龙马溪组页岩气开发采气井口装置优化措施及建议

黄鸿彦，李钘钘，肖欣荣

（南阳二机石油装备集团股份有限公司，河南 南阳 473006）

页岩气压裂、开采的采气井口装置，属于高压力、高风险的压力容器，是控制天然气的最后一道设备。在施工过程中,对测试页岩气采气井口的配置极其重要,它不仅承载着大排量压裂施工、放喷排液及井控等功能,还密切关系着设备和施工人员的安全。本研究重点介绍涪陵龙马溪组页岩气开发井口装置使用状况。

1 采气井口装置使用工况

根据现有气井天然气井组分析资料，涪陵龙马溪组页岩气开发天然气中不含H2S,CO2，最大含量0.196%，最大关井井口压力根据试采资料预计在35MPa左右，地层温度在80℃左右。

2 采气井口装置配置情况

2.1 材料级别及压力级别

采气树不参与分段压裂施工，同时该井预计最大关井压力在35MPa 左右，油管头总成和采气树可选用不同压力级别。

砂压裂，压裂过程中最高压力可达到90MPa。油管头和1#阀压力级别需选用105MPa，同时压裂后要下入桥塞及磨鞋等工具，1#阀通径选用180mm。

涪陵龙马溪组储层压力系数1.5，计算储层压力在38MPa左右，采气树级别选用70MPa足以满足采气要求。

2.2 采气井口装置结构配置（如图1 所示）

图1 页岩气采气井口配置示意图

采气树主通径配置：转换法兰(180-105 转换78-70)＋2 只PFF78-70 手动平板阀（采气树4＃、7＃阀）＋小四通(78-70×65-70)＋丝扣法兰(78-70×3 1/2″UPTBG)＋接头、截止阀、压力表。

采气树侧翼配置：两翼各1 只PFF65-70 手动平板阀＋JLK65-70 手动针型节流阀＋仪表法兰、截止阀、缓冲器、压力表＋丝扣法兰(65-70×2 7/8″TBG)。 采气树侧翼通过丝扣短节（一端带丝扣，一端不带丝扣）分别连接于放喷管线和采气管线。

油管头配置：油管头四通＋两翼各2 只PFF65-105 手动平板阀(2＃、3＃、5＃、6＃阀门)＋仪表法兰＋截止阀＋缓冲器＋丝扣法兰(65-105×2 7/8″TBG)＋压力表。

油管头四通配置：其上法兰6BX71/16-15000psi，圆周均布8 颗顶丝，顶丝丝扣表面镀铜（以防咬合、粘扣），顶丝压帽采用不锈钢，顶丝密封圈采用V 型盘根。顶丝用以顶紧油管悬挂器，防止施工和生产过程中其轴向串动；另外，油管头四通上法兰还设计有注脂试压孔（11/8UNF 母扣），安装油管悬挂器后，可检测油管悬挂器主密封矩形圈和顶丝密封圈是否密封可靠，在生产过程中也可通过其进行填脂。其下法兰6BX11-15000psi，内孔安装两道橡胶密封组件加一道金属密封，用于密封套管头悬挂器脖颈。

2.3 采气井口安装程序

气井完井后，井口安装油管头总成和PFF180-105 大通径平板阀，进行挂管、通径等试气准备，然后在PFF180-105 平板阀上安装试气压裂树（主通径是180mm，压力级别105MPa）开展分段加砂压裂作业。气井试气完毕后关闭PFF180-105 平板阀，拆试气压裂树，安装采气树接生产流程进行生产。

3 页岩气采气井口关键技术特点

（1）针对涪陵工区工况条件，在油管悬挂器上端设计两道密封圈。能避免在试气、生产作业中，顶丝部位长期处于带压状态。

（2）根据页岩气井开发测试要求，在油管头四通上法兰外圆柱面，设计注脂试压孔。可通过该注脂试压孔，对油管悬挂器主、副密封之间环空进行检测，一旦顶丝密封失效，可更换顶丝密封组件。

（3）为防止在坐挂油管悬挂器，密封圈经过顶丝孔时受到挤压、剪切，在顶丝孔处设计环形凹槽，使顶丝孔沉入本体内部，从而避免剪切密封件。

（4）大通径阀门设计：采用滚珠丝杆传动，滚珠丝杠副的传动效率高达90%～98%，摩擦阻力小。阀杆采用带金属骨架柔性密封结构，具有高压密封性能好，开关摩擦力矩小，使用寿命长，耐高温、耐腐蚀等特点。

4 页岩气采气井口使用情况

涪陵龙马溪组页岩气开发有5 口井完成分段加砂压裂并投入生产，5 套采气井口装置中，仅焦页6-2HF 井PFF180-105 平板阀可关闭严密，其余4口井的PFF180-105 平板阀压裂完后均出现关闭不严的现象。

5 采气井口装置优化措施

对下油管完井的气井，利用下油管作业的机会拆掉PFF180-105 大通径平板阀，采气树增加一只PFF78-70 平板阀作为1＃主阀。所拆卸的PFF180-105 大通径平板阀返厂大修，用于后续气井作业。

拆除PFF180-105 大通径平板阀可采用以下三种方案：

（1）按抢装的方式，强行拆卸压裂井口和安装带压作业装置下入油管、坐挂油管悬挂器，利用油管内堵塞器封堵油管内天然气、油管悬挂器主密封封堵油套环空天然气，拆卸PFF180-105 大通径平板阀及带压作业装置，安装采气树完井。但该方案存在一定安全风险。

（2）在井深500m 左右下入可回收式桥塞（或可钻式桥塞），试压合格后拆卸PFF180-105 大通径平板阀及压裂井口，再安装带压作业装置后，回收桥塞（或下入可钻式桥塞）后进行不压井下油管作业。油管下到位后坐入油管悬挂器并顶好顶丝，利用油管内堵塞器封堵油管内天然气、油管悬挂器的主密封封堵油套环空天然气，拆卸带压作业装置，安装采气树完井。

（3）冷冻井筒，拆卸试气井口装置和安装带压作业装置下入油管、坐挂油管悬挂器，利用油管内堵塞器封堵管内天然气、油管悬挂器的主密封封堵油套环空天然气，拆卸带压作业装置，安装采气树完井。但该方案操作较复杂，阀门密封件易损坏，存在安全风险。

6 建议

（1）下入油管完井的气井可拆除PFF180-105大通径平板阀。

采气树增加一只PFF78-70 平板阀作为1＃主阀，将油管安装到位后利用油管堵塞器（或背压阀）和油管悬挂器的密封作用，拆除PFF180-105 大通径平板阀，不仅可消除大阀门经过多次压裂后存在关闭不严的安全隐患，同时也可节约设备成本，降低井口高度，便于现场人员安全操作。

（2）PFF180-105 大通径平板阀结构不宜用阀后座密封，应采用阀前座密封结构。

试气队提供的180-105 六通压裂井口与1#主阀PFF180-105 连接后，为方便对井口试压，将1#主阀处于全关状态，压裂车与该压裂井口相连。若1#主阀为阀后座密封结构，阀腔内压力与压裂车压力达到平衡需要一定时间，在此过程中有一定压降产生。同时加砂压裂过程中，阀腔内极易沉积砂体造成阀门关闭不严，进而影响密封可靠性，因此1#主阀为阀前座密封结构，便可一次性稳压无压降，达到试验要求。

（3）将页岩气采气井口装置更换成图2。即1＃、4＃主阀均采用PFF180-105 大通径平板阀。

页岩气采气井口装置1＃、4＃主阀（图中2、3）均采用PFF180-105 大通径平板阀，井口高度并未增加。

在多级分段压裂时，根据需要可将4#阀（图中3）进行开关作业，1#阀始终保持常开状态；当4#经过多次压裂后存在关闭不严的安全隐患时，可直接关闭1#阀（如图2 所示），拆下4#阀，回厂进行维护及修理。节约了下堵塞工具及拆卸阀门的时间；而且一旦在开采后期阶段，天然气体慢慢衰减后，可通过PFF180-105 大通径平板阀直接向井筒内再进行射孔、压裂等操作继续试气，直接提高单井产量，经济且方便。

图2 页岩气采气井口配置示意图

7 应用

结合涪陵龙马溪组页岩气开发作业区块的特点，最终确立的方案为建议中的第一条：下入油管完井后拆除PFF180-105 大通径平板阀，增加一只PFF78-70 平板阀作为1＃主阀，装上KQ78×65-70采气树。

该方案于2019 年8 月开始成功运用在涪陵龙马溪组页岩气开发作业区块，通过不断改进完善，在其他区块也得到较为广泛的推广应用。使用情况表明：完井后拆除PFF180-105 大通径平板阀，可消除安全隐患，同时该阀可重复使用，每口井节约成本近20 万元。X 井，于2019 年8 月开采试投产，以每天1000～1300 方/d 的产量供应威远县城的居民用气。