高性能壓裂井口設備技術和產業化研究

摘 要：作為一種重要的非常規天然氣資源，我國頁巖氣可開采量達36萬億立方米，居世界第一。為了規?；_發儲量豐富的頁巖氣藏，需解決相關的技術和裝備難題，而壓裂技術是頁巖氣開發過程中的最核心技術，離不開一套高性能壓裂井口設備的支撐。介紹了適用于復雜地質環境和儲藏條件的頁巖氣采收和增產的成套井口裝備及關鍵部件，包括壓裂閘閥、壓裂井口裝置和采氣樹、壓裂管匯的技術要求，以及產業化需解決的難題，并預測市場前景。

關鍵詞：頁巖氣；壓裂；井口設備；產業化

引言

壓裂、采氣是頁巖氣整個開發過程中技術含量最高、工藝最復雜的環節，涉及的設備也很多，其中壓裂井口裝置和采氣樹設備、壓裂管匯是壓裂、采氣作業過程中必不可少的關鍵裝備，擔負著鉆井完井后井口固定、流體壓力監測和控制、采氣作業以及壓裂液的輸送、供給，設備需具備在超高壓、高低溫及酸性高腐蝕等復雜惡劣條件下安全可靠工作的能力；閘閥是壓裂設備中的關鍵部件，需滿足在壓裂作業過程中耐高壓、耐腐蝕、密封可靠、開關迅速的要求，從而實現對油氣流體的有效控制，避免因功能失效而導致流體泄漏對人員、設備和環境造成危害。

1 國內外發展概況及趨勢

1.1 國內外發展概況

國外目前實現頁巖氣商業化開采的只有美國和加拿大，其中美國是商業化開采最早、技術最成熟、裝備最先進及齊全的國家，目前已進入頁巖氣開發的快速發展階段。加拿大是全球第二個實現頁巖氣商業化開采的國家，目前處于發展階段。在壓裂井口裝置、壓裂樹、壓裂管匯和壓裂閥門設備方面，美國產品技術性能高、質量穩定、使用壽命長，并可滿足多種復雜工況條件，目前正向結構簡化、功能集成、使用高效便捷方向發展。加拿大技術和裝備水平落后于美國，且多采用與美國廠商合作并引進其相關設備的方式，目前也已基本能滿足多種頁巖氣井的開采需要。

頁巖氣開發裝備市場因其技術門檻較高，目前國內主要生產企業數量偏少，尤其是用于水平井分段壓裂技術的超高壓大口徑壓裂裝備，能夠自行研發和制造的企業為數不多。作者所在單位有多年的此類設備設計、制造和銷售經驗，工藝和設備精良，在產品技術性能和價格等方面具有自己的優勢。

1.2 發展趨勢

隨著技術的發展，頁巖氣的開發逐漸向高壓力、大排量、高砂比、多級壓裂、多井次、混合工藝、低污染等方向發展，從而實現大規模、高效率開采，降低單位產量開采成本，便于頁巖氣資源商業化應用.因此，驅動壓裂井口設備和關鍵部件向更高工作壓力（20000Psi以上）、高性能級別（PR2級）、高可靠性、長使用壽命和高性價比方向發展。

2 設備的技術要求

頁巖氣屬于非常規天然氣，因其自身低產、低滲透深賦存等特點，使得其開發開采裝備技術要求比常規天然氣明顯高出一截，主要體現在以下幾方面：

（1）頁巖氣資源大多需采用壓裂增產作業進行開采，因此設備需具有超高工作壓力，達到15000～20000Psi。

（2）設備需具有優秀的氣密封性能，以防止可能富含的H2S等有害流體泄漏造成人員、設備和環境危害。

（3）設備本身需具有較強的耐高腐蝕性，以防止被可能富含的H2S、CO2等酸性氣體腐蝕，造成設備故障或損壞，影響現場開采作業。

（4）為滿足多種壓裂工藝，以及大排量、高砂比、多井次的壓裂作業要求，設備必須具有高可靠性、易維護性和較長的使用壽命。

3 產業化需解決的技術和工藝難題舉例

（1）設備在高、低壓條件下具備氣泡級密封能力

需研發高性能的閘閥關鍵位置密封機構和密封件，保證可靠氣密封，使設備達到零泄漏。

（2）可快速關閉的高安全性液動安全閥的設計

需研發傳動更加平穩可靠、關井更加迅速的液動安全閥，為現場開采作業時的井口及壓裂裝置提供安全保護。

（3）壓裂設備重要金屬圓環薄壁件的精密加工工藝

壓裂設備中的高精度金屬薄壁件加工是保證產品質量的關鍵技術之一，如壓裂液回流管匯上的濾沙件是典型的圓環薄壁件，其外圓公差0.06，同軸度要求0.1，零件最薄處的壁厚僅2.25mm，且外圓表面上有多處斜槽和側孔，加工難度相當大。

（4）用于HH級壓裂設備及關鍵部件的耐蝕合金內腔堆焊工藝

HH級耐腐蝕高端井口設備的制造需解決深孔內徑堆焊的技術難題，從而突破國內內腔堆焊技術的落后和依賴進口的局面。

（5）壓裂井口裝置關鍵密封件噴涂工藝

壓裂井口裝置關鍵密封件表面的耐磨性、耐蝕性和平面度要求極高，需通過先進噴涂工藝進行解決。

4 解決方案

4.1 實現高、低壓條件下氣泡級密封的關鍵密封機構的研發

研發具有自主知識產權的雙錐面密封環、復合式雙錐面密封環和高性能非金屬封件，實現了關鍵部位的可靠密封，為金屬密封井口裝置、采氣樹及含有毒氣體的氣藏用設備設計制造提供了技術保障。雙錐面密封原理是采用合理角度（最佳角度15°）使金屬密封環實現高壓壓力自密封、低壓預緊密封；非金屬密封件是在國外先進蓄能圈基礎上創新設計了蓄能、強制和壓力自密封相結合的結構，保證了氣泡級密封，使設備達到零泄漏。

4.2 可快速關閉的高安全性液動安全閥的設計

液動安全閥的設計采用正反旋同軸等高組合式彈簧結構，通過采用組合彈簧使最小安裝空間下獲得最大的彈簧驅動力，在臨近關閥終了時，閥門可以成功的剪切7/32"測井線鋼絲繩（其平均剪切力1.5噸力），使安全閥傳動更加平穩可靠，關井更加迅速，最快可達11秒（國內同類產品一般為13秒），為復雜井口及壓裂裝置提供了更安全的保護。

4.3 壓裂設備重要金屬薄壁件的精密加工工藝

針對高精度圓環薄壁件的質量要求，研發團隊經過艱難的思索和技術攻關，終于研究、試驗出一套方便易行的工藝方法，即在不增加其它專用加工設備的前提下，充分利用數控車床、加工中心等自動化加工裝置，應用專門設計的三個工裝，實現精確加工圓環薄壁型關鍵金屬零件，使之尺寸精度達到圖紙要求，且不發生變形，上述難題得以成功解決。

4.4 用于HH級高端井口壓裂設備及關鍵部件的熱絲TIG內腔堆焊工藝

為了滿足HH級高端井口設備的制造工藝要求，采用預熱焊絲，結合功能強大的編程控制系統FPA9000，研究試驗一種高效而且高質量的焊接工藝，從而解決深孔內腔堆焊耐蝕合金的技術關鍵，最小堆焊內徑達到35mm，堆焊深度達到2000mm，熱影響區小，母材稀釋率減少60%，焊接速度是普通TIG焊的兩倍，為制造高壓、腐蝕性強等惡劣條件的高端HH級油氣井口裝置及壓裂樹等設備提供技術支撐。

4.5 壓裂井口裝置關鍵密封件超音速噴涂工藝

采用先進的超音速熱噴涂技術，密封件表面預熱后，利用先進噴涂設備把合金粉末熔融以超音速的速度噴涂在密封件表面上，在密封件表面形成合金層，再通過精密研磨最終形成高性能密封面。

5 產業化實施過程概述

由于使用時的惡劣工況，設備必須具有很高的耐腐蝕性，同時還要承受高壓甚至超高壓的工作壓力，因此要求主要零件必須具備較高的綜合機械性能，一些關鍵零件表面還要求具有高耐磨，高硬度以及自潤滑表面等特性，且這些特性均需滿足相關的API認證要求，因此需采取先進的機加工、研磨、拋光、鍍鎳磷、PT探傷、MT探傷、精加工等多個工序，方可滿足設備特性需求?？傮w生產流程為：原材料為優質鋼材，經過鍛造后形成毛坯，通過對毛坯粗加工、熱處理、精加工、鉆銑加工、去毛刺、表面處理等工藝過程生產出一個個零部件，然后再經過清洗、裝配、壓力試驗、性能試驗等工序將一個個零件裝配成整機部件，最后組裝成成套設備。

作者所在單位成功開發的高性能壓裂井口裝置、壓裂樹、壓裂管匯、大口徑壓裂閘閥等設備及關鍵部件于2011年開始進行小批生產，并在國外的北美地區、國內的川慶、勝利、大慶等油田進行試用，備受好評。截至2015年年底，相關產品已實現1.3億元的銷售額，具備了下一步大批量生產的技術和市場條件。圖1為應用于國外某油氣田現場壓裂作業的超高壓大口徑壓裂井口和壓裂樹設備。

6 市場應用前景

目前，國外壓裂設備集中在北美主要用于非常規天然氣開發，其他地區主要用于石油增產，中東地區壓裂設備市場有限，主要是油井單產處于高峰期，目前尚未進入大規模壓裂增產階段。國際壓裂設備市場目前主要由美國康菲國際石油有限公司、?？松梨诠?、雪佛龍石油公司、FMC等國際石油設備供應商占據。國內已實施的頁巖氣開發開采試驗區多采用與國外合作的方式，以進口設備為主，但存在價格高昂、供貨周期長、維修成本高的缺點，需逐步提高國產化率。另一方面，隨著常規天然氣資源日益緊缺，我國逐漸將戰略規劃轉移到頁巖氣等非常規油氣資源上，未來3～5年，有望掀起一股開發熱潮。

預計到2020年，我國頁巖氣產量將達300億立方米以上，屆時對頁巖氣開發設備總需求將達2000億元，對配套壓裂設備的需求將達1400億元左右，而同期全球壓裂設備的市場需求更將達2500億美元以上，市場空間巨大。相信國產高性能壓裂井口設備將具有越來越強的技術性能，同時，相對于國外同類產品具有極高的性價比，在未來壓裂設備市場中大放異彩。

參考文獻

[1]鄭軍衛，孫德強，李小燕，等.頁巖氣勘探開發技術進展[J].天然氣地球科學，2011，06.

[2]吳漢川，劉伯修.非常規天然氣勘探開發中壓裂裝備的研制[J].石油天然氣學報，2011，06（33）.

[3]孫曉迎，易先中，鄧金先.抗H2S腐蝕的HH-PSL 3G-PR2級氣密封閘閥研制[J].石油礦場機械，2013，06.

[4]裘偉斌，孫曉迎.高精度圓環薄壁型金屬零件加工方法介紹[J].科技創新與應用，2015，08.

作者簡介：孫曉迎（1981-），男，工程碩士，主任工程師，長期從事油氣田開采設備及相關產品的研發和項目管理工作，尤其對高端井口裝置和采油（氣）樹設備有較深研究。