页岩气开发压裂用井口装置安全使用研究

徐振宇

（渤海装备辽河热采机械公司井口制造厂，辽宁 盘锦 124209）

在国内页岩气勘探速度不断加快的今天，页岩气在钻井、试气以及井下作业所用到的各种采气树、油管头、套管头都发生翻天覆地的变化，几乎隔几年就有各种新的产品。为了发挥这些产品的作用与价值，就需要标准化、专业化、规范化管理以上装置，保障勘探采油效率和管理质量。这种做法还能够有效规避运行风险，达成有效节省运行成本的目标。当然由于运行维护的管理制度目前并不健全，且油田管理缺少依据，没有统一的制造商，存在种类繁多的供应厂商型号与规格，所以页岩气井口装置在安装中遇到了很大压力。没有良好的互换性，油套环空时常窜压，为后续的石油开采以及压裂过程埋下了众多隐患，影响了安全生产。

1 基本要求

对井口装置和连接套管来说，套管头是非常重要的装置与设备。在钻井中负责防喷器和套管的连接。在完井阶段则负责将采油气井口连接到一起，能够为每一个套管柱提供密封，并将各层套管悬挂起来。通常来说，为了释放两层套管间的压力，有时候还会用套管头作为压力释放管道。有些时候，还能够用其为井内泵提供流体，为钻井工艺特殊作业提供支持。

1．1 套管头、油管头安装

在套管下放前的转盘和校正天车方面，校正天车和表层套管头、转盘三者，绝不能出现超过10毫米的中心线偏差，否则会引起偏磨情况。最上面的套管头法兰需要比井架的基础面高200±50毫米。这样才能在安装完套管头以后，在井架底座平直接出来防喷管线，减少对施工作业的影响。要做好橡胶密封圈的检查，仔细清洗，并检查其有没有损伤和裂纹。要在装入密封槽之前，将润滑油均匀地涂抹在橡胶密封圈。之后展开金属密封装置的检查，观察有没有损坏和碰伤。并根据说明书选择匹配的支撑座和密封圈。橡胶密封前需要往上面涂抹润滑油。在安装前做好套管头顶丝伸缩进长度的测量，并做好记录工作。在正式安装前，要确保所有的顶丝已经退回到顶丝孔当中。套管安装中，套管头的水平度需要小于1毫米。以免在使用中偏磨，影响到质量。可以根据扭矩对称条件，使劲拧紧螺栓。需要先行确认套管的四通试压孔位置和注塑孔位置，以防出现误操作情况，随后才可以正式安装。

1．2 套管头与油管头的法兰注塑、试压操作

1．2．1 密封圈种类

最常见的密封圈总共包括3种，套管副密封包括金属密封、P密封和BT密封这3种情况，其中金属密封大多数情况下仅仅用在个别的完井油层套管。P密封和BT密封圈要做好注塑激发橡胶变形，处理密封要求。在生产中，金属密封用金属机械变形的方法解决密封要求。

1．2．2 注塑

首先要将注塑单流阀的接口卸下来，之后将卸压工具装上，并将钢球顶开，将内部的压力全部排除掉，以防内部的压力影响到最后的注塑注入过程与质量。

其次在泄压过程中，一定要做好排除介质的观察。并将注塑泵连接上，将对方注塑接头的总成卸掉，并往橡胶密封圈中注塑。在注塑中，注入压力是非常关键的条件，要随时观察。在对称单流阀接口有溢出塑脂以后停止，不要继续注塑，并立刻将单流阀堵头拧紧。直到套管抗外挤强度和额定工作压力来到80%，此时选择二者最小值。如果此时的注塑压力过高，那么配合脖颈很有可能会被挤坏、损毁。

1．2．3 试压

（1）卸去试压接头的保护帽，之后将试压泵接上，并开始密封环形空做试压。此时试压压力的参照点是套管抗外挤强度以及密封圈部位的额定压力，同样也要选择二者当中的最小值。必须说明的是压力在不超过1MPa时，能够稳定压力30min，则表示密封合格。假设两个橡胶的密封环空出现空气，那么此时就有可能引起气室效应。这时候就要往里面补充和注入压力，直到内部的压力在小于1MPa时候，能够稳定超过30min，才算是合格。

（2）对悬挂器的密封状态进行试压。利用油管头的四通试压口做套管悬挂器、法兰、金属密封、橡胶、顶丝环空试压，额定压力以及套管的抗外挤强度在80%从中选择最小值，并进行试压，要在实践中稳定30min，并且没有其他的泄露情况，在压力没有超过1MPa的条件下，表示此时密封是合格的。

（3）在试压超过产品最开始设计给出的压力时，需要在试验前往井筒里面注入至少1/3的试验平衡压力进行试验，为的是防止出现套管变形和套管悬挂器变形情况。完成试验后，将试验环空当中的压力排泄干净。

1．3 试压塞

将试压塞坐封到套管头上腔，以此完成上方井控设备额定压力试验测试工作。

2 平板阀密封与试验

2．1 密封机理

在压裂井口装置中，平板阀是最核心的部件和装置，井筒介质的开启与截断都需要用到平板阀。在开关到位以后，平板阀需要回转，手轮为1/4至1/3之间，让平板阀保持在浮动密封条件。页岩气压裂作业中用到的办法是前座密封方法。在阀板阀座的其中一面受到压力时，此时就会受到波形弹簧预应力的作用，将进口端阀座推动到阀板的密封面，让二者充分结合。利用进口端的阀座合金面与阀板的合金面自由贴合，利用介质完成二者的密切封装。

2．2 平板阀试压

在使用中，每开关10次平板阀就需要注入一次密封脂，以免介质进入到腔内，这样才能够获得最好的密封效果，实现对密封面的润滑要求。在试压过程中，慢慢升压，直到压力到达额定工作压力以后，将其稳定15min。如果这个时候没有出现任何情况的泄露，并且压降也没有到达1MPa则表示平板阀合格。用两个方向分别做压力试验，保障试验准确性。

3 页岩气开采压裂中需要的考虑问题

3．1 体积压裂

做水力压裂的时候，体积压裂这种问题会不断扩大天然裂缝，此时很有可能会导致部分脆性岩石出现剪切滑移现象。主裂缝会引起更多的次生裂缝。随后次生裂缝会带出更多的多级此生裂缝，最后这些天然裂缝和人工裂缝共同构成了相互交融的裂缝体系，极大地增加了需要改造的体积，增大了导流能力和渗流面积。这样能够极大地提升最终采收率和初始产量。体积压裂的实现需要拥有合适的地层条件，那就是最小水平应力差需要比较小，环境为弱水敏性地层、岩石脆性系数高、天然裂缝发育。当前对于天然裂缝带给人工裂缝的影响并不充分和完善，没有明确的渗透率大小、缝网体积、工艺技术参数，无法保障作业安全。要做好这方面的研究和调查，才能够保障生产质量。

3．2 合理选择压裂液

很多页岩储层当中都有大量的水敏感性黏土矿物，这些物质在遇到水以后会迅速溶胀，并且有很大概率引发井壁坍塌问题发生，无法保障储层有效渗透。这种现象不仅会带给后期压裂巨大的负面影响和困难，同时也会影响到压裂以后提高天然气的产量，妨碍气体的有效开采、集中开采。使用压裂液的目的就是在压裂后，能够利用主裂缝连接与扩大连通其他裂缝，打造裂缝网络。改造页岩气储层能够实现这一目标，当然也需要很大的工程量，有着较高的摩擦阻力。此时就需要考虑怎样才能够减少如此巨大的摩擦阻力，以便保障储层有效渗透，提高渗透率。这时候就要精心选择合适的压裂液，通过这种做法降低后续的作业风险，并保障后面的生产中，风险得到有效控制的同时，获得良好且复杂的裂缝网络，这是开发页岩气工作人员需要重视和首要解决的情况。

3．3 清水耗费多

在生产中，清水压裂液最重要的就是水相这个成分，其中水含量达到了99%，其他的1%则是表面活性剂、减阻剂以及酸。参照具体压裂页岩气井状况得知，十几段单口水平井的压裂就需要耗费上万方的水。并且压裂后返排压裂液并不能直接再次使用。而国内很多有页岩气开采需求的地区都存在严重缺水情况。这些地区有着大量且良好的页岩气资源，但缺水的问题使得当地不能直接用这种生产方法，这是不合理的。考虑到直接打通运水通道或是从其他地区运输水的复杂程度和成本，不论是哪一种情况都不能大量使用清水。所以压裂过程中的大量清水实际上非常棘手。并且还要回收处理各种残留的液体，重复利用压裂液。

4 结语

从本文的叙述可以看到，对油管头和套管头的安装和调试，要合理选择密封结构，合理搭配橡胶与金属密封的组合，并进行封圈注塑工作。要明确平板阀使用要点与密封原理，保障井口的密封可靠性与安全性，这对顺利开采页岩气来说意义重大，效果十分明显。本文在最后分析了一些在开采页岩气时候的注意事项，希望能够保障生产质量、生产效果。