閥，驅(qū)動簡單，維護方便。FMC公司推出了177.8 mm(7英寸)截止閥[8]，Schlumberger公司推出了177.8 mm(7英寸)低轉(zhuǎn)矩閘閥。

2.1.3 技術(shù)特點

1) 相比于傳統(tǒng)的由壬連接，大通徑單通道井口連接裝置連接整齊，有跡可循，減少占地面積。

2) 所有管線都是大通徑管線，流道摩阻降低，提高使用壽命。據(jù)SPM調(diào)研，大通徑管線可降低70%的流道沖蝕，使用時間為傳統(tǒng)設(shè)備的3倍以上。

3) 整個裝置沒有由壬，采用符合API標(biāo)準的法蘭，連接扭矩可控，降低潛在泄露風(fēng)險。

4) 整個裝置都為全自動閥門，不用人操作，減少閥門倒換的工作量和人工出錯的風(fēng)險。

5) 在單井口上整個裝置只用連接4個法蘭，且連接好以后不需要綁帶操作，降低現(xiàn)場工作量。

2.2 壓裂井口快速連接裝置

壓裂井口快速連接裝置在大通徑單通道井口連接裝置的基礎(chǔ)上更進一步，1套管線覆蓋多口井，完全改變傳統(tǒng)的一對一連接，形成一對多的布局，如圖5所示。Halliburton公司、NOV公司、FHE公司都是這種技術(shù)。

圖5 壓裂井口快速連接裝置連接布置

2.2.1 壓裂井口快速連接裝置簡介

壓裂井口快速連接裝置由井口連接裝置和大通徑活動管匯撬組成[9]，如圖6所示。在現(xiàn)場應(yīng)用時，井口連接裝置安裝在壓裂井口上，大通徑活動管匯被吊放在合適的位置上,將大通徑活動管匯的一端與管匯撬對接，另一端快插接頭端吊至一口井口，與連接裝置自動對接后進行一口井的壓裂。完成第1口井的壓裂后，快插接頭自動松放，吊至第2口井進行第2口井的壓裂，以此類推完成多口井的壓裂。

圖6 壓裂井口快速連接裝置

整個作業(yè)過程，只用人工進行井口對接和管匯撬的對接，其余對接工作都為自動對接，降低了管匯連接工作量。根據(jù)Halliburton調(diào)研[11]，當(dāng)常規(guī)的雙井壓裂作業(yè)時，大約需要170個連接頭，其中還有12個是高空作業(yè)。而采用壓裂井口快速連接裝置后，只用了36個接頭，而且這些接頭都是連接好的，泄露風(fēng)險低，連接整個管匯也只需一個接頭。

FHE公司開發(fā)了一種新的全自動壓裂井口快速插拔裝置[11]，將高壓管匯和起吊裝置結(jié)合在一起，如圖7所示。在每個高壓管匯的旋轉(zhuǎn)接頭處連接有液壓馬達，通過控制器將5個液壓馬達聯(lián)動控制，實現(xiàn)插拔頭在空間任意位置的切換?？刂破骺捎涗?2個位置，在第1次使用后，控制器記錄此位置，重復(fù)壓裂時一鍵式完成井口對接。此裝置不用吊車司機在每次井口切換時進行對位操作，降低了現(xiàn)場工作量。由于只布置了一條大通徑活動管匯，因此相比前面的產(chǎn)品，還需要進行管匯撬與壓裂井口快速插拔裝置之間的對接，增加了管匯對接工作量。

圖7 FHE公司壓裂井口快速連接裝置

2.2.2 關(guān)鍵技術(shù)

1) 井口插拔裝置。井口插拔裝置是高度集成化的機電液一體化設(shè)備，是實現(xiàn)自動插拔的關(guān)鍵設(shè)備[12]?，F(xiàn)有產(chǎn)品主要有3種結(jié)構(gòu)：①豎直液缸帶動凸輪式旋轉(zhuǎn)鎖塊壓緊結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)緊湊，受力合理，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜；②水平液缸推動橫向鎖塊鎖緊結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)操作維護簡單可靠，現(xiàn)場維護時間可控制在15 min之內(nèi),但鎖塊承受切應(yīng)力，液缸受偏載，對鎖塊和液缸的材料強度要求高；③液壓套筒推動鎖塊鎖緊結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)應(yīng)用成熟，鎖塊承受較小的切應(yīng)力，結(jié)構(gòu)合理，但是鎖塊在套筒內(nèi)部，維護檢修不方便。同時密封、控制系統(tǒng)、安全裝置也是此設(shè)備成熟與否的關(guān)鍵。

2) 大通徑活動管匯。大通徑活動管匯需要承受內(nèi)壓并靈活轉(zhuǎn)動。在通徑增大后，密封摩擦的阻力增大，管線的軸向載荷增大，因此現(xiàn)在多采用滑動軸承來來克服這些阻力，以此增加軸承的承載能力和轉(zhuǎn)動靈活性。在密封上，除了常規(guī)的旋轉(zhuǎn)密封，NOV公司采用防擠出高壓密封，接頭在沒有內(nèi)壓或工具輔助狀態(tài)下可以靈活旋轉(zhuǎn)，如圖8所示。并配有專用密封更換工具，密封損壞時，可允許密封在外面更換，而不需要從系統(tǒng)中拆卸管道，可以最大限度的減少停機時間。

圖8 NOV公司大通徑活動管匯

2.2.3 技術(shù)特點

1) 相比于大通徑單通道井口連接裝置，壓裂井口快速插拔裝置裝拆工作量更少。以3口井為例，大通徑單通道井口連接裝置需對接12個法蘭，而井口快速連接裝置只需對接4個法蘭，安裝和拆卸工作量減少75%；

2) 壓裂井口快速連接裝置實現(xiàn)1套管線覆蓋多口井，減少設(shè)備用量，降低設(shè)備成本；

3) 壓裂井口快速連接裝置可實現(xiàn)射孔換裝和壓裂管匯自動插拔，在拉鏈作業(yè)時實現(xiàn)射孔壓裂的無縫對接，工作效率高[13]。

2.3 大通徑軟管技術(shù)

不論是大通徑單通道井口連接裝置，還是壓裂井口快速連接裝置都應(yīng)用了軟管，這些裝置其實都可以用軟管全面代替硬管，由于軟管的特殊性，本文對軟管技術(shù)進行單獨介紹。

2.3.1 軟管應(yīng)用

FMC公司推出了WellFlex技術(shù)，將壓裂井口和分流裝置連接在一起，連接數(shù)量降低了80%，安裝時效提高了50%。其額定工作壓力103.5 MPa(15 000 psi)，通徑139.7mm(5.5英寸)，流量21.5 m3/min(135 bbl/min)，線質(zhì)量107.1 kg/m，遠低于硬管的質(zhì)量。國外Schlumberger公司推出了MonoFlex技術(shù)[14]，替代單管萬向技術(shù)，完成在壓裂現(xiàn)場的應(yīng)用，如圖9所示。其額定工作壓力103.5 MPa(15 000 psi)，通徑152.4 mm(6英寸)，流量24.6 m3/min(155 bbl/min)，流速達到22.6 m/s，遠高于硬管規(guī)定的12.2 m/s。

圖9 Monoflex軟管現(xiàn)場應(yīng)用

FORUM公司則是更進一步，不僅實現(xiàn)了用軟管對管匯撬的全面替代，更在壓裂井口快速連接裝置實現(xiàn)成功應(yīng)用[15]，如圖10所示。同硬管相比，軟管方式減少旋轉(zhuǎn)連接高達94%，簡單可靠；由于沒有90°彎管的流體流向急劇變化，主管匯沖蝕減少，使用壽命延長。

圖10 FORUM公司軟管應(yīng)用

2.3.2 關(guān)鍵技術(shù)

軟管由骨架層、內(nèi)襯層、鎧裝層、外保護層等組成。骨架層和鎧裝層主要提供強度保證，內(nèi)襯層和外保護層主要用來密封隔離內(nèi)部輸送流體與外部環(huán)境。每1層選用的材料和技術(shù)不同，軟管性能就不同，因此各家的產(chǎn)品性能差異很大。

如表1所示，在152.4 mm(6英寸)內(nèi)徑時，Schlumberger公司的產(chǎn)品可達到24.6 m3/min(130bbl/min)，而NOV公司產(chǎn)品只能達到19.1 m3/min(120 bbl/min)[17]。管子的彎曲半徑差異很大，在152.4 mm(6英寸)內(nèi)徑時，Schlumberger公司的產(chǎn)品彎曲半徑為121.9 cm(4英尺)，NOV公司的產(chǎn)品彎曲半徑高達179.8 cm(5.5英尺)。還能看到FMC的WellFlex和FORUM的Serpent流量基本相等，WellFlex的內(nèi)徑小于Serpent，但彎曲半徑卻比Serpent的大。

表1 各品牌軟管技術(shù)參數(shù)

2.3.3 技術(shù)特點

1) 硬管厚度需要專用設(shè)備才可以檢出，而軟管的厚度可由顏色來區(qū)分，維護難度降低。例如NOV的FlexConnect，軟管顏色已標(biāo)準化，紅色代表75%的原始厚度，黃色代表50%的原始厚度，綠色代表25%的原始厚度，現(xiàn)場人員可直接根據(jù)顏色判斷軟管的磨損程度。

2) 對軟管的對接進行了優(yōu)化，除了傳統(tǒng)的由壬，都采用符合API標(biāo)準的法蘭和卡箍。FORUM公司的Serpent產(chǎn)品還對軟管和接頭的連接進行優(yōu)化，可現(xiàn)場拆卸安裝，降低現(xiàn)場更換接頭維護難度。

3) 由于軟管不會出現(xiàn)流速的急劇變化，流體流動更平緩，且內(nèi)部材料可優(yōu)選耐磨更好的橡膠材料，因此使用壽命更長。

4) 硬管多采用鍛件，生產(chǎn)時間長，而軟管雖工序復(fù)雜，但可自動化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，隨著使用量的增加，軟管的成本要優(yōu)于硬管。

3 結(jié)論

1) 常規(guī)管匯連接在小規(guī)模壓裂時,連接便捷。但隨著壓裂規(guī)模的擴大，高壓管匯的連接數(shù)量呈現(xiàn)成倍的增加，采用常規(guī)管匯連接，現(xiàn)場布局亂、工作強度大、作業(yè)時效低、安全性低、成本高。

2) 大通徑單通道井口連接裝置相比于傳統(tǒng)的由壬連接，在大規(guī)模壓裂作業(yè)時，前者更占優(yōu)勢，連接整齊，而且占地面積少；流道摩阻低，使用壽命長；連接扭矩可控，減少潛在的風(fēng)險；現(xiàn)場接管工作量低，不用人工倒換閥門，勞動強度低，安全程度高。但是，大通徑單管道井口管匯裝置需單獨配備快連井口裝置才能實現(xiàn)射孔換裝的自動對接，需增加額外的成本。

3) 壓裂井口快速連接裝置相比于大通徑單管道井口連接裝置，裝拆工作量更少；減少設(shè)備用量，降低設(shè)備成本；可實現(xiàn)射孔換裝和壓裂自動插拔，在拉鏈作業(yè)時實現(xiàn)射孔壓裂的無縫對接，現(xiàn)場工作效率更高。但是，受限于大通徑活動管匯的回轉(zhuǎn)半徑，在回轉(zhuǎn)半徑外需布置第2套裝置，會出現(xiàn)設(shè)備富余的情況。

4) 大通徑軟管相比于硬管，軟管的厚度可由顏色來進行區(qū)分，維護難度降低；軟管中流體流動更平緩，且內(nèi)部材料可優(yōu)選耐磨更好的橡膠材料，使用壽命更長；可自動化生產(chǎn)，隨著使用量的增加，軟管的成本要優(yōu)于硬管。