页岩气井连续管井口快速安装装置的研制*

岳文翰， 袁文才， 杨志敏， 杨 高， 吴大飞， 段文益

（1. 西南油气田公司页岩气研究院， 成都 610000；2. 中石油江汉机械研究所有限公司， 湖北荆州 434000）

0 前 言

近年来， 国内对页岩气、 页岩油等非常规油气资源勘探开发力度不断加大， 连续管作业技术与装备以其施工过程简单快捷和安全可靠、 作业效率高、 劳动强度和作业成本低等优势在页岩气开发过程中得到了广泛的应用[1-3]。 为实现深层页岩气区块连续管作业技术与装备的进一步配套完善， 对连续管作业的人性化装备配套和作业现场效率提升方面提出了更高的要求。

在连续管作业中， 为了防范连续管带压作业时的井喷、 井口安全事故和井口污染等潜在安全风险， 通常需要在连续管注入头下方配置防喷盒、 防喷管和防喷器等井控装置[4-7]。 在连续管作业时， 井口安装方式为操作人员站在吊起的注入头底下， 采用人工连接由壬/法兰接头的方式将防喷管、 防喷器等井控装置依次逐个连接成串， 安装连接井下工具后再将注入头带防喷盒、 防喷管、 防喷器等井口装置整体吊至井口上安装[8-12]。连续管井口装置的成串连接安装需要连接近10 个由壬/法兰， 安装时间耗时2～3 h。 在吊机吊臂下进行拆装操作， 存在作业劳动强度大、 效率低、风险高的问题[13-14]， 是连续管作业过程中影响作业效率和安全的关键环节。

针对川南地区深层页岩气连续管钻塞、 射孔、 座封桥塞等作业时井口安装劳动强度大、 工序复杂、 安装时间长、 作业风险高的难题， 为推动深层页岩气长水平段连续管作业的设备配套和效率提升， 研制开发了一种连续管井口快速安装装置， 与连续管作业机配套应用， 可有效解决井控装置组串安装和拆卸的问题， 提高连续管作业在安装和拆卸环节的自动化程度和作业安全性。

1 技术分析

1.1 设计要点

要实现井口装置的快速安装要求， 必须减少井控装置的逐个人工安装连接环节， 可采用将井口装置预连接并采用专用底盘车一体式移运方式实现。 深层页岩气区域连续管作业具有配套井控装置数量多、 安装高度高、 井下作业工具串长等特点， 面临着山区崎岖道路运输、 道路运输条件限制和高空安全快速连接的难题。 因此， 连续管井口快速安装装置的设计要点主要有三个方面：①研究整体式井口装置配置对连续管作业工艺的适应性， 形成井口装置整体式移运方案； ②研究井口装置快速拆装技术， 实现井口装置的高空快速连接； ③解决井下工具的安全连接问题， 避免因吊重下人员操作造成的作业风险。

1.2 配置方案

为满足页岩气区域连续管多种作业工艺需求， 井控装置中防喷管配置 （容纳井下工具串） 需根据页岩气连续管作业工艺工具串长度确定。 通过对深层页岩气连续管钻塞、 射孔、 座封桥塞等作业工艺的工具串配置的调研[15-20]， 几种连续管作业工艺工具串配置见表1。

表1 几种连续管作业工具串配置

由表1 可以看出， 常规连续管作业工具串的长度为4～9 m， 工具串最大外径为116 mm， 为满足工具串的容纳要求， 井控装置的防喷管长度应选择9.1 m （30 ft）、 防喷管通径应选择130 mm（5.12 in）。 另外， 井控装置的配置应满足页岩气区域连续管高压作业的安全要求， 具体配置有5.12-15k 四闸板防喷器、 5.12-15k 防喷管（30 ft）和4.06-15k 双联防喷盒。

在井口装置之间采用液压连接装置在防喷盒与防喷管之间的压力段进行快速连接时， 液压连接装置需承受井口压力， 存在安全隐患。 为保障作业安全， 选择在防喷盒与注入头之间的无压力段进行快速连接的方式， 连接装置不承受井口压力， 可提高作业安全性。

通过对连续管作业工艺工具配置、 井控装置配置、 井口装置快速连接方式等方面的综合考虑， 明确了连续管井口机械化快速安装装置的整体结构和配置方案。

1.3 整机结构及参数

井口快速安装装置主体由注入头连接器、 底盘车、 举升式桁架系统、 一体式井控装置、 井控装置固定座、 工具连接平台、 液压与控制系统等组成， 整机结构如图1 所示， 主要技术参数见表2。

图1 井口快速安装装置整机结构示意图

表2 井口快速安装装置主要技术参数

2 关键部件工艺设计

2.1 注入头连接器

注入头连接器主体分为公头和母头两部分， 其中公头与注入头底部的防喷盒连接座连接， 母头与防喷盒上的法兰孔连接。 通过远程液压控制实现连接器锁爪的张合从而实现防喷盒与注入头在高空的快速锁紧连接与释放断开。 注入头连接器上配有连接状态指示装置，通过远程观察和操作实现注入头与井控设备的高空远程快速连接， 降低安装连接过程中作业人员近距离操作风险。 另外， 注入头连接器的对接部位采用锥面结构设计， 可辅助扶正注入头和井控设备的对中连接， 在注入头与地面存在一定小角度或未完全对中状态下， 也可以实现插入配合连接。 经生产厂内试验验证， 注入头连接器连接可靠， 大大缩短了连续管井口装置的组串连接时间。

2.2 井控装置固定座

在举升式桁架系统上设置井控装置安装固定座， 可满足井控装置串在桁架系统上的安装固定和固定座提升高度机械限位要求。 在固定座上设有抱紧防喷器下法兰外圆面的液压式抱爪和液压限位插杆， 可有效固定井控装置串， 防止井控装置在运输惯性作用下的窜动问题。

2.3 工具连接平台

在井控装置安装固定座的下方设置有用于连接井下工具的可回收式工具连接平台， 该平台可随井控装置固定座机械限位在举升式桁架系统上， 避免了吊重下操作的安全风险。 通过连接在固定座底部的液压绞车， 在作业时可抽出打开平台方便作业人员在平台上安全的进行井下工具串的安装连接； 在运输时可回收固定， 满足运输的安全要求； 在该平台上还可借助液压绞车进行井下工具串的吊装， 进一步方便作业人员在平台内实现井下工具串连接安装。

3 安装工序及效果

连续管井口快速安装装置在现场应用中的安装作业方式如图2 所示， 具体步骤如下： ①装置放置在距离井口半径7 m 范围内， 打开车尾支腿行程水平和稳定的平台， 将承载井控装置串的桁架系统举升至垂直状态， 打开工具连接平台；②利用吊车将穿好连续管的注入头吊至井控装置串上方， 通过注入头液压连接器实现注入头与防喷盒的高空快速连接锁紧； ③根据作业工具串的长度和连接需要， 利用吊车向上提升井控装置串带固定座达到工具安装的高度位置， 作业人员通过爬梯进入工具连接平台； ④注入头下注连续管， 使连续管通过井控装置串到达防喷器下方工具连接平台的井下作业工具连接位置； ⑤通过液压绞车提升工具到工具连接平台上， 在连续管下端头上依次分段连接作业工具串组合， 在连接过程中， 根据连接操作空间需要， 注入头沿起管方向将已安装好的工具串段收入到井控装置串中；⑥作业工具串连接安装好后， 吊车下放注入头和井控装置串， 使桁架系统上的井控装置固定座降低至起始高度位置； ⑦释放桁架系统上的防喷器、 防喷管固定限位装置， 使井控装置串达到可与桁架系统分离的状态； ⑧利用吊车将连接好作业工具串的连续管作业井口装置串 （包括注入头、 防喷盒、 防喷管、 防喷器） 整体吊至井口上方进行连接安装。 连续管现场作业完成后， 井口装置的拆卸方式与安装方式相反。

图2 连续管井口快速安装装置现场施工示意图

通过现场试验表明， 该装置可满足连续管井口装置的机械化安装和拆卸作业要求， 实现注入头与井控装置串在16 m 高空中的对中快速连接， 作业井口装置的安装时间由常规人工连接30 min （如遇连接问题， 耗时可达1 h 以上） 缩短至机械化快速连接7 min， 井口装置安装时间减少约70%， 大大降低了作业风险， 提高了作业效率。

4 结束语

连续管井口快速安装装置作为连续管作业机的配套设备， 是实现连续管安全、 高效作业的重要装置。 从长远来看， 该装置的研制有利于实现连续管作业的自动化控制， 符合石油装备及作业自动化、 人性化、 安全性的发展理念， 具有促进产业升级的显著效果和广泛的市场前景。