頁巖氣井連續管井口快速安裝裝置的研制*

岳文翰， 袁文才， 楊志敏， 楊 高， 吳大飛， 段文益

（1. 西南油氣田公司頁巖氣研究院， 成都 610000；2. 中石油江漢機械研究所有限公司， 湖北荊州 434000）

0 前 言

近年來， 國內對頁巖氣、 頁巖油等非常規油氣資源勘探開發力度不斷加大， 連續管作業技術與裝備以其施工過程簡單快捷和安全可靠、 作業效率高、 勞動強度和作業成本低等優勢在頁巖氣開發過程中得到了廣泛的應用[1-3]。 為實現深層頁巖氣區塊連續管作業技術與裝備的進一步配套完善， 對連續管作業的人性化裝備配套和作業現場效率提升方面提出了更高的要求。

在連續管作業中， 為了防范連續管帶壓作業時的井噴、 井口安全事故和井口污染等潛在安全風險， 通常需要在連續管注入頭下方配置防噴盒、 防噴管和防噴器等井控裝置[4-7]。 在連續管作業時， 井口安裝方式為操作人員站在吊起的注入頭底下， 采用人工連接由壬/法蘭接頭的方式將防噴管、 防噴器等井控裝置依次逐個連接成串， 安裝連接井下工具后再將注入頭帶防噴盒、 防噴管、 防噴器等井口裝置整體吊至井口上安裝[8-12]。連續管井口裝置的成串連接安裝需要連接近10 個由壬/法蘭， 安裝時間耗時2～3 h。 在吊機吊臂下進行拆裝操作， 存在作業勞動強度大、 效率低、風險高的問題[13-14]， 是連續管作業過程中影響作業效率和安全的關鍵環節。

針對川南地區深層頁巖氣連續管鉆塞、 射孔、 座封橋塞等作業時井口安裝勞動強度大、 工序復雜、 安裝時間長、 作業風險高的難題， 為推動深層頁巖氣長水平段連續管作業的設備配套和效率提升， 研制開發了一種連續管井口快速安裝裝置， 與連續管作業機配套應用， 可有效解決井控裝置組串安裝和拆卸的問題， 提高連續管作業在安裝和拆卸環節的自動化程度和作業安全性。

1 技術分析

1.1 設計要點

要實現井口裝置的快速安裝要求， 必須減少井控裝置的逐個人工安裝連接環節， 可采用將井口裝置預連接并采用專用底盤車一體式移運方式實現。 深層頁巖氣區域連續管作業具有配套井控裝置數量多、 安裝高度高、 井下作業工具串長等特點， 面臨著山區崎嶇道路運輸、 道路運輸條件限制和高空安全快速連接的難題。 因此， 連續管井口快速安裝裝置的設計要點主要有三個方面：①研究整體式井口裝置配置對連續管作業工藝的適應性， 形成井口裝置整體式移運方案； ②研究井口裝置快速拆裝技術， 實現井口裝置的高空快速連接； ③解決井下工具的安全連接問題， 避免因吊重下人員操作造成的作業風險。

1.2 配置方案

為滿足頁巖氣區域連續管多種作業工藝需求， 井控裝置中防噴管配置 （容納井下工具串） 需根據頁巖氣連續管作業工藝工具串長度確定。 通過對深層頁巖氣連續管鉆塞、 射孔、 座封橋塞等作業工藝的工具串配置的調研[15-20]， 幾種連續管作業工藝工具串配置見表1。

表1 幾種連續管作業工具串配置

由表1 可以看出， 常規連續管作業工具串的長度為4～9 m， 工具串最大外徑為116 mm， 為滿足工具串的容納要求， 井控裝置的防噴管長度應選擇9.1 m （30 ft）、 防噴管通徑應選擇130 mm（5.12 in）。 另外， 井控裝置的配置應滿足頁巖氣區域連續管高壓作業的安全要求， 具體配置有5.12-15k 四閘板防噴器、 5.12-15k 防噴管（30 ft）和4.06-15k 雙聯防噴盒。

在井口裝置之間采用液壓連接裝置在防噴盒與防噴管之間的壓力段進行快速連接時， 液壓連接裝置需承受井口壓力， 存在安全隱患。 為保障作業安全， 選擇在防噴盒與注入頭之間的無壓力段進行快速連接的方式， 連接裝置不承受井口壓力， 可提高作業安全性。

通過對連續管作業工藝工具配置、 井控裝置配置、 井口裝置快速連接方式等方面的綜合考慮， 明確了連續管井口機械化快速安裝裝置的整體結構和配置方案。

1.3 整機結構及參數

井口快速安裝裝置主體由注入頭連接器、 底盤車、 舉升式桁架系統、 一體式井控裝置、 井控裝置固定座、 工具連接平臺、 液壓與控制系統等組成， 整機結構如圖1 所示， 主要技術參數見表2。

圖1 井口快速安裝裝置整機結構示意圖

表2 井口快速安裝裝置主要技術參數

2 關鍵部件工藝設計

2.1 注入頭連接器

注入頭連接器主體分為公頭和母頭兩部分， 其中公頭與注入頭底部的防噴盒連接座連接， 母頭與防噴盒上的法蘭孔連接。 通過遠程液壓控制實現連接器鎖爪的張合從而實現防噴盒與注入頭在高空的快速鎖緊連接與釋放斷開。 注入頭連接器上配有連接狀態指示裝置，通過遠程觀察和操作實現注入頭與井控設備的高空遠程快速連接， 降低安裝連接過程中作業人員近距離操作風險。 另外， 注入頭連接器的對接部位采用錐面結構設計， 可輔助扶正注入頭和井控設備的對中連接， 在注入頭與地面存在一定小角度或未完全對中狀態下， 也可以實現插入配合連接。 經生產廠內試驗驗證， 注入頭連接器連接可靠， 大大縮短了連續管井口裝置的組串連接時間。

2.2 井控裝置固定座

在舉升式桁架系統上設置井控裝置安裝固定座， 可滿足井控裝置串在桁架系統上的安裝固定和固定座提升高度機械限位要求。 在固定座上設有抱緊防噴器下法蘭外圓面的液壓式抱爪和液壓限位插桿， 可有效固定井控裝置串， 防止井控裝置在運輸慣性作用下的竄動問題。

2.3 工具連接平臺

在井控裝置安裝固定座的下方設置有用于連接井下工具的可回收式工具連接平臺， 該平臺可隨井控裝置固定座機械限位在舉升式桁架系統上， 避免了吊重下操作的安全風險。 通過連接在固定座底部的液壓絞車， 在作業時可抽出打開平臺方便作業人員在平臺上安全的進行井下工具串的安裝連接； 在運輸時可回收固定， 滿足運輸的安全要求； 在該平臺上還可借助液壓絞車進行井下工具串的吊裝， 進一步方便作業人員在平臺內實現井下工具串連接安裝。

3 安裝工序及效果

連續管井口快速安裝裝置在現場應用中的安裝作業方式如圖2 所示， 具體步驟如下： ①裝置放置在距離井口半徑7 m 范圍內， 打開車尾支腿行程水平和穩定的平臺， 將承載井控裝置串的桁架系統舉升至垂直狀態， 打開工具連接平臺；②利用吊車將穿好連續管的注入頭吊至井控裝置串上方， 通過注入頭液壓連接器實現注入頭與防噴盒的高空快速連接鎖緊； ③根據作業工具串的長度和連接需要， 利用吊車向上提升井控裝置串帶固定座達到工具安裝的高度位置， 作業人員通過爬梯進入工具連接平臺； ④注入頭下注連續管， 使連續管通過井控裝置串到達防噴器下方工具連接平臺的井下作業工具連接位置； ⑤通過液壓絞車提升工具到工具連接平臺上， 在連續管下端頭上依次分段連接作業工具串組合， 在連接過程中， 根據連接操作空間需要， 注入頭沿起管方向將已安裝好的工具串段收入到井控裝置串中；⑥作業工具串連接安裝好后， 吊車下放注入頭和井控裝置串， 使桁架系統上的井控裝置固定座降低至起始高度位置； ⑦釋放桁架系統上的防噴器、 防噴管固定限位裝置， 使井控裝置串達到可與桁架系統分離的狀態； ⑧利用吊車將連接好作業工具串的連續管作業井口裝置串 （包括注入頭、 防噴盒、 防噴管、 防噴器） 整體吊至井口上方進行連接安裝。 連續管現場作業完成后， 井口裝置的拆卸方式與安裝方式相反。

圖2 連續管井口快速安裝裝置現場施工示意圖

通過現場試驗表明， 該裝置可滿足連續管井口裝置的機械化安裝和拆卸作業要求， 實現注入頭與井控裝置串在16 m 高空中的對中快速連接， 作業井口裝置的安裝時間由常規人工連接30 min （如遇連接問題， 耗時可達1 h 以上） 縮短至機械化快速連接7 min， 井口裝置安裝時間減少約70%， 大大降低了作業風險， 提高了作業效率。

4 結束語

連續管井口快速安裝裝置作為連續管作業機的配套設備， 是實現連續管安全、 高效作業的重要裝置。 從長遠來看， 該裝置的研制有利于實現連續管作業的自動化控制， 符合石油裝備及作業自動化、 人性化、 安全性的發展理念， 具有促進產業升級的顯著效果和廣泛的市場前景。