淺析頁巖氣開發壓裂用井口裝置安全使用要點

李朝明，張鐵軍

（1.重慶新泰機械有限責任公司，重慶 402160；2.重慶文理學院新材料技術研究院，重慶 402160）

近年來，隨著頁巖氣勘探開發步伐加快，對頁巖氣鉆井、試氣、井下作業過程中使用套管頭、油管頭和采氣樹實行規范化、專業化、標準化管理，提升管理水平和運作效率，降低安全風險和運行成本。但油田的管理和運行維護管理制度不健全，無統一制造標準，供應廠商和規格型號繁多，互換性差，A環空與B環空竄壓，給頁巖氣井口的安裝、壓裂和后期的開采留下諸多安全隱患。

1 基本要求

套管頭是連接套管與井口裝置的重要裝備，鉆井時連接套管與防噴器，完井時連接采油氣井口，并建立各層套管柱之間的密封，可懸掛各層套管；為釋放可能聚集在兩層套管之間的壓力提供通道；在緊急情況下可向井內泵入流體，以進行鉆采工藝方面的特殊作業。

1.1 套管頭和油管頭的安裝要求

（1）下套管前校正天車與轉盤，天車、轉盤、表層套管頭三者中心線偏差不得超過10 mm，以免造成偏磨。

（2）最上面一級套管頭上法蘭面高于井架基礎面200±50 mm，確保套管頭安裝后內防噴管線都能從井架底座內平直接出，不影響施工作業。

（3）檢查并清洗橡膠密封圈有無裂紋和損傷，提前將橡膠密封圈裝入密封槽并涂抹潤滑油。

檢查金屬密封是否有碰傷或損壞，按使用說明書選取合適的密封圈及配套的支撐座，輔助的橡膠密封并涂抹潤滑油。

（4）提前測量套管頭上部頂絲伸縮進長度并記錄。安裝前應將頂絲全部退到頂絲孔內。

（5）安裝時套管頭水平度不得超過1 mm，避免造成偏磨，按推薦的扭矩對稱上緊螺栓。

（6）安裝前應在套管四通下部確認好注塑孔或試壓孔的位置，以免發生誤操作。

1.2 套管頭或油管頭下部法蘭注塑和試壓操作

（1）密封圈的種類

套管副密封主要有BT密封、P密封及金屬密封（僅限于個別完井油層套管）三類。BT密封圈和P密封需要注塑激發橡膠變形實現密封；金屬密封通過金屬的機械變形實現密封。

（2）注塑

①卸開注塑單流閥接口，裝上卸壓工具頂開鋼球，排除內部的壓力，以免影響注入效果。

②泄壓時注意觀察排出的介質，接上注塑泵，卸去對方的注塑接頭總成，向橡膠密封圈注塑。注塑時，應隨時觀察注入壓力，當對稱的單流閥接口開始溢出塑脂時暫停注塑，擰緊單流閥堵頭，直至額定工作壓力或套管抗外擠強度的80%，取其兩者的最小值，注塑壓力高會擠毀配合脖頸。

（3）試壓

①將試壓接頭保護帽卸去，接上試壓泵向密封環形空試壓，其試壓壓力為套管頭密封圈部位額定工作壓力或套管抗外擠強度的80%，取其兩者的最小值計算，穩壓30 min，壓降不大于1 MPa時，密封合格。若兩橡膠密封形成的環空有空氣會產生氣室效應，需要補注壓力，直至穩壓30 min，壓降小于1 MPa為合格。

②懸掛器主密封試壓：通過油管頭四通下部的試壓口對套管懸掛器、橡膠或金屬密封及法蘭、頂絲形成環空試壓至額定工作壓力或套管抗外擠強度的80%，取其兩者的最小值計算，穩壓30min，無任何可見泄漏，壓降不大于1MPa密封為合格。

③當試驗壓力超過產品設計的需用壓力時，試壓前應向井筒內至少注入1/3試驗壓力的平衡壓力再進行試驗，以免造成套管懸掛器或套管變形。

④試驗后，應卸去被試驗環空的壓力。

1.3 試壓塞

試壓塞坐封在套管頭的上腔，可對上部所連接的井控設備進行額定工作壓力的試驗。

2 平板閥的密封及試驗

2.1 平板閥的密封機理

平板閥作為壓裂井口裝置的核心部件，開啟和截斷井筒介質。平板閥開關到位后應回轉手輪1/4～3/4圈，使其處于浮動密封狀態。頁巖氣壓裂所用的平板閥采用前座密封，當閥板閥座一端受壓，在波形彈簧的預緊力作用下，推動進口端的閥座向閥板密封表面貼近，依靠閥板合金面與進口端閥座合金面之間的自由貼合，在介質壓力作用下實現密封。

2.2 平板閥試壓要求

平板閥每開關十次應注入密封脂，防止介質進入腔，達到最佳密封效果并潤滑密封面。試壓時，緩慢升壓到額定工作壓力后穩壓15 min，無任何可見泄漏，壓降不超過1 MPa為合格，應雙向分別進行壓力試驗。

3 結 語

通過對套管頭和油管頭的安裝調試，選用金屬密封與橡膠組合的密封結構，對橡膠密封圈注塑，掌握平板閥的密封原理和使用要點，確保井口的安全和密封可靠，對頁巖氣開采具有重要的意義。