国内外高压管汇连接发展现状及趋势

张宏桥，樊春明，车昊阳，吴小雄，邓荣，王德贵

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西 宝鸡 721002；3.中国石油川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司，西安 710018）

0 引言

随着国内页岩气大规模勘探开发，丛式水平井组合“工厂化”压裂模式是页岩气井增产改造的主要方式，并将成为页岩气开发降本增效的重要手段。工厂化压裂作业期间的主要地面设备包括压裂车组、混砂设备、电缆作业设备、地面管汇等设备。地面管汇系统包括低压管汇和高压管汇，其中高压管汇是压裂施工中最易出问题的地方[1-3]。随着压裂作业规模的扩大，高压管汇的数量不断增长，而这些管汇的检测、就位、连接和安全固定目前均是人力进行，劳动强度大，危险程度高，连接方式作业时间长，增加了非生产时间，降低了效率。因此研究高压管汇连接对提升我国压裂设备制造创新力有积极作用，对我国压裂工艺提速提效具有助推作用。

1 常规高压管汇连接面临的问题

高压管汇连接将压裂车增压后的高压流体输送到井口，完成高压流体的输送任务，如图1所示的虚线区域。常规高压管汇连接主要由直管、弯管、活动弯头、阀门等部件组成，尺寸为2 in（50.8 mm）、3 in（76.2 mm）、4 in（101.6 mm）等。在现场压裂作业时，多是这些部件现场拼凑，集成化的设备较少，如图2所示。高压管汇连接都是通过法兰和由壬连接，在井口处为法兰连接，而其他区域都是由壬连接。随着压裂规模的扩大，需要去串接更多的管线。尤其随着压裂规模的扩大，这带来了以下问题。

图1 高压管汇连接示意图

图2 高压管汇连接现场图

1）工作强度大，作业时效低。井工厂压裂需要庞大的地面管汇，若压力为15 000 psi，满足流量12 m3/min的需求，严格按照SY/T 6270标准[4]，单井口须接4根3 in管线或者3根4 in管线。而实际川渝地区流量达到16 m3/min、20 m3/min[5-7]，这需要更多的管汇。这些管汇对接基本都是由壬连接，需要现场人员锤击安装，工作强度极大，部分由壬连接属于高空作业，增加了作业难度。在管汇连接好以后还要使用安全卡箍或安全软绳捆绑，并且每条管路的起点和终点使用卸扣固定，增加了安装作业时间。同时，在压裂作业期间还需要进行定期检查和维护，当由壬作业时损坏，需要更换，这又增加了非生产作业时间，进一步降低了作业效率。这些都说明现有的管汇连接劳动强度高、作业效率低。

2）安全性低。高压管汇系统采用人力锤击方式进行由壬紧固，锤击冲击力大且无法量化，易引起螺纹和密封损坏，造成泄漏。随着接管工作量的不断增加，现场连接过程中人员在高压管汇之间交叉作业，人员极易受到伤害。常规管汇橇与井口之间的区域布满了各种管道，摆放欠规范化，在组装和拆卸过程中，多个操作人员肩扛手背，锤击、交叉作业，易造成人身伤害、设备损伤，有极大的安全隐患。另外，传统管汇硬连接工况下，管件灵活性差，脉冲振动大，增加了管道内部应力，降低了管阀件使用寿命，带来较大的安全隐患。

3）成本高。除了需要提速提效外，设备本身的成本也是影响总成本的关键因素。现有的井工厂压裂需要庞大的地面管汇，这些管汇基本都是由壬连接，由壬锤击极易造成本体损坏，同时锤击产生的冲击也会使管汇产生附加载荷，降低管汇和密封寿命，增加作业成本。同时为了监测、控制这些管汇需要添加额外的设备，从现场情况来看，现有管汇连接占到整个地面设备成本的20%，减少这一部分的成本可以降低压裂开发总成本。

针对这些问题，国外公司已对高压管汇连接进行了创新性的研究和使用，并取得了不少成果。比如FMC推出了iComplete system、SPM公司推出了Simplified Frac Iron System、Halliburton公司推出了Express Kinect系统、FHE公司推出了AFE系统，可以看到，各家公司都有自己的技术路线，通过调研尚未有文章对这些新产品新技术作全面介绍，本文汇总分析这些新产品，对国产高压管汇自动化连接具有指导意义。

2 国外现状

2.1 SPM公司高压管汇连接系统

Simplified Frac Iron System是SPM公司在2017年OTC上推出的高压管汇系统[8]，它摒弃了传统的压裂连接需要许多弯管、旋转接头连接的思路，而是从直线最短和最简单即最可靠的研发思路出发，所有管线都是采用大直径直管，不采用旋转弯管接头。

如图3所示，整个系统由管汇撬、大通径管线、分流装置、单直线快接、压裂井口等模块组成，管汇撬汇集压裂车传递过来的压裂液，并通过大通径管线传递到分流装置，分流装置通过单直线快接将压裂液传递到压裂井口。整套装置只进行模块间的对接，减少84%的连接。各模块之间都采用符合API标准的法兰连接，没有一个由壬，形成标准化安装流程。整套装置额定工作压力为103.5 MPa（15 000 psi）,流量为19.5 m3/min（123 bbl/min）通径为177.8 mm（7 in）。

图3 SPM公司高压管汇连接系统

管汇撬带有齿轮辅助机构，实现管汇撬臂的旋转、伸出动作，实现单人轻松完成管汇对接工作。压裂井口可上下调节，并且其法兰可旋转，这使法兰对接工作变得容易。压裂井口上采用业界独有的7 in旋塞阀，阀门控制简单可靠，并且润滑油量为常规阀门润滑量的2%。所有管线都是大通径管线，减少弯管数量，优化管线流道，降低流道冲蚀，使用时间为传统设备的3倍以上。

同时还配备全自动润滑系统，通过润滑泵为整个系统的阀门提供远程自动润滑。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及系统的长时间使用，实现了高压区域无人化、自动化。

2.2 FMC公司高压管汇连接系统

IComplete system是FMC公司推出的高压管汇系统[9]，整个系统由管汇撬、大通径管线、分流装置、单直线快接、压裂井口、自动润滑系统等模块组成，这些模块通过软管串联起来。软管接头都采用卡箍连接，完全去除由壬。同传统连接相比，减少80%的连接，提高50%的安装速度，降低30%的成本。

分流装置与压裂井口之间的软管可做到在通径139.7 mm（5.5 in）时流量达到21.5 m3/min (135 bbl/min）。但管汇撬配置的阀门通径为177.8 mm（7 in）时，流量为19.5 m3/min(121 bbl/min），限制了整个系统的流量。管汇撬与压裂车之间的软管为3 in，长度为6 m，弯曲半径为0.7 m，单位质量为41.1 kg/m，减轻管汇对接的质量。上面提到的这些参数额定工作压力为103.5 MPa（15 000 psi）。

系统配置了自动润滑系统，自动为阀门提供润滑，不需要人去现场进行润滑操作，在阀门带压的情况下也可润滑，并记录润滑数据，实现全生命周期的管理。系统还配置了井口快速连接装置，在射孔作业时，可远程对接防喷管和井口，提高射孔效率，降低施工风险。集成控制系统远程控制阀门和井口快速连接装置，并监控阀门的状态。

图4 FMC公司高压管汇连接系统

2.3 Schlumberger公司高压管汇连接系统

Schlumberger公司也推出了2种高压管汇连接系统：一种与FMC类似，管路采用软管；另一种与SPM类似，管路采用硬管[10-11]。软管系统额定工作压力为103.5 MPa（15 000 psi），通径为152.4 mm（6 in），流量为24.6 m3/min(155 bbl/min）；硬管系统额定工作压力为103.5 MPa（15 000 psi），通径为177.8 mm（7 in）。

软管系统与FMC类似，因此主要介绍一下硬管系统，如图5所示。它将各个模块撬装化，各模块之间采用法兰连接。在一个8口井平台，使用此设备总安装时间减少60%，连接和泄漏点减少75%，压裂成本降低30%[12]。与SPM公司不同的是，它采用单管万向对接压裂井口和分流装置。单管万向装置由可承受高压的90°弯头和旋转接头组成，当分流装置和压裂安全阀安装位置出现偏差时，实现空间3个自由度的调节来保证两个装置的对接。

图5 Schlumberger公司高压管汇连接系统

整个系统的阀门都为自动闸阀，金属密封，带轴承上阀杆和自平衡下阀杆，降低启闭转矩，快速启闭，防止停留在中间位置。远程操控，并附带手动功能，提高阀门的冗余性。远程操控中心监控所有阀门的状态，并可在远程操控中心完成阀门自动切换。在压裂施工前设置好压裂参数，包括压裂工序、压力等参数。压裂时，操控中心监控流体流向是否正确，安全互锁保证阀门不过压，杜绝压裂意外事件，降低安全风险。

2.4 Halliburton公司高压管汇连接系统

ExpressKinect是Halliburton公司推出的高压管汇系统[13-15]，由高压管汇撬、大通径活动管汇、井口快速插拔装置组成。高压管汇撬与压裂车对接，井口快速插拔装置安装在压裂井口上；大通径活动管汇的一端为法兰接头，与管汇撬对接；另一端为快插接头，与井口快速插拔装置对接。快插接头与井口快速插拔装置的连接为自动对接，在第一口井使用完后，用吊车将快插接头从第一口井吊往第二口井，完成第二口井的自动对接。

常规管汇撬需要3～4个接头对接，Halliburton公司推出了全新思路的管汇臂技术，将几个接头集成在一起做成管汇臂，实现小范围的旋转和距离调整，只用对接一个接头，降低75%的泄漏风险，减轻75%的质量，实现单人轻松对接。

图6 Halliburton公司高压管汇连接系统

大通径活动管汇共有5个旋转接头，具有5个自由度，可保证快插接头在空间位置的切换，实现活动半径内任意位置的切换。它改变了传统一对一连接，形成一对多的布局，实现一套管线覆盖2口井、3口井甚至是4口井，节省地面设备成本。它开创了新的作业模式，获得2017年E&P奖，已在北美地区大规模使用[16]。

整套装置额定工作压力为103.5 MPa（15 000 psi）,流量为15.9 m3/min（100 bbl/min），通径为130 mm（5-1/8 in）。在工厂化压裂时井口切换时间可以控制在5 min之内，减少85%的由壬，并减少75%管汇连接工作量。

2.5 FHE公司高压管汇连接系统。

FracLock是FHE公司的高压管汇连接系统，是自动化程度最高的压裂活动管汇自动对接产品[17]。FHE公司是井口快速插拔装置的开创者，它开始用于射孔作业，用于提高射孔防喷装置的换装效率；通过与大通径活动管汇结合，实现射孔换装和压裂自动插拔，拉链作业上实现射孔压裂的无缝对接。

它的结构类似工程机械的天泵，将管线和折臂吊结合在一起。整套装置有5个旋转接头，通过液压马达的精确控制和控制器的算法辅助，完成了自动对接。整个装置完全脱离吊机，现场工作人员操作遥控盒实现对位，在第一次人工对位后，它可实时记录位置，在后续井口对接时实现一键式井口对接。

整个装置额定工作压力为103.5 MPa（15 000 psi）,流量为20.7 m3/min(130 bbl/min），通径为177.8 mm（7 in）。最大作业半径为12 m，可覆盖4口井。同传统作业模式比，建井成本降低24%，减少50%的设备和人员。

图7 大通径活动管汇工作原理图

图8 FHE公司高压管汇连接系统

2.6 各家产品技术参数汇总（如表1）

表1 高压管汇连接系统技术参数

3 国内发展现状

同时国内也对这些问题进行了研究，也出现了很多成果。宝鸡石油机械有限责任公司研制了105 MPa快速连接压裂管汇撬[18]，如图9左图所示。带有液压助力系统，一人可轻松完成压裂桥臂空间位置的多自由度旋转与拉伸，极大降低劳动强度。拥有足够的自由度，压裂臂可有效吸收脉动冲击，降低管汇疲劳应力。

图9 宝鸡石油机械公司高压管汇连接

宝鸡石油机械在2021年推出了压裂快速插拔管汇系统，并在2021年11月完成了工业性试验，如图9右图所示。整个装置压力105 MPa，通径为130 mm，由井口插拔装置和大通径管汇组成，平均井口切换时间在5 min内。井口插拔装置带有3层锁定技术，控制管线少、产品安全性高，大通径管汇质量轻、转动灵活、吊装便捷。

道森公司2019年推出了高压管汇连接系统，如图10左图所示。道森公司于2019年9月底完成了工业性试验，如装置额定工作压力为103.5 MPa，通径为130 mm。于2021年7月完成了高压大通径压裂管汇工业性试验，额定工作压力为139.5 MPa，通径为142.9 mm，并配备了142.9 mm远控闸阀，实现远程控制所有阀门的启闭。

图10 道森公司和中石化四机公司高压管汇连接

中石化四机石油机械公司在2021年第21届中国国际石油石化技术装备展览会上展示压裂快速插拔装置，如图10右图所示。压裂快速插拔装置压力为103.5 MPa，通径为130 mm，由井口插拔头、大通径活动弯头、法兰伸缩补偿装置等关键部件组成，实现20 min内切换不同的井口。

可以看到，国内厂家在高压管汇连接方面做出了许多新产品，但是同国外相比，国内产品只在部分管汇上实现了代替，并没有进行系统性的代替。并且缺少远控中心对自动化阀门进行集成控制，无法真正实现高压区域无人化、自动化。

4 结语

随着科学技术的发展和现场提速提效的要求，高压管汇连接向着去由壬、大通径、模块化、自动化等方向发展。

1）去由壬。由壬紧固采用人力锤击方式，锤击冲击力大且无法量化，易引起螺纹和密封损坏，造成泄漏。在大规模压裂时，国外高压管汇连接现都改为符合API标准的法兰或卡箍，降低管汇泄漏风险。

2）大通径。国外高压管汇连接内径现已普及到177.8 mm（7 in），而国内除了道森在单管万向上达到了177.8 mm（7 in），其他公司管径都只达到130 mm（5.13 in）。大通径管汇的流量等于小通径三、四根管线并接的流量，减少连接数量，降低工人工作量；减少磨损，提高使用寿命。但大通径的开发是一个系统性工程，不仅要开发大通径直管，还要开发大通径弯管、大通径阀门、大通径旋转接头、大通径快连井口装置。

3）模块化。国外高压管汇都进行模块化设计，吊装安装，只进行模块之间的对接。对接都采用API标准法兰，降低安全风险和工人劳动强度，提高产品的通用性。

4）自动化。系统的阀门都为自动阀门，配备自动润滑系统，并由远程操控中心监控和控制现场所有阀门，实现高压区域无人化、自动化，提高安全性，降低劳动强度。而国内只实现了部分代替，没有进行系统性代替，以实现整个系统的自动化。