射孔快速连接井口装置技术现状及分析

张宏桥，游 娜，李妍僖，唐 凯，王前敏，牟新明

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.中国石油集团测井有限公司 西南分公司，重庆 400000)

水平井压裂已成为我国油气增产改造的主要手段，而泵送电缆桥塞多段射孔压裂是水平井压裂的主要作业方式[1-3]。现有的泵送电缆桥塞多段射孔压裂作业流程为：安装防喷管—泵送射孔—拆装防喷管—压裂—安装防喷管，如此往复[4-5]。其中，防喷管连接、拆装通常是人工来完成。由于现有井口平台高，防喷装置拆装劳动强度大，拆装效率低；而且在工厂化压裂时，作业现场是一拖二，一拖三交替作业[6-8]，这需要作业人员频繁上井口平台作业，增大了工作量；另外，在临近井压裂作业时，井内带有高压，这为现场作业人员带来潜在的安全风险。现有的井口电缆防喷系统难以满足压裂要求，迫切需要远程控制、自动对接的射孔快速连接井口装置。

1 射孔快速连接井口装置简介

射孔快速连接井口装置是一种高度集成的机械、液压一体化装置，如图1所示。

1—公接头；2—锁紧装置；3—主体。

施工人员在远离井口的控制柜前，通过操作控制面板来实现防喷管和井口装置远程自动对接和自动释放，并能快速试压和自动投球，替代了传统的人工连接防喷管和井口装置。装置公接头与防喷管连接，主体安装在电缆防喷器上，公接头被吊入主体后，锁块在液缸的推动下自动锁紧公接头与主体。与常规井口连接相比优点在于：实现了井口装置自动对接、快速试验等工序，对接时间可控制在5 min之内，提高了作业效率，降低了作业成本；在工厂化压裂作业时，不受周围井的影响，不用等待，可以随时进行井口换装作业。国外GR能源公司使用射孔快速连接井口装置后，每日的压裂段数从5.7段升高到9.5段，效率提升了50%以上[9]。整个操作都可以远程控制完成，操作人员不用在高压区域进行高空作业，降低了施工风险，也减少了操作人员的劳动强度。

2 国外典型产品

射孔快速连接井口装置具有现有常规井口连接无法比拟的优势，受到了世界石油行业的高度重视，已经有FHE、Forum、Halliburton、NOV等近10家公司开发了此产品。

2.1 FHE公司

FHE公司最早开发出射孔快速连接井口装置，它们的Riglock射孔快速连接井口装置在国外已经实现大规模工业应用，主要由锁紧装置、安全装置、指示装置，控制柜等组成[10]，如图2所示。

1—公接头；2—安全装置；3—锁紧装置；4—主体；5—指示装置；6—控制柜。

公接头进入主体后，操作锁紧按钮，锁紧装置锁紧公接头，实现防喷管与井口装置的连接。锁紧装置到位后，安全装置锁定锁紧装置，在发生液压失效、震动等意外时，保证锁紧装置不解锁。指示装置监控锁紧装置的位置和井内的压力，能实时显示锁紧状态和井内压力，并且在井内带压时锁定锁紧装置。锁紧装置、安全装置、带压互锁形成的3层安全锁定机制，有效地保证了连接的安全性。控制柜采用撬装结构，无需外接各种液压源，并能实现一拖三，即1套控制系统控制3个射孔快速连接井口装置。

公接头与主体对位时，活塞外筒在液压力的作用下向下移动，锁紧装置在活塞外筒的推动下像手一样锁紧主体。它与其他公司不同的是采用端面密封，不易磨损；但端面密封安装在主体上，更换不方便。

2.2 Halliburton公司

Halliburton公司的ExpressKinect射孔快速连接井口装置应用成熟，主要由活塞外筒，锁紧装置，端面密封等组成，如图3所示[11]。

1—活塞外筒；2—锁紧装置；3—端面密封。

2.3 Forum公司

Forum公司的HLA射孔快速连接井口装置采用推杆式压块，液压背紧，其结构如图4所示[12]。

1—自动对准公接头；2—机械指示；3—控制柜。

该装置配有自动对准堵头，可一键对位公接头；另外还配有双指示系统，除了常规的控制面板指示，还在快插井口本体上配有机械指示，操作人员可直观看到锁紧位置，这一设置符合现场人员的操作习惯。但这种结构由于锁块承受了高压产生的剪切力，对锁块的强度要求很高。

2.4 NOV公司

NOV公司于2019年推出了Elmar射孔快速连接井口装置，由公接头、液压套筒、锁块、密封、快速试压装置等组成[13]，如图5所示。当公接头与主体对位时，液压外筒在液压力的作用下向下移动，锁块在活塞外筒的推动下水平移动锁紧主体。该装置配合面为锥面，且在这个锥面上安装了密封圈，这种密封结构制造加工难度高，但密封效果好。该装置还配有集成式快速测压系统，当公接头与主体连接完成以后，快速试压，提高效率。

1—公接头；2—液压套筒；3—锁块；4—锥面密封；5—快速试压装置；6—控制柜。

3 射孔快速连接井口装置关键技术

3.1 工作原理

射孔快速连接井口装置由母接头、公接头、锁紧机构、投球器、快速测压机构以及控制系统组成。其工作原理为：装置公接头与防喷管连接，主体安装在电缆防喷器上。在进行井口换装时，吊车悬吊防喷管并带动公接头落入到主体中。操作人员在控制面板上操作控制阀，锁紧机构在液压缸的推动下锁死公接头。随后安全装置启动，锁死锁紧机构，公接头和主体完成对接。对接后打开快速测压系统，对连接处的密封进行测试，检验密封有无损坏。投球作业时，将公接头从主体上移开，投球器投球，随后公接头再与主体再次连接。

3.2 锁紧装置

锁紧装置是射孔快速连接井口装置最基础也是最关键的部分，它决定了整个产品的结构，现有产品主要有3种结构：①竖直液缸带动凸轮式旋转锁块压紧结构(如图6a)；②液压套筒推动锁块锁紧结构(如图3)；③水平液缸推动横向锁块锁紧结构(如图6b)。第1种结构结构受力好，内压产生的推力都由液缸承受，锁块受到的主要是压应力，但结构复杂，且对锁块的对中性要求较高；第2种结构由海洋井口连接演化而来，该结构应用成熟，锁块承受较小的切应力，结构合理，但是锁块在套筒内部，维护检修不方便；第3种结构横向锁块承受切应力，液缸受偏载，对锁块和液缸的材料强度要求比前2种都要高，但这种结构简单，维护方便，零配件更换可在现场快速完成。

a 凸轮式锁块

b 横向锁块

3.3 密封方式

射孔快速连接井口装置的工作压力为105 MPa，并且井口装置要不断插拔，这对密封提出了更加严格的要求。大多数厂家都采用轴向密封，即在公接头上套装密封。密封间隙越小，密封表面粗糙度越小，高压密封的效果越好[14-15]。装置的公接头进入主体是盲进，没有人工帮扶，故间隙越大越好进入。相互矛盾的需求造成密封设计的困难。从现场应用的情况来看，公接头进入主体时常刮伤密封圈，轴向密封更易检查和更换。Halliburton公司采用了端面密封，密封安装在主体上，这种布置密封圈不易被刮伤，但在后期维护时要爬高进行更换。

3.4 高压抗硫材料

射孔快速连接井口装置必须有一定的抗硫化应力裂纹的能力，根据MR0175标准[16]，在硫化氢环境中普通合金钢硬度不能超过22 HRC，意味着机体材料强度最高只能到517 MPa，若采用这种合金钢则整个装置特别笨重，安装使用都不方便。抗硫高强度镍基合金的成本是普通合金钢的几十倍，会导致装置的成本成倍的增长。因此，寻找合适的耐硫化氢钢材是一道难题。

3.5 安全装置

射孔快速连接井口装置属于井口设备，须有冗余安全性，必须考虑液压失效、振动等情况下如何实现安全互联。国外现有的产品都添加了安全装置，例如FHE公司的Riglock射孔快速连接井口装置。安全装置相当于二次锁紧，在锁紧装置上再添加一道锁紧，保证装置在液压失效、振动等意外情况下不解锁。FHE和NOV公司的装置设置了带压互锁功能，主体上设置有压力传感器，只要监测到井内有压力就无法解锁，提高了装置的安全性。

3.6 控制系统

因射孔快速连接井口装置的耐压、承载能力都很大，故整个作业都要在远离井口的位置自动操作完成，即都能通过远程控制柜来实现。远程控制柜除了完成自动连接、快速测压、自动投球功能外，还需要完成锁紧锁定、位置检测、带压互锁等功能。FHE、Forum、NOV公司的产品均采用液压系统，液压源通过柴油液压泵或者柴油空压机带动气动增压泵来实现。控制柜采用撬装结构，能进行一对一控制，也能实现一拖三控制。

4 结语

国外射孔快速连接井口装置已逐渐发展成为成熟的射孔压裂工具，FHE、Halliburton、Forum、NOV等国际知名公司已经开发了能满足现场应用的射孔快速连接井口装置，并已在现场应用。国内还没有这方面的应用记录，建议国内生产厂家尽快开展射孔快速连接井口装置的研发，缩小与国外的差距。