高性能压裂井口设备技术和产业化研究

摘 要：作为一种重要的非常规天然气资源，我国页岩气可开采量达36万亿立方米，居世界第一。为了规模化开发储量丰富的页岩气藏，需解决相关的技术和装备难题，而压裂技术是页岩气开发过程中的最核心技术，离不开一套高性能压裂井口设备的支撑。介绍了适用于复杂地质环境和储藏条件的页岩气采收和增产的成套井口装备及关键部件，包括压裂闸阀、压裂井口装置和采气树、压裂管汇的技术要求，以及产业化需解决的难题，并预测市场前景。

关键词：页岩气；压裂；井口设备；产业化

引言

压裂、采气是页岩气整个开发過程中技术含量最高、工艺最复杂的环节，涉及的设备也很多，其中压裂井口装置和采气树设备、压裂管汇是压裂、采气作业过程中必不可少的关键装备，担负着钻井完井后井口固定、流体压力监测和控制、采气作业以及压裂液的输送、供给，设备需具备在超高压、高低温及酸性高腐蚀等复杂恶劣条件下安全可靠工作的能力；闸阀是压裂设备中的关键部件，需满足在压裂作业过程中耐高压、耐腐蚀、密封可靠、开关迅速的要求，从而实现对油气流体的有效控制，避免因功能失效而导致流体泄漏对人员、设备和环境造成危害。

1 国内外发展概况及趋势

1.1 国内外发展概况

国外目前实现页岩气商业化开采的只有美国和加拿大，其中美国是商业化开采最早、技术最成熟、装备最先进及齐全的国家，目前已进入页岩气开发的快速发展阶段。加拿大是全球第二个实现页岩气商业化开采的国家，目前处于发展阶段。在压裂井口装置、压裂树、压裂管汇和压裂阀门设备方面，美国产品技术性能高、质量稳定、使用寿命长，并可满足多种复杂工况条件，目前正向结构简化、功能集成、使用高效便捷方向发展。加拿大技术和装备水平落后于美国，且多采用与美国厂商合作并引进其相关设备的方式，目前也已基本能满足多种页岩气井的开采需要。

页岩气开发装备市场因其技术门槛较高，目前国内主要生产企业数量偏少，尤其是用于水平井分段压裂技术的超高压大口径压裂装备，能够自行研发和制造的企业为数不多。作者所在单位有多年的此类设备设计、制造和销售经验，工艺和设备精良，在产品技术性能和价格等方面具有自己的优势。

1.2 发展趋势

随着技术的发展，页岩气的开发逐渐向高压力、大排量、高砂比、多级压裂、多井次、混合工艺、低污染等方向发展，从而实现大规模、高效率开采，降低单位产量开采成本，便于页岩气资源商业化应用.因此，驱动压裂井口设备和关键部件向更高工作压力（20000Psi以上）、高性能级别（PR2级）、高可靠性、长使用寿命和高性价比方向发展。

2 设备的技术要求

页岩气属于非常规天然气，因其自身低产、低渗透深赋存等特点，使得其开发开采装备技术要求比常规天然气明显高出一截，主要体现在以下几方面：

（1）页岩气资源大多需采用压裂增产作业进行开采，因此设备需具有超高工作压力，达到15000～20000Psi。

（2）设备需具有优秀的气密封性能，以防止可能富含的H2S等有害流体泄漏造成人员、设备和环境危害。

（3）设备本身需具有较强的耐高腐蚀性，以防止被可能富含的H2S、CO2等酸性气体腐蚀，造成设备故障或损坏，影响现场开采作业。

（4）为满足多种压裂工艺，以及大排量、高砂比、多井次的压裂作业要求，设备必须具有高可靠性、易维护性和较长的使用寿命。

3 产业化需解决的技术和工艺难题举例

（1）设备在高、低压条件下具备气泡级密封能力

需研发高性能的闸阀关键位置密封机构和密封件，保证可靠气密封，使设备达到零泄漏。

（2）可快速关闭的高安全性液动安全阀的设计

需研发传动更加平稳可靠、关井更加迅速的液动安全阀，为现场开采作业时的井口及压裂装置提供安全保护。

（3）压裂设备重要金属圆环薄壁件的精密加工工艺

压裂设备中的高精度金属薄壁件加工是保证产品质量的关键技术之一，如压裂液回流管汇上的滤沙件是典型的圆环薄壁件，其外圆公差0.06，同轴度要求0.1，零件最薄处的壁厚仅2.25mm，且外圆表面上有多处斜槽和侧孔，加工难度相当大。

（4）用于HH级压裂设备及关键部件的耐蚀合金内腔堆焊工艺

HH级耐腐蚀高端井口设备的制造需解决深孔内径堆焊的技术难题，从而突破国内内腔堆焊技术的落后和依赖进口的局面。

（5）压裂井口装置关键密封件喷涂工艺

压裂井口装置关键密封件表面的耐磨性、耐蚀性和平面度要求极高，需通过先进喷涂工艺进行解决。

4 解决方案

4.1 实现高、低压条件下气泡级密封的关键密封机构的研发

研发具有自主知识产权的双锥面密封环、复合式双锥面密封环和高性能非金属封件，实现了关键部位的可靠密封，为金属密封井口装置、采气树及含有毒气体的气藏用设备设计制造提供了技术保障。双锥面密封原理是采用合理角度（最佳角度15°）使金属密封环实现高压压力自密封、低压预紧密封；非金属密封件是在国外先进蓄能圈基础上创新设计了蓄能、强制和压力自密封相结合的结构，保证了气泡级密封，使设备达到零泄漏。

4.2 可快速关闭的高安全性液动安全阀的设计

液动安全阀的设计采用正反旋同轴等高组合式弹簧结构，通过采用组合弹簧使最小安装空间下获得最大的弹簧驱动力，在临近关阀终了时，阀门可以成功的剪切7/32"测井线钢丝绳（其平均剪切力1.5吨力），使安全阀传动更加平稳可靠，关井更加迅速，最快可达11秒（国内同类产品一般为13秒），为复杂井口及压裂装置提供了更安全的保护。

4.3 压裂设备重要金属薄壁件的精密加工工艺

针对高精度圆环薄壁件的质量要求，研发团队经过艰难的思索和技术攻关，终于研究、试验出一套方便易行的工艺方法，即在不增加其它专用加工设备的前提下，充分利用数控车床、加工中心等自动化加工装置，应用专门设计的三个工装，实现精确加工圆环薄壁型关键金属零件，使之尺寸精度达到图纸要求，且不发生变形，上述难题得以成功解决。

4.4 用于HH级高端井口压裂设备及关键部件的热丝TIG内腔堆焊工艺

为了满足HH级高端井口设备的制造工艺要求，采用预热焊丝，结合功能强大的编程控制系统FPA9000，研究试验一种高效而且高质量的焊接工艺，从而解决深孔内腔堆焊耐蚀合金的技术关键，最小堆焊内径达到35mm，堆焊深度达到2000mm，热影响区小，母材稀释率减少60%，焊接速度是普通TIG焊的两倍，为制造高压、腐蚀性强等恶劣条件的高端HH级油气井口装置及压裂树等设备提供技术支撑。

4.5 压裂井口装置关键密封件超音速喷涂工艺

采用先进的超音速热喷涂技术，密封件表面预热后，利用先进喷涂设备把合金粉末熔融以超音速的速度喷涂在密封件表面上，在密封件表面形成合金层，再通过精密研磨最终形成高性能密封面。

5 产业化实施过程概述

由于使用时的恶劣工况，设备必须具有很高的耐腐蚀性，同时还要承受高压甚至超高压的工作压力，因此要求主要零件必须具备较高的综合机械性能，一些关键零件表面还要求具有高耐磨，高硬度以及自润滑表面等特性，且这些特性均需满足相关的API认证要求，因此需采取先进的机加工、研磨、抛光、镀镍磷、PT探伤、MT探伤、精加工等多个工序，方可满足设备特性需求。总体生产流程为：原材料为优质钢材，经过锻造后形成毛坯，通过对毛坯粗加工、热处理、精加工、钻铣加工、去毛刺、表面处理等工艺过程生产出一个个零部件，然后再经过清洗、装配、压力试验、性能试验等工序将一个个零件装配成整机部件，最后组装成成套设备。

作者所在单位成功开发的高性能压裂井口装置、压裂树、压裂管汇、大口径压裂闸阀等设备及关键部件于2011年开始进行小批生产，并在国外的北美地区、国内的川庆、胜利、大庆等油田进行试用，备受好评。截至2015年年底，相关产品已实现1.3亿元的销售额，具备了下一步大批量生产的技术和市场条件。图1为应用于国外某油气田现场压裂作业的超高压大口径压裂井口和压裂树设备。

6 市场应用前景

目前，国外压裂设备集中在北美主要用于非常规天然气开发，其他地区主要用于石油增产，中东地区压裂设备市场有限，主要是油井单产处于高峰期，目前尚未进入大规模压裂增产阶段。国际压裂设备市场目前主要由美国康菲国际石油有限公司、埃克森美孚公司、雪佛龙石油公司、FMC等国际石油设备供应商占据。国内已实施的页岩气开发开采试验区多采用与国外合作的方式，以进口设备为主，但存在价格高昂、供货周期长、维修成本高的缺点，需逐步提高国产化率。另一方面，随着常规天然气资源日益紧缺，我国逐渐将战略规划转移到页岩气等非常规油气资源上，未来3～5年，有望掀起一股开发热潮。

预计到2020年，我国页岩气产量将达300亿立方米以上，届时对页岩气开发设备总需求将达2000亿元，对配套压裂设备的需求将达1400亿元左右，而同期全球压裂设备的市场需求更將达2500亿美元以上，市场空间巨大。相信国产高性能压裂井口设备将具有越来越强的技术性能，同时，相对于国外同类产品具有极高的性价比，在未来压裂设备市场中大放异彩。

参考文献

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[2]吴汉川，刘伯修.非常规天然气勘探开发中压裂装备的研制[J].石油天然气学报，2011，06（33）.

[3]孙晓迎，易先中，邓金先.抗H2S腐蚀的HH-PSL 3G-PR2级气密封闸阀研制[J].石油矿场机械，2013，06.

[4]裘伟斌，孙晓迎.高精度圆环薄壁型金属零件加工方法介绍[J].科技创新与应用，2015，08.

作者简介：孙晓迎（1981-），男，工程硕士，主任工程师，长期从事油气田开采设备及相关产品的研发和项目管理工作，尤其对高端井口装置和采油（气）树设备有较深研究。