页岩气开发压裂用井口装置的安全使用研究

雷广财，杜志勇，王剑飞

（中国石油集团渤海石油装备制造有限公司辽河热采机械制造分公司，辽宁盘锦 124000）

0 引言

页岩气勘探工作内容复杂，主要包括：井筒和井口闸门试压；复杂情况下试挤和洗井等压裂作业；等孔径均衡射孔弹、液压坐封工具、桥塞泵送和配合微地震导爆作业等电缆作业；连油通井、连油射孔、探钻塞、处理井下复杂、压裂期间连油待命等连续油管作业；压裂期间地面流程配合和压后排液测试等试油配合及试气作业。页岩气在钻井、试气以及井下作业所用到的采气树、油管头、套管头等种类较多，且更新换代频繁。开发页岩气工作十分重要且具有危险性，所以各种装置一定要非常专业、标准。但是实际上装备制造商供应商目前无法做到统一，也就无法保障页岩气井口装置安全的权威性。这不仅不利于页岩气长期、大面积开采，在压裂过程中可能还会埋下许多隐患，阻碍安全生产的进行。

1 基本要求

施工前，工作人员一定要制定好页岩气井压裂施工设计，压裂队施工时一定要符合压裂施工要求并让相关方做好配合。页岩气开发压裂用井口装置指的是安装在油管头之上的采气井口装置，油管头是否结实可用，也在影响井口装置的使用寿命。井口装置的主要结构有油管挂、盖板法兰、阀门及仪表、异形四通、双法兰短接和Y 形三通等，每个配套都非常关键，出厂合格才能组合出一个符合标准的井口装置。套管头也很重要，连接防喷器和套管，帮助连接采油气井口通过达成悬挂效果来密封套管柱，所以工作人员要细心做好连接工作。

1.1 油管头与油管的连接方法

油管接箍在油管悬挂器的里面，负责载重油管，油管悬挂器要支撑油管接箍，油管头负责支撑油管悬挂器，两者互为支撑。同时，有密封圈密封油管接箍与油管悬挂器。油管悬挂器与油管头之间也需要密封，防止油管接箍转动或移位，影响油管悬挂器的稳定。

安装油管头时，有的可以直接把管插进去，有的不好插进去，可以先试着用火烧一下管头，但要注意不能烧过。安装一定要正确，保证后续工作的顺利开展。

1.2 法兰注塑与试压操作

（1）套管头。套管头是套管和井口装置之间的重要连接件。它的下端通过螺纹与表层套管相连，上端通过法兰或卡箍与井口装置或防喷器相连。套管头有单级、双级和三级套管头3 种类型，它必须满足钻井作业以及生产过程中的地层压力控制要求。

（2）注塑。法兰（Flange）又叫法兰盘或凸缘盘，是使管子与管子相互连接的零件，连接于管端。管头属采油树附件，作用是悬挂下入井中的油管、井下工具，密封油套环形空间；可以为下接套管头、上接采油树提供过渡；通过油管头四通体上的两个侧口，完成注平衡液及洗井等作业。

（3）试压。页岩气高压试压注脂两用装置，涉及石油机械技术领域，包括箱体和注脂枪筒。箱体旁设有一个储液箱，箱体上设有试压泵头和压力表，试压泵头上有压力表及快速接头和一个可加长压杆。注脂枪筒连接一个卸荷阀，注脂枪筒和试压泵头通过一高压胶管连接，注脂枪筒内还设有活塞，高压胶管上还设有散热装置。本实用新型专利技术采用一体化设计，方便运输与使用，能有效防止零部件丢失。与常规的压力表单用接头连接相比，将压力表安装在试压泵头上试压更加方便安全，且压力可高达140 MPa。高压胶管上设有散热装置，可以防止胶管老化破裂，提高装置的使用寿命。

1.3 完井

完井方法可以采用桥塞/射孔联作，优势是风险低、能承受高温高压，缺点是需要连续油管待命，等待时间长。另外一种方法是采用滑套/封隔器，其优点是井壁自然裂缝不受破坏，缺点是砂堵时难处理。

2 平板阀密封试验

2.1 密封机理

页岩气井采用的套管气密封螺纹接头，包括同轴的套管接箍和套管。它们的连接方式是：套管接箍套装在套管外，二者螺纹配合；沿套管的轴向，套管接箍和套管的接触部分为依次连接的第一接触部分、第二接触部分和第三接触部分；第二接触部分中，套管的外螺纹承载面和套管径向之间的夹角为－3°，套管的外螺纹导向面和套管径向之间的夹角为12°。

该接头采用小负角度承载面来提高螺纹牙的抗拉伸性能，适于页岩气井长距离水平及大狗腿度井眼套管下入过程的上提操作，适于我国页岩气藏埋藏较深的特点；螺纹牙型采用低正角度导向面，易于螺纹对扣、上扣，具有抗粘扣优点，同时兼顾了增加螺纹抗压缩载荷的作用，适于页岩气井长距离水平及大狗腿度井眼套管下入过程的下压操作。

无论是第一接触部分还是第二接触部分，齿顶和齿底之间均设置有间隙，且导向面之间也设计有间隙，大的间隙能有效降低外螺纹牙载荷，减小螺纹牙变形量，提升抗粘扣性能。在第三节接触部分中，根据装配要求，套管接箍分为4 个部分，套管分为两个部分，且各自相匹配，已形成不同的对应结构。弧面段和部分牙槽及过渡段之间均设置缝隙，且限定了部分牙槽和过渡段共同的长度，方便储存上扣螺纹脂，螺纹加工退刀，并提高了接箍危险截面的承载面积。弧面段和锥面段相接触，形成紧密的密封结构，提高密封性能，形成高斯分布密封接触压力，并使得密封接触部位远离台肩，降低上扣过程的机械碰伤风险，在复合载荷的作用下保持密封接触压力和宽度，提高页岩气井压裂载荷循环及非均匀外挤、剪切载荷条件的水密封性能，满足页岩气井生产阶段的气密封性能要求。采用低负角度台肩，保证螺纹接头机械性能，控制鼻端变形，并降低应力集中，提高接头抗压缩性能，兼顾接头密封稳健性，便于上扣位置控制及提高抗过扭矩性能，易于清洗。

公扣齿顶大间隙结构提高上扣顺畅性，有效保护外螺纹螺牙。不完整螺纹牙槽有效保证密封部位螺纹脂合理分布，兼顾螺纹加工退刀，并提高接箍危险截面面积。弧面—锥面金属密封面实现高斯型接触压力分布，提高密封面抗粘扣性，降低上扣密封面机械损伤风险，并保证接头在拉伸、弯曲及非均匀载荷状态下的密封性能。低负角度台肩加工便捷，有效控制螺纹鼻端变形，提高密封面密封稳健性，提高抗过扭性能，便于螺纹清洗。接头内表面相平保证接头部位管体内部流体流态稳定，提高抗冲蚀性能。另外，套管外螺纹与套管内螺纹的管体对接口处设计有扩张的锥面，与接箍内表面交界处平齐，提高接头内表面的抗流体冲蚀性能。

该特殊螺纹接头可以适应不同外径、壁厚及钢级的套管，采用数控机床加工，套管接箍的内螺纹涂镀层厚度控制在15～25 μm。上扣时两端均匀涂抹通用套管螺纹脂，夹持螺纹靠近管体侧和接箍靠近工厂端侧，现场采用最佳控制扭矩上扣。

2.2 平板阀试压

平板闸阀是燃气管道近年来才开始使用的通用型阀门，全通径时流阻小，两边的密封由聚四氟乙烯或橡胶O 形环压紧在闸板上形成。在外加压力F0的作用下，招牌的初压缩量为对夹升降式止回阀。当盲板受到内压作用时，招牌被放松回弹、压缩量减小，放松到一定程度时会出现泄漏，在密封曲线上这一点即为密封所需的最小压紧力。在生产过程中，只要旋启式止回阀合理选择了密封垫，在盲板刚性良好的情况下很容易满足密封的最小压紧力。有的严格试压可能需要耗时15 d，试压能否成功关乎页岩气的开采工作，也与工作人员的安全息息相关。

3 页岩气开采压裂中需要的考虑问题

3.1 体积压裂

随着页岩气勘探开发进程的加深，深层复杂页岩气出现的概率越来越大。所谓“复杂页岩气”是指岩性上碳酸盐岩的含量超过20%，构造上伴随大量水平层理缝、纹理缝以及高角度天然裂缝（填充或未填充）的页岩油气储层，其复杂性容易导致压裂裂缝的缝高失控，进而主裂缝净压力大幅降低，难以实现体积压裂的目标。此外，水平层理缝/纹理缝的沟通与延伸困难，裂缝的横向波及体积大幅受限。在三向应力特征上，受构造应力挤压作用，最小水平主应力可能出现与垂向应力接近的情况，此时初始裂缝起裂和扩展依然是垂直裂缝，但随着裂缝宽度的不断增加，主裂缝净压力不断增加，主裂缝附近的诱导应力也逐渐增加，当诱导应力超过垂向应力与原始最小水平应力的差值之后，可能在裂缝扩展的中后期出现T 形裂缝的情况，即同时出现垂直裂缝和水平裂缝。由于垂向上页岩的厚度尤其是优质页岩的厚度只有几十米，垂向应力在缝高方向上相差不大。一旦出现T形裂缝，则水平裂缝可能是多层的，出现多个层理缝/纹理缝同时张开的情况，这样各种裂缝的宽度都会相应下降，出现压裂砂堵塞的风险极高，因此需要降低施工风险，以确保压裂成功。

3.2 合理选择压裂液

根据含气页岩矿物质含量的不同，页岩气井压裂使用的压裂液主要有氮气泡沫、凝胶和添加适当减阻剂、杀菌剂等化学药剂的水基压裂液。一般情况下碳酸盐含量较高的页岩选择水基压裂液，黏土含量较高的页岩选择水基压裂液和凝胶混合压裂方式。在压裂后排液过程中，压裂液的返排参数对于压裂效果影响较大，因此在选择压裂液时应对其成分、配方、有效期等进行分析。

3.3 清水耗费多

清水压裂技术是指在清水中添加很少量的减阻剂、黏土稳定剂和表面活性剂，作为压裂液进行压裂的技术。在实际操作中，清水的使用占比较高，流失也较多，所以清水的使用量较大，会造成水浪费情况。在一些偏僻地方的页岩气开采本身运水难度较大，这会增加人力和时间成本增加。操作工人也需要对各种残留的液体进行回收处理，增加资源的使用。

4 结束语

目前国内很多乡镇已经陆续使用上清洁的天然气资源，人们生活质量大大提高。为了让人们持续使用这种绿色资源，这给页岩气的开发工作提出了新的要求。

页岩气的开发能否顺利进行，与工作人员的精细工作密切相关。例如，油管头和套管头的安装与调试工作，对于井口装置安全的保障起着关键作用，所以一定要选择合适的组合，合理使用橡胶和金属，并观察注塑是否符合标准，这就要求工作人员一定要细心。

压裂用井口装置由不同小的设备组成，整个装备的安全依赖每个小零件的正常安全生产与安装。工作人员可以在井口附近搭建集装箱制小屋，定期派人检测设备运行情况。对井口装备定期做好保养和维修，同时做好电子版记录，便于信息的互通。非工作人员要远离井口与开发区域，避免因失误操作造成资源的破坏或给自身造成损失。