适用于页岩气开发的高压大口径平板阀

文强

  由于美国非常规油气特别是页岩气勘探开发技术装备的日趋成熟，页岩气开采技术的进步使美国天然气储量增加了40%，全球渐兴页岩气开采热潮，页岩气成为能源新宠。
我国非常规油气资源十分丰富，发展非常规能源具有重要的战略意义。
针对页岩气特性的工艺模式
    页岩气页岩既是源岩也是储集岩，是一种典型的“自生自储”的成藏模式，分布广、储层厚、物性差、致密、埋藏较浅，且页岩气生产周期长、低孔、低渗透率的物性特征，气流的阻力比常规天然气大。
    页岩气低产或无自然产能，所有的井都需要实施储层压裂改造才能开采出来，使得开采难度增大。但因适宜于多次改造，又使其具有开采寿命长和生产周期长的特点，这就意味着可开发利用的价值大，也决定了它的发展潜力。
    国外对页岩气开发整体方案及特殊技术的应用进行了细致地研究和生产实践分析后认为，垂直井用于定义气藏的范围, 并适合致密厚层；水平井则适合用于开发井，更易于薄层, 实现最大储层钻遇率，并与天然裂缝储层相交，为后续压裂工艺成功提供保证；水平井、定向井、占地少，而丛式井更易于环保；水平井或多底井虽然可以有效增加井筒与气层接触面积，但由于水平分枝长度影响压裂和产出率，单一水平井更适合页岩气的高效开发；油基泥浆或高质量水基泥浆以确保井壁稳定，而水平段高分辨率井筒成像为完井提供依据，并确保水平井的储层最大钻遇率；对现有井下动力钻具的系统分析研究试验后，优选单弯螺杆钻具与涡轮钻具或旋转导向工具钻进，确保钻井过程中的井壁稳定，防止页岩垮塌同时必须保证水平井全井段井眼平滑。为后续重复压裂提供平滑的井眼轨道的目的是为下一步多次重复大型高压大排量水力压裂提供顺畅的通道；研究和建立更好的水平和多边井模型，取得使水平井进入储层的水平段长度和邻井间距的优化参数都是降低成本高效开发页岩气的主要研究内容。为了后续的多次重复分段压裂，国外大多采用套管完井，所以要根据最终成本对比，优选完井方式（裸眼或套管）。
    从上图可以看出，在非常规油气藏开采过程中新技术及新工艺的创新问题日益突出。而高压分段压裂技术是页岩气规模化应用中非常重要的一项关键技术。
压裂过程中高压大口径阀门是其工艺中的核心装备，但我国阀门制造行业在高端技术上与国际最高水平仍存有差距，很多高压大口径的阀门大多依赖井口，因此高压大口径阀门的国产化是迫切需要解决的问题。
     道森钻采设备股份有限公司结合国内外的页岩气勘探开发的市场需求，开发出了一系列适用于压裂作业的高压大口径闸阀，已经应用于国外多个油田的页岩气压裂现场作业。
高压大口径平板阀应运而生
道森高压大口径平板闸阀已经形成了全规格，多个系列高压大口径闸阀，其中DS-FLSR系列闸阀备特点显著。
    耐高压 根据压裂设备在压裂过程中压力较高的特点，在设计过程中充分考虑其结构的合理性。通过对阀体、阀盖、阀杆和闸板的应力和变形分析，满足作业过程中的各种载荷要求。
耐磨损 根据压裂设备在压裂过程中冲刷较大的特点，道森设计的大口径高压闸阀在主体零部件表面做了耐磨损表面处理，延长了设备使用寿命。
    良好的密封性 道森公司结合多年的阀门制造经验以及引进国外先进的阀门制造技术，设计大口径高压闸阀的密封结构。整体采用全金属密封结构，采用优质的密封材料进行辅助密封，确保密封件在使用过程中的稳定，延长使用寿命。在闸板和阀座密封表面喷涂硬质合金，增加其密封性，耐磨性，并有效减低扭矩。阀座的双密封结构可以有效保证其低压密封性，并可以防止使用过程中压裂砂对密封面的污染。
    开关扭矩小 为减小阀门的扭矩，道森公司设计的高压大口径闸阀增加了平衡尾杆结构，以保证阀门工作过程中的压力平衡，降低了开启和关闭过程中的扭矩，并在传动机构中使用了重载荷能力的滚珠丝杠，更加有效的降低了扭矩。
同时，道森还设计了双作用液压驱动装置，可以更加有效快速的开启和关闭阀门，并附带手动锁紧机构。
    DS-FC结构闸阀是目前市场应用较多的结构。道森公司生产的DS-FC系列闸阀为全通径大口径高压锻钢闸阀，分为手动式驱动和双液动驱动两种类型。同样具有耐高压、耐冲刷的特点。全金属密封，浮动式双阀座结构，采用滚珠丝杠传动并带有平衡尾杆。双液动驱动闸阀带有活塞式双作用液压驱动器可以实现远程控制和快速开启关闭阀门，附带手动机构可实现手动锁紧。
    BEQG系列先导式压力平衡闸阀是目前全球油气压裂设备领域第一台高压先导式平衡闸阀。此结构的阀门改变了以前大口径高压阀门设计的传统理念，结构外形尺寸小，开关力矩只有同口径，同压力常规阀门力矩的1/4，重量轻30%，成本低。是高压大口径闸阀设计上的一次重大创新。
制造工艺要点
    道森公司根据多年生产制造高压阀门，结合API 6A规范以及压裂工艺对高压平板闸阀的质量要求，总结出一套完整的生产制造工艺。
    原材料  所有锻件原材料钢厂均须具备生产精炼脱氢优质钢的设备和能力，并通过高低倍试验、化学成分复验和最终的力学性能检测进行确认。原材料的化学成分，在符合有关国际标准的前提下，进行优化设计和严格控制，确保材料低温冲击性能的稳定性，保证韧性，并保证对锻造过程进行严格控制。
    热处理 对零件材料的热处理过程进行严格控制。每种材料和产品均编制热处理工艺。热处理炉温均匀性和热电偶等定期进行计量校准。
   机加工 零件的加工尺寸精度决定了阀门整机装配后的密封性能。道森公司采用大型数控镗铣加工中心对阀体进行精加工，可以大幅度降低阀座和闸板之间的摩擦力以及开关扭矩。
    检测 根据产品规格级别制订质量计划。按照API规范的要求，对检验步骤及结果均记录在案。由客户及第三方确定停止点和验证点。所有的检测设备都经过严格鉴定和校准。所有无损检测均按照书面程序进行。
    道森高压大口径平板阀已经经过了市场的考验，所提供的整套加砂压裂井口和高压平板阀，在大庆油田、胜利油田、辽河油田等得到良好应用，并得到好评。在北美地区页岩气开采，道森的高压平板阀和高压节流管汇/滤砂系统等产品，得到广泛应用。

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