頁巖氣開發壓裂用井口裝置的安全使用研究

雷廣財，杜志勇，王劍飛

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機械制造分公司，遼寧盤錦 124000）

0 引言

頁巖氣勘探工作內容復雜，主要包括：井筒和井口閘門試壓；復雜情況下試擠和洗井等壓裂作業；等孔徑均衡射孔彈、液壓坐封工具、橋塞泵送和配合微地震導爆作業等電纜作業；連油通井、連油射孔、探鉆塞、處理井下復雜、壓裂期間連油待命等連續油管作業；壓裂期間地面流程配合和壓后排液測試等試油配合及試氣作業。頁巖氣在鉆井、試氣以及井下作業所用到的采氣樹、油管頭、套管頭等種類較多，且更新換代頻繁。開發頁巖氣工作十分重要且具有危險性，所以各種裝置一定要非常專業、標準。但是實際上裝備制造商供應商目前無法做到統一，也就無法保障頁巖氣井口裝置安全的權威性。這不僅不利于頁巖氣長期、大面積開采，在壓裂過程中可能還會埋下許多隱患，阻礙安全生產的進行。

1 基本要求

施工前，工作人員一定要制定好頁巖氣井壓裂施工設計，壓裂隊施工時一定要符合壓裂施工要求并讓相關方做好配合。頁巖氣開發壓裂用井口裝置指的是安裝在油管頭之上的采氣井口裝置，油管頭是否結實可用，也在影響井口裝置的使用壽命。井口裝置的主要結構有油管掛、蓋板法蘭、閥門及儀表、異形四通、雙法蘭短接和Y 形三通等，每個配套都非常關鍵，出廠合格才能組合出一個符合標準的井口裝置。套管頭也很重要，連接防噴器和套管，幫助連接采油氣井口通過達成懸掛效果來密封套管柱，所以工作人員要細心做好連接工作。

1.1 油管頭與油管的連接方法

油管接箍在油管懸掛器的里面，負責載重油管，油管懸掛器要支撐油管接箍，油管頭負責支撐油管懸掛器，兩者互為支撐。同時，有密封圈密封油管接箍與油管懸掛器。油管懸掛器與油管頭之間也需要密封，防止油管接箍轉動或移位，影響油管懸掛器的穩定。

安裝油管頭時，有的可以直接把管插進去，有的不好插進去，可以先試著用火燒一下管頭，但要注意不能燒過。安裝一定要正確，保證后續工作的順利開展。

1.2 法蘭注塑與試壓操作

（1）套管頭。套管頭是套管和井口裝置之間的重要連接件。它的下端通過螺紋與表層套管相連，上端通過法蘭或卡箍與井口裝置或防噴器相連。套管頭有單級、雙級和三級套管頭3 種類型，它必須滿足鉆井作業以及生產過程中的地層壓力控制要求。

（2）注塑。法蘭（Flange）又叫法蘭盤或凸緣盤，是使管子與管子相互連接的零件，連接于管端。管頭屬采油樹附件，作用是懸掛下入井中的油管、井下工具，密封油套環形空間；可以為下接套管頭、上接采油樹提供過渡；通過油管頭四通體上的兩個側口，完成注平衡液及洗井等作業。

（3）試壓。頁巖氣高壓試壓注脂兩用裝置，涉及石油機械技術領域，包括箱體和注脂槍筒。箱體旁設有一個儲液箱，箱體上設有試壓泵頭和壓力表，試壓泵頭上有壓力表及快速接頭和一個可加長壓桿。注脂槍筒連接一個卸荷閥，注脂槍筒和試壓泵頭通過一高壓膠管連接，注脂槍筒內還設有活塞，高壓膠管上還設有散熱裝置。本實用新型專利技術采用一體化設計，方便運輸與使用，能有效防止零部件丟失。與常規的壓力表單用接頭連接相比，將壓力表安裝在試壓泵頭上試壓更加方便安全，且壓力可高達140 MPa。高壓膠管上設有散熱裝置，可以防止膠管老化破裂，提高裝置的使用壽命。

1.3 完井

完井方法可以采用橋塞/射孔聯作，優勢是風險低、能承受高溫高壓，缺點是需要連續油管待命，等待時間長。另外一種方法是采用滑套/封隔器，其優點是井壁自然裂縫不受破壞，缺點是砂堵時難處理。

2 平板閥密封試驗

2.1 密封機理

頁巖氣井采用的套管氣密封螺紋接頭，包括同軸的套管接箍和套管。它們的連接方式是：套管接箍套裝在套管外，二者螺紋配合；沿套管的軸向，套管接箍和套管的接觸部分為依次連接的第一接觸部分、第二接觸部分和第三接觸部分；第二接觸部分中，套管的外螺紋承載面和套管徑向之間的夾角為－3°，套管的外螺紋導向面和套管徑向之間的夾角為12°。

該接頭采用小負角度承載面來提高螺紋牙的抗拉伸性能，適于頁巖氣井長距離水平及大狗腿度井眼套管下入過程的上提操作，適于我國頁巖氣藏埋藏較深的特點；螺紋牙型采用低正角度導向面，易于螺紋對扣、上扣，具有抗粘扣優點，同時兼顧了增加螺紋抗壓縮載荷的作用，適于頁巖氣井長距離水平及大狗腿度井眼套管下入過程的下壓操作。

無論是第一接觸部分還是第二接觸部分，齒頂和齒底之間均設置有間隙，且導向面之間也設計有間隙，大的間隙能有效降低外螺紋牙載荷，減小螺紋牙變形量，提升抗粘扣性能。在第三節接觸部分中，根據裝配要求，套管接箍分為4 個部分，套管分為兩個部分，且各自相匹配，已形成不同的對應結構。弧面段和部分牙槽及過渡段之間均設置縫隙，且限定了部分牙槽和過渡段共同的長度，方便儲存上扣螺紋脂，螺紋加工退刀，并提高了接箍危險截面的承載面積。弧面段和錐面段相接觸，形成緊密的密封結構，提高密封性能，形成高斯分布密封接觸壓力，并使得密封接觸部位遠離臺肩，降低上扣過程的機械碰傷風險，在復合載荷的作用下保持密封接觸壓力和寬度，提高頁巖氣井壓裂載荷循環及非均勻外擠、剪切載荷條件的水密封性能，滿足頁巖氣井生產階段的氣密封性能要求。采用低負角度臺肩，保證螺紋接頭機械性能，控制鼻端變形，并降低應力集中，提高接頭抗壓縮性能，兼顧接頭密封穩健性，便于上扣位置控制及提高抗過扭矩性能，易于清洗。

公扣齒頂大間隙結構提高上扣順暢性，有效保護外螺紋螺牙。不完整螺紋牙槽有效保證密封部位螺紋脂合理分布，兼顧螺紋加工退刀，并提高接箍危險截面面積。弧面—錐面金屬密封面實現高斯型接觸壓力分布，提高密封面抗粘扣性，降低上扣密封面機械損傷風險，并保證接頭在拉伸、彎曲及非均勻載荷狀態下的密封性能。低負角度臺肩加工便捷，有效控制螺紋鼻端變形，提高密封面密封穩健性，提高抗過扭性能，便于螺紋清洗。接頭內表面相平保證接頭部位管體內部流體流態穩定，提高抗沖蝕性能。另外，套管外螺紋與套管內螺紋的管體對接口處設計有擴張的錐面，與接箍內表面交界處平齊，提高接頭內表面的抗流體沖蝕性能。

該特殊螺紋接頭可以適應不同外徑、壁厚及鋼級的套管，采用數控機床加工，套管接箍的內螺紋涂鍍層厚度控制在15～25 μm。上扣時兩端均勻涂抹通用套管螺紋脂，夾持螺紋靠近管體側和接箍靠近工廠端側，現場采用最佳控制扭矩上扣。

2.2 平板閥試壓

平板閘閥是燃氣管道近年來才開始使用的通用型閥門，全通徑時流阻小，兩邊的密封由聚四氟乙烯或橡膠O 形環壓緊在閘板上形成。在外加壓力F0的作用下，招牌的初壓縮量為對夾升降式止回閥。當盲板受到內壓作用時，招牌被放松回彈、壓縮量減小，放松到一定程度時會出現泄漏，在密封曲線上這一點即為密封所需的最小壓緊力。在生產過程中，只要旋啟式止回閥合理選擇了密封墊，在盲板剛性良好的情況下很容易滿足密封的最小壓緊力。有的嚴格試壓可能需要耗時15 d，試壓能否成功關乎頁巖氣的開采工作，也與工作人員的安全息息相關。

3 頁巖氣開采壓裂中需要的考慮問題

3.1 體積壓裂

隨著頁巖氣勘探開發進程的加深，深層復雜頁巖氣出現的概率越來越大。所謂“復雜頁巖氣”是指巖性上碳酸鹽巖的含量超過20%，構造上伴隨大量水平層理縫、紋理縫以及高角度天然裂縫（填充或未填充）的頁巖油氣儲層，其復雜性容易導致壓裂裂縫的縫高失控，進而主裂縫凈壓力大幅降低，難以實現體積壓裂的目標。此外，水平層理縫/紋理縫的溝通與延伸困難，裂縫的橫向波及體積大幅受限。在三向應力特征上，受構造應力擠壓作用，最小水平主應力可能出現與垂向應力接近的情況，此時初始裂縫起裂和擴展依然是垂直裂縫，但隨著裂縫寬度的不斷增加，主裂縫凈壓力不斷增加，主裂縫附近的誘導應力也逐漸增加，當誘導應力超過垂向應力與原始最小水平應力的差值之后，可能在裂縫擴展的中后期出現T 形裂縫的情況，即同時出現垂直裂縫和水平裂縫。由于垂向上頁巖的厚度尤其是優質頁巖的厚度只有幾十米，垂向應力在縫高方向上相差不大。一旦出現T形裂縫，則水平裂縫可能是多層的，出現多個層理縫/紋理縫同時張開的情況，這樣各種裂縫的寬度都會相應下降，出現壓裂砂堵塞的風險極高，因此需要降低施工風險，以確保壓裂成功。

3.2 合理選擇壓裂液

根據含氣頁巖礦物質含量的不同，頁巖氣井壓裂使用的壓裂液主要有氮氣泡沫、凝膠和添加適當減阻劑、殺菌劑等化學藥劑的水基壓裂液。一般情況下碳酸鹽含量較高的頁巖選擇水基壓裂液，黏土含量較高的頁巖選擇水基壓裂液和凝膠混合壓裂方式。在壓裂后排液過程中，壓裂液的返排參數對于壓裂效果影響較大，因此在選擇壓裂液時應對其成分、配方、有效期等進行分析。

3.3 清水耗費多

清水壓裂技術是指在清水中添加很少量的減阻劑、黏土穩定劑和表面活性劑，作為壓裂液進行壓裂的技術。在實際操作中，清水的使用占比較高，流失也較多，所以清水的使用量較大，會造成水浪費情況。在一些偏僻地方的頁巖氣開采本身運水難度較大，這會增加人力和時間成本增加。操作工人也需要對各種殘留的液體進行回收處理，增加資源的使用。

4 結束語

目前國內很多鄉鎮已經陸續使用上清潔的天然氣資源，人們生活質量大大提高。為了讓人們持續使用這種綠色資源，這給頁巖氣的開發工作提出了新的要求。

頁巖氣的開發能否順利進行，與工作人員的精細工作密切相關。例如，油管頭和套管頭的安裝與調試工作，對于井口裝置安全的保障起著關鍵作用，所以一定要選擇合適的組合，合理使用橡膠和金屬，并觀察注塑是否符合標準，這就要求工作人員一定要細心。

壓裂用井口裝置由不同小的設備組成，整個裝備的安全依賴每個小零件的正常安全生產與安裝。工作人員可以在井口附近搭建集裝箱制小屋，定期派人檢測設備運行情況。對井口裝備定期做好保養和維修，同時做好電子版記錄，便于信息的互通。非工作人員要遠離井口與開發區域，避免因失誤操作造成資源的破壞或給自身造成損失。