射孔快速連接井口裝置技術(shù)現(xiàn)狀及分析

張宏橋，游 娜，李妍僖，唐 凱，王前敏，牟新明

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司 西南分公司，重慶 400000)

水平井壓裂已成為我國(guó)油氣增產(chǎn)改造的主要手段，而泵送電纜橋塞多段射孔壓裂是水平井壓裂的主要作業(yè)方式[1-3]。現(xiàn)有的泵送電纜橋塞多段射孔壓裂作業(yè)流程為：安裝防噴管—泵送射孔—拆裝防噴管—壓裂—安裝防噴管，如此往復(fù)[4-5]。其中，防噴管連接、拆裝通常是人工來(lái)完成。由于現(xiàn)有井口平臺(tái)高，防噴裝置拆裝勞動(dòng)強(qiáng)度大，拆裝效率低；而且在工廠化壓裂時(shí)，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)是一拖二，一拖三交替作業(yè)[6-8]，這需要作業(yè)人員頻繁上井口平臺(tái)作業(yè)，增大了工作量；另外，在臨近井壓裂作業(yè)時(shí)，井內(nèi)帶有高壓，這為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員帶來(lái)潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。現(xiàn)有的井口電纜防噴系統(tǒng)難以滿足壓裂要求，迫切需要遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)對(duì)接的射孔快速連接井口裝置。

1 射孔快速連接井口裝置簡(jiǎn)介

射孔快速連接井口裝置是一種高度集成的機(jī)械、液壓一體化裝置，如圖1所示。

1—公接頭；2—鎖緊裝置；3—主體。

施工人員在遠(yuǎn)離井口的控制柜前，通過(guò)操作控制面板來(lái)實(shí)現(xiàn)防噴管和井口裝置遠(yuǎn)程自動(dòng)對(duì)接和自動(dòng)釋放，并能快速試壓和自動(dòng)投球，替代了傳統(tǒng)的人工連接防噴管和井口裝置。裝置公接頭與防噴管連接，主體安裝在電纜防噴器上，公接頭被吊入主體后，鎖塊在液缸的推動(dòng)下自動(dòng)鎖緊公接頭與主體。與常規(guī)井口連接相比優(yōu)點(diǎn)在于：實(shí)現(xiàn)了井口裝置自動(dòng)對(duì)接、快速試驗(yàn)等工序，對(duì)接時(shí)間可控制在5 min之內(nèi)，提高了作業(yè)效率，降低了作業(yè)成本；在工廠化壓裂作業(yè)時(shí)，不受周圍井的影響，不用等待，可以隨時(shí)進(jìn)行井口換裝作業(yè)。國(guó)外GR能源公司使用射孔快速連接井口裝置后，每日的壓裂段數(shù)從5.7段升高到9.5段，效率提升了50%以上[9]。整個(gè)操作都可以遠(yuǎn)程控制完成，操作人員不用在高壓區(qū)域進(jìn)行高空作業(yè)，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，也減少了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 國(guó)外典型產(chǎn)品

射孔快速連接井口裝置具有現(xiàn)有常規(guī)井口連接無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，受到了世界石油行業(yè)的高度重視，已經(jīng)有FHE、Forum、Halliburton、NOV等近10家公司開(kāi)發(fā)了此產(chǎn)品。

2.1 FHE公司

FHE公司最早開(kāi)發(fā)出射孔快速連接井口裝置，它們的Riglock射孔快速連接井口裝置在國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，主要由鎖緊裝置、安全裝置、指示裝置，控制柜等組成[10]，如圖2所示。

1—公接頭；2—安全裝置；3—鎖緊裝置；4—主體；5—指示裝置；6—控制柜。

公接頭進(jìn)入主體后，操作鎖緊按鈕，鎖緊裝置鎖緊公接頭，實(shí)現(xiàn)防噴管與井口裝置的連接。鎖緊裝置到位后，安全裝置鎖定鎖緊裝置，在發(fā)生液壓失效、震動(dòng)等意外時(shí)，保證鎖緊裝置不解鎖。指示裝置監(jiān)控鎖緊裝置的位置和井內(nèi)的壓力，能實(shí)時(shí)顯示鎖緊狀態(tài)和井內(nèi)壓力，并且在井內(nèi)帶壓時(shí)鎖定鎖緊裝置。鎖緊裝置、安全裝置、帶壓互鎖形成的3層安全鎖定機(jī)制，有效地保證了連接的安全性。控制柜采用撬裝結(jié)構(gòu)，無(wú)需外接各種液壓源，并能實(shí)現(xiàn)一拖三，即1套控制系統(tǒng)控制3個(gè)射孔快速連接井口裝置。

公接頭與主體對(duì)位時(shí)，活塞外筒在液壓力的作用下向下移動(dòng)，鎖緊裝置在活塞外筒的推動(dòng)下像手一樣鎖緊主體。它與其他公司不同的是采用端面密封，不易磨損；但端面密封安裝在主體上，更換不方便。

2.2 Halliburton公司

Halliburton公司的ExpressKinect射孔快速連接井口裝置應(yīng)用成熟，主要由活塞外筒，鎖緊裝置，端面密封等組成，如圖3所示[11]。

1—活塞外筒；2—鎖緊裝置；3—端面密封。

2.3 Forum公司

Forum公司的HLA射孔快速連接井口裝置采用推桿式壓塊，液壓背緊，其結(jié)構(gòu)如圖4所示[12]。

1—自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)公接頭；2—機(jī)械指示；3—控制柜。

該裝置配有自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)堵頭，可一鍵對(duì)位公接頭；另外還配有雙指示系統(tǒng)，除了常規(guī)的控制面板指示，還在快插井口本體上配有機(jī)械指示，操作人員可直觀看到鎖緊位置，這一設(shè)置符合現(xiàn)場(chǎng)人員的操作習(xí)慣。但這種結(jié)構(gòu)由于鎖塊承受了高壓產(chǎn)生的剪切力，對(duì)鎖塊的強(qiáng)度要求很高。

2.4 NOV公司

NOV公司于2019年推出了Elmar射孔快速連接井口裝置，由公接頭、液壓套筒、鎖塊、密封、快速試壓裝置等組成[13]，如圖5所示。當(dāng)公接頭與主體對(duì)位時(shí)，液壓外筒在液壓力的作用下向下移動(dòng)，鎖塊在活塞外筒的推動(dòng)下水平移動(dòng)鎖緊主體。該裝置配合面為錐面，且在這個(gè)錐面上安裝了密封圈，這種密封結(jié)構(gòu)制造加工難度高，但密封效果好。該裝置還配有集成式快速測(cè)壓系統(tǒng)，當(dāng)公接頭與主體連接完成以后，快速試壓，提高效率。

1—公接頭；2—液壓套筒；3—鎖塊；4—錐面密封；5—快速試壓裝置；6—控制柜。

3 射孔快速連接井口裝置關(guān)鍵技術(shù)

3.1 工作原理

射孔快速連接井口裝置由母接頭、公接頭、鎖緊機(jī)構(gòu)、投球器、快速測(cè)壓機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)組成。其工作原理為：裝置公接頭與防噴管連接，主體安裝在電纜防噴器上。在進(jìn)行井口換裝時(shí)，吊車懸吊防噴管并帶動(dòng)公接頭落入到主體中。操作人員在控制面板上操作控制閥，鎖緊機(jī)構(gòu)在液壓缸的推動(dòng)下鎖死公接頭。隨后安全裝置啟動(dòng)，鎖死鎖緊機(jī)構(gòu)，公接頭和主體完成對(duì)接。對(duì)接后打開(kāi)快速測(cè)壓系統(tǒng)，對(duì)連接處的密封進(jìn)行測(cè)試，檢驗(yàn)密封有無(wú)損壞。投球作業(yè)時(shí)，將公接頭從主體上移開(kāi)，投球器投球，隨后公接頭再與主體再次連接。

3.2 鎖緊裝置

鎖緊裝置是射孔快速連接井口裝置最基礎(chǔ)也是最關(guān)鍵的部分，它決定了整個(gè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有產(chǎn)品主要有3種結(jié)構(gòu)：①豎直液缸帶動(dòng)凸輪式旋轉(zhuǎn)鎖塊壓緊結(jié)構(gòu)(如圖6a)；②液壓套筒推動(dòng)鎖塊鎖緊結(jié)構(gòu)(如圖3)；③水平液缸推動(dòng)橫向鎖塊鎖緊結(jié)構(gòu)(如圖6b)。第1種結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)受力好，內(nèi)壓產(chǎn)生的推力都由液缸承受，鎖塊受到的主要是壓應(yīng)力，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且對(duì)鎖塊的對(duì)中性要求較高；第2種結(jié)構(gòu)由海洋井口連接演化而來(lái)，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(hù)檢修不方便；第3種結(jié)構(gòu)橫向鎖塊承受切應(yīng)力，液缸受偏載，對(duì)鎖塊和液缸的材料強(qiáng)度要求比前2種都要高，但這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，零配件更換可在現(xiàn)場(chǎng)快速完成。

a 凸輪式鎖塊

b 橫向鎖塊

3.3 密封方式

射孔快速連接井口裝置的工作壓力為105 MPa，并且井口裝置要不斷插拔，這對(duì)密封提出了更加嚴(yán)格的要求。大多數(shù)廠家都采用軸向密封，即在公接頭上套裝密封。密封間隙越小，密封表面粗糙度越小，高壓密封的效果越好[14-15]。裝置的公接頭進(jìn)入主體是盲進(jìn)，沒(méi)有人工幫扶，故間隙越大越好進(jìn)入。相互矛盾的需求造成密封設(shè)計(jì)的困難。從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的情況來(lái)看，公接頭進(jìn)入主體時(shí)常刮傷密封圈，軸向密封更易檢查和更換。Halliburton公司采用了端面密封，密封安裝在主體上，這種布置密封圈不易被刮傷，但在后期維護(hù)時(shí)要爬高進(jìn)行更換。

3.4 高壓抗硫材料

射孔快速連接井口裝置必須有一定的抗硫化應(yīng)力裂紋的能力，根據(jù)MR0175標(biāo)準(zhǔn)[16]，在硫化氫環(huán)境中普通合金鋼硬度不能超過(guò)22 HRC，意味著機(jī)體材料強(qiáng)度最高只能到517 MPa，若采用這種合金鋼則整個(gè)裝置特別笨重，安裝使用都不方便。抗硫高強(qiáng)度鎳基合金的成本是普通合金鋼的幾十倍，會(huì)導(dǎo)致裝置的成本成倍的增長(zhǎng)。因此，尋找合適的耐硫化氫鋼材是一道難題。

3.5 安全裝置

射孔快速連接井口裝置屬于井口設(shè)備，須有冗余安全性，必須考慮液壓失效、振動(dòng)等情況下如何實(shí)現(xiàn)安全互聯(lián)。國(guó)外現(xiàn)有的產(chǎn)品都添加了安全裝置，例如FHE公司的Riglock射孔快速連接井口裝置。安全裝置相當(dāng)于二次鎖緊，在鎖緊裝置上再添加一道鎖緊，保證裝置在液壓失效、振動(dòng)等意外情況下不解鎖。FHE和NOV公司的裝置設(shè)置了帶壓互鎖功能，主體上設(shè)置有壓力傳感器，只要監(jiān)測(cè)到井內(nèi)有壓力就無(wú)法解鎖，提高了裝置的安全性。

3.6 控制系統(tǒng)

因射孔快速連接井口裝置的耐壓、承載能力都很大，故整個(gè)作業(yè)都要在遠(yuǎn)離井口的位置自動(dòng)操作完成，即都能通過(guò)遠(yuǎn)程控制柜來(lái)實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)程控制柜除了完成自動(dòng)連接、快速測(cè)壓、自動(dòng)投球功能外，還需要完成鎖緊鎖定、位置檢測(cè)、帶壓互鎖等功能。FHE、Forum、NOV公司的產(chǎn)品均采用液壓系統(tǒng)，液壓源通過(guò)柴油液壓泵或者柴油空壓機(jī)帶動(dòng)氣動(dòng)增壓泵來(lái)實(shí)現(xiàn)。控制柜采用撬裝結(jié)構(gòu)，能進(jìn)行一對(duì)一控制，也能實(shí)現(xiàn)一拖三控制。

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)外射孔快速連接井口裝置已逐漸發(fā)展成為成熟的射孔壓裂工具，F(xiàn)HE、Halliburton、Forum、NOV等國(guó)際知名公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了能滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的射孔快速連接井口裝置，并已在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。國(guó)內(nèi)還沒(méi)有這方面的應(yīng)用記錄，建議國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家盡快開(kāi)展射孔快速連接井口裝置的研發(fā)，縮小與國(guó)外的差距。