压裂井口管汇连接技术分析及对比

张青锋，张宏桥，王前敏，白兰昌，王志喜，秦雪飞，刘 鸣

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.川庆钻探工程有限公司井下作业公司， 成都 610000)

大型压裂作业需要配置必要的辅助设备才能完成整个流程，辅助设备主要包括：混配装置、储液装置、储砂输送设备、压裂井口管汇连接。随着国内大型压裂作业规模的扩大，施工排量在不断提升，现有高压管汇连接数量成倍数增加，连接工作量成倍增加，作业时长增加，作业效率降低。同时现有管汇系统都为由壬连接，由于由壬连接无法量化，易引起螺纹和密封损坏，造成泄露。随着管汇量的增大，泄漏点也增多，这带来了较大的安全隐患，因此压裂井口高压管汇连接已成为制约大型压裂提速提效的一个短板[1-3]。针对这个短板，国内外推出了一些新技术，主要有大通径单通道井口连接装置、压裂井口快速连接装置、大通径软管等先进技术。本文对这些新技术以及常规井口管汇连接进行了对比分析，总结出各个技术的优势和不足，可针对不同的现场工况选用不同的技术，有利于国内压裂井口管汇连接的研究。

1 常规井口管汇连接技术

高压管汇将压裂车增压后的高压流体输送到井口。按照流体的流向和高压管汇的功用，将高压管汇分为2个部分：A区和B区，如图1所示。区域A为压裂车与管汇撬的对接，完成压裂液的汇集。在区域A，快接管汇撬产品已在国内现场实现大规模应用[4]；区域B为管汇撬到井口，完成压裂液分流到井口的任务，称为压裂井口管汇连接。在区域B，国内采用的都是常规管汇连接方式。

图1 高压管汇连接分区示意

常规井口管汇连接是由直管、弯管、接头、阀门等连接而成。这些连接大多数是由壬连接的，需要现场人员锤击安装，部分由壬连接属于高空作业，增加了作业难度。在小规模作业时，管汇连接的工作强度尚可，并且可根据现场现有管汇灵活配置，方便快捷。随着压裂规模的扩大，高压管汇的连接数量呈倍数增加，意味着连接工作量翻倍、非工作耗时占比明显、安全性风险成倍增大、成本也不断提高。

2 管汇连接新技术

2.1 大通径单通道井口连接装置

大通径单通道井口连接装置是将快连管汇撬到压裂井口之间的管线进行汇集，用大通径管线代替多股小通径管线。大通径阀门代替多个小阀门，减少接头数量，降低连接工作量和安全风险，如图2所示。FMC公司、SPM公司、Schlumberger公司都是这种技术路线。

图2 大通径单管道管汇连接

2.1.1 工作原理

大通径单通道井口连接装置如图3所示，整个系统由压裂安全阀、大通径管汇、分流装置3部分组成[5]。分流装置与管汇撬汇集过来的管线对接，压裂安全阀与压裂井口对接，大通径管汇将分流装置与压裂安全阀串接起来。各模块都集成在模块化撬上，在每个撬的末端仅有1个法兰接头，整个装置只对接4次法兰接头，减少80%的连接。

1-压裂安全阀；2-大通径管汇；3-分流装置。 图3 大通径单管道井口连接装置

整个系统的阀门都为自动阀门，可远程操控，并附带手动功能，提高系统的冗余性。同时还配备了全自动润滑系统，通过泵注润滑液，为整个系统提供远程自动润滑。通过自动阀门和自动润滑系统，可在远程操控中心完成阀门切换以及系统的长时间使用，实现高压区域无人化、自动化。

2.1.2 关键技术

1) 法兰快接技术。各撬装模块位置固定后进行法兰对接，由于固定位置的偏差，需要对法兰做调整才能完成对接。为了快速地将法兰对接好，各家都推出了自己的专利技术。①单直线压裂接头：如图4a所示，压裂安全阀与压裂井口对接时连有调整接头，此调整接头可上下移动并绕中心轴旋转，这使压裂安全阀可上下移动且能旋转，保证法兰快速对接[6]；②单管万向装置：此装置由90°弯头和旋转接头组成的，当分流装置和压裂安全阀安装位置出现偏差时，实现在空间3个自由度的调节来保证2个装置的对接，如图4b 所示[7]。

图4 法兰快接技术

2) 大尺寸阀门。由于管汇为大通径，需要匹配相应的大尺寸阀门，并能由执行器驱动，实现全自动推进。SPM公司推出了177.8 mm(7英寸)旋塞阀，驱动简单，维护方便。FMC公司推出了177.8 mm(7英寸)截止阀[8]，Schlumberger公司推出了177.8 mm(7英寸)低转矩闸阀。

2.1.3 技术特点

1) 相比于传统的由壬连接，大通径单通道井口连接装置连接整齐，有迹可循，减少占地面积。

2) 所有管线都是大通径管线，流道摩阻降低，提高使用寿命。据SPM调研，大通径管线可降低70%的流道冲蚀，使用时间为传统设备的3倍以上。

3) 整个装置没有由壬，采用符合API标准的法兰，连接扭矩可控，降低潜在泄露风险。

4) 整个装置都为全自动阀门，不用人操作，减少阀门倒换的工作量和人工出错的风险。

5) 在单井口上整个装置只用连接4个法兰，且连接好以后不需要绑带操作，降低现场工作量。

2.2 压裂井口快速连接装置

压裂井口快速连接装置在大通径单通道井口连接装置的基础上更进一步，1套管线覆盖多口井，完全改变传统的一对一连接，形成一对多的布局，如图5所示。Halliburton公司、NOV公司、FHE公司都是这种技术。

图5 压裂井口快速连接装置连接布置

2.2.1 压裂井口快速连接装置简介

压裂井口快速连接装置由井口连接装置和大通径活动管汇撬组成[9]，如图6所示。在现场应用时，井口连接装置安装在压裂井口上，大通径活动管汇被吊放在合适的位置上,将大通径活动管汇的一端与管汇撬对接，另一端快插接头端吊至一口井口，与连接装置自动对接后进行一口井的压裂。完成第1口井的压裂后，快插接头自动松放，吊至第2口井进行第2口井的压裂，以此类推完成多口井的压裂。

图6 压裂井口快速连接装置

整个作业过程，只用人工进行井口对接和管汇撬的对接，其余对接工作都为自动对接，降低了管汇连接工作量。根据Halliburton调研[11]，当常规的双井压裂作业时，大约需要170个连接头，其中还有12个是高空作业。而采用压裂井口快速连接装置后，只用了36个接头，而且这些接头都是连接好的，泄露风险低，连接整个管汇也只需一个接头。

FHE公司开发了一种新的全自动压裂井口快速插拔装置[11]，将高压管汇和起吊装置结合在一起，如图7所示。在每个高压管汇的旋转接头处连接有液压马达，通过控制器将5个液压马达联动控制，实现插拔头在空间任意位置的切换。控制器可记录12个位置，在第1次使用后，控制器记录此位置，重复压裂时一键式完成井口对接。此装置不用吊车司机在每次井口切换时进行对位操作，降低了现场工作量。由于只布置了一条大通径活动管汇，因此相比前面的产品，还需要进行管汇撬与压裂井口快速插拔装置之间的对接，增加了管汇对接工作量。

图7 FHE公司压裂井口快速连接装置

2.2.2 关键技术

1) 井口插拔装置。井口插拔装置是高度集成化的机电液一体化设备，是实现自动插拔的关键设备[12]。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，此结构紧凑，受力合理，但结构复杂；②水平液缸推动横向锁块锁紧结构，此结构操作维护简单可靠，现场维护时间可控制在15 min之内,但锁块承受切应力，液缸受偏载，对锁块和液缸的材料强度要求高；③液压套筒推动锁块锁紧结构,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。同时密封、控制系统、安全装置也是此设备成熟与否的关键。

2) 大通径活动管汇。大通径活动管汇需要承受内压并灵活转动。在通径增大后，密封摩擦的阻力增大，管线的轴向载荷增大，因此现在多采用滑动轴承来来克服这些阻力，以此增加轴承的承载能力和转动灵活性。在密封上，除了常规的旋转密封，NOV公司采用防挤出高压密封，接头在没有内压或工具辅助状态下可以灵活旋转，如图8所示。并配有专用密封更换工具，密封损坏时，可允许密封在外面更换，而不需要从系统中拆卸管道，可以最大限度的减少停机时间。

图8 NOV公司大通径活动管汇

2.2.3 技术特点

1) 相比于大通径单通道井口连接装置，压裂井口快速插拔装置装拆工作量更少。以3口井为例，大通径单通道井口连接装置需对接12个法兰，而井口快速连接装置只需对接4个法兰，安装和拆卸工作量减少75%；

2) 压裂井口快速连接装置实现1套管线覆盖多口井，减少设备用量，降低设备成本；

3) 压裂井口快速连接装置可实现射孔换装和压裂管汇自动插拔，在拉链作业时实现射孔压裂的无缝对接，工作效率高[13]。

2.3 大通径软管技术

不论是大通径单通道井口连接装置，还是压裂井口快速连接装置都应用了软管，这些装置其实都可以用软管全面代替硬管，由于软管的特殊性，本文对软管技术进行单独介绍。

2.3.1 软管应用

FMC公司推出了WellFlex技术，将压裂井口和分流装置连接在一起，连接数量降低了80%，安装时效提高了50%。其额定工作压力103.5 MPa(15 000 psi)，通径139.7mm(5.5英寸)，流量21.5 m3/min(135 bbl/min)，线质量107.1 kg/m，远低于硬管的质量。国外Schlumberger公司推出了MonoFlex技术[14]，替代单管万向技术，完成在压裂现场的应用，如图9所示。其额定工作压力103.5 MPa(15 000 psi)，通径152.4 mm(6英寸)，流量24.6 m3/min(155 bbl/min)，流速达到22.6 m/s，远高于硬管规定的12.2 m/s。

图9 Monoflex软管现场应用

FORUM公司则是更进一步，不仅实现了用软管对管汇撬的全面替代，更在压裂井口快速连接装置实现成功应用[15]，如图10所示。同硬管相比，软管方式减少旋转连接高达94%，简单可靠；由于没有90°弯管的流体流向急剧变化，主管汇冲蚀减少，使用寿命延长。

图10 FORUM公司软管应用

2.3.2 关键技术

软管由骨架层、内衬层、铠装层、外保护层等组成。骨架层和铠装层主要提供强度保证，内衬层和外保护层主要用来密封隔离内部输送流体与外部环境。每1层选用的材料和技术不同，软管性能就不同，因此各家的产品性能差异很大。

如表1所示，在152.4 mm(6英寸)内径时，Schlumberger公司的产品可达到24.6 m3/min(130bbl/min)，而NOV公司产品只能达到19.1 m3/min(120 bbl/min)[17]。管子的弯曲半径差异很大，在152.4 mm(6英寸)内径时，Schlumberger公司的产品弯曲半径为121.9 cm(4英尺)，NOV公司的产品弯曲半径高达179.8 cm(5.5英尺)。还能看到FMC的WellFlex和FORUM的Serpent流量基本相等，WellFlex的内径小于Serpent，但弯曲半径却比Serpent的大。

表1 各品牌软管技术参数

2.3.3 技术特点

1) 硬管厚度需要专用设备才可以检出，而软管的厚度可由颜色来区分，维护难度降低。例如NOV的FlexConnect，软管颜色已标准化，红色代表75%的原始厚度，黄色代表50%的原始厚度，绿色代表25%的原始厚度，现场人员可直接根据颜色判断软管的磨损程度。

2) 对软管的对接进行了优化，除了传统的由壬，都采用符合API标准的法兰和卡箍。FORUM公司的Serpent产品还对软管和接头的连接进行优化，可现场拆卸安装，降低现场更换接头维护难度。

3) 由于软管不会出现流速的急剧变化，流体流动更平缓，且内部材料可优选耐磨更好的橡胶材料，因此使用寿命更长。

4) 硬管多采用锻件，生产时间长，而软管虽工序复杂，但可自动化生产，生产效率高，随着使用量的增加，软管的成本要优于硬管。

3 结论

1) 常规管汇连接在小规模压裂时,连接便捷。但随着压裂规模的扩大，高压管汇的连接数量呈现成倍的增加，采用常规管汇连接，现场布局乱、工作强度大、作业时效低、安全性低、成本高。

2) 大通径单通道井口连接装置相比于传统的由壬连接，在大规模压裂作业时，前者更占优势，连接整齐，而且占地面积少；流道摩阻低，使用寿命长；连接扭矩可控，减少潜在的风险；现场接管工作量低，不用人工倒换阀门，劳动强度低，安全程度高。但是，大通径单管道井口管汇装置需单独配备快连井口装置才能实现射孔换装的自动对接，需增加额外的成本。

3) 压裂井口快速连接装置相比于大通径单管道井口连接装置，装拆工作量更少；减少设备用量，降低设备成本；可实现射孔换装和压裂自动插拔，在拉链作业时实现射孔压裂的无缝对接，现场工作效率更高。但是，受限于大通径活动管汇的回转半径，在回转半径外需布置第2套装置，会出现设备富余的情况。

4) 大通径软管相比于硬管，软管的厚度可由颜色来进行区分，维护难度降低；软管中流体流动更平缓，且内部材料可优选耐磨更好的橡胶材料，使用寿命更长；可自动化生产，随着使用量的增加，软管的成本要优于硬管。