高性能压裂井口设备技术和产业化研究

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1、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?^程中技术含量最高、工艺

2、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，

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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