一種新型分層壓裂連續投球檢測裝置的設計方案

柳 愿 耿敏濤 焦崢輝

（西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710065）

0 引言

目前，水平井多級分段壓裂工藝技術中存在許多的技術手段，如封隔器水力噴砂射孔分段壓裂技術、堵塞球分層壓裂技術等。這幾年堵塞球分層壓裂技術在國內有了一定的發展，對油氣田井口配套設備也提出了越來越嚴格的要求，各種各樣的多級分層壓裂投球裝置被研制出來滿足現場的施工需要。但目前我國現有的投球裝置存在很多缺陷［1-3］。一種新型的分層壓裂連續投球檢測裝置的設計思路被提出，這種連續投球檢測裝置結構簡單、安裝和維修方便，通過數字處理技術來實現投球數目的實時監測和顯示，從而減輕施工人員的勞動強度，減少裝置的生產成本，大幅度提高低滲透油氣藏的產能。目前，國家已授權分層壓裂連續投球檢測裝置實用新型專利（專利號：201620581158.7），該裝置正在進行室內試驗與數據分析，后期將會在部分油氣田進行現場試驗與應用。

1 國內分段壓裂投球裝置的研發進展

目前我國現有的投球裝置存在很多缺陷［3］，例如：投球裝置的耐壓能力弱，安全性和可靠性差；投球裝置的結構復雜，安裝拆卸困難；投球過程中投球精度差、投球數目檢測不準確；投球裝置中的密封件、彈簧等不能按具體的工作情況來選用；國內設計制造的水平井分段壓裂投球裝置的零部件材料、加工精度、加工工藝等跟國外有較大的差距等。因此，為了克服上述投球裝置的不足之處，一些新型的投球器被研發出來，以此來滿足水平井分段壓裂對井口投球裝置的要求。

2014年，陳文斌、陸紅軍等人研發了新型遠程遙控投球裝置并應用于層間暫堵多縫壓裂技術中，該裝置能夠最大限度地提高儲層厚度大的致密油層的暫堵級數，提高了單井產量［4］。2014年，中國石油大學（華東）的楊建芬設計了一種水平井分層壓裂自動投球器，該投球器可以實現液壓控制遠程自動投球，不需要人工打開井口裝置，不僅節省了作業時間，而且減輕了勞動強度［5］。2016年，中國石油集團公司川慶鉆探工程有限公司研制出了一種連續分層壓裂投球器，該投球器的整個驅動系統處于閉環狀態，不會出現零點漂移；運用數字信號控制驅動系統并配套有測球計數器，提高了投球的準確性和可靠性［6］。上述這些都是近年來我國學者們在投球器改進方面進行的探索，但從我國分層壓裂技術的長遠發展來看，仍需對分層壓裂投球裝置進行更多的研究和創新。

2 新型分層壓裂連續投球檢測裝置設計

2.1 結構

壓裂投球器是進行分層壓裂的一項井口裝置。目前，投球器按其功能主要分為兩類：一種是分層壓裂時，壓裂管柱中投鋼球的投球器；一種是選擇性壓裂或封堵炮眼投賭球用的投球器。設計的新型分層壓裂連續投球檢測裝置對上述兩種情況都適用，其結構主要由投球裝置和檢測裝置兩大部分組成，原理圖如圖1所示。

圖1 分層壓裂連續投球檢測裝置圖

該裝置的技術方案：主體1的內腔壁上通過鉸鏈座11連接擋板2的一端，擋板2的另一端懸空放置；擋板2的下側連接牛眼輪3的萬向軸，牛眼輪3的螺紋孔連接串有彈簧9的推桿8的一端，推桿8的另一端的環形凸肩設置在雙向接頭10的凹槽內，雙向接頭10的左側連接固定接頭4的右側，固定接頭4左端連接主體1的外側；雙向接頭10的周圍設置有環形磁鐵5；雙向接頭10的右側連接非磁性材料制成的堵頭7，非磁性材料制成的堵頭7的凹槽中設置線圈6，線圈6通過電流傳感器12與處理器13連接，以此來實現該分層壓裂連續投球檢測裝置的精確檢測與監控。

2.2 工作原理

裝置工作前，檢查環形磁鐵5的裝配方向和線圈6的纏繞方式，使兩者處于正確位置；調整處理器13的控制面板到最佳工作狀態并與電流傳感器12正確連接。裝置工作時，封堵球進入到主體1的內腔，由于封堵球的自重，擋板2被擠壓，通過牛眼輪3連接的推桿8向右移動并且壓縮彈簧9，推桿8向右移動進入到線圈6的磁場中，由于推桿8為不導磁奧氏體材料制成，會影響環形磁鐵5的磁場通過線圈6的磁通量，根據電磁感應定律得知，通過線圈6的磁通量發生變化，閉合線圈6中會產生感應電流，通過電流傳感器12和處理器13分析感應電流的變化就可以判斷出投球器是否投球成功及所投球直徑的大小。當封堵球從擋板2掉落后，套裝在推桿8上的壓縮彈簧9恢復并帶動推桿左移使擋板達到原始狀態。

2.3 性能特點

設計的新型分層壓裂連續投球檢測裝置具有以下特點：① 處于密閉環境中，密封性能好，耐壓級別高，安全性和可靠性高；② 處理器采用電腦控制技術，可以自動計算、實時顯示投球數目，實現對封堵球的精準檢測和控制；③ 突破以往投球器的設計思路，應用電磁感應定律判斷是否投球成功，降低施工人員的配合難度，大大減少了勞動強度；④體積小、安裝拆卸方便、操作安全。

3 結論

1） 通過查閱國內外水平井多級分層壓裂井口投球裝置的大量資料，總結了目前國內現有的投球裝置存在的缺點。

2） 經過對近幾年來我國井口投球器的研發成果的分析和優化，克服了傳統投球裝置安全性低、施工強度大、結構原理復雜等不足，解決了投球檢測不完善、投球數目不準確等一系列的問題，原創性地提出了一種新型分層壓裂連續投球檢測裝置。

3） 目前，該裝置已申請實用新型專利。雖然該裝置還沒有在油田現場進行具體的應用，但正在進行室內試驗及數據分析，后期將會對其進行進一步的優化并在部分油田進行現場試驗與應用。

［1］朱浩銘，吳小雄，趙磊，等.分層壓裂堵塞球投球器研究現狀及展望［J］.機械工程師，2017，24（10）：127-128.

［2］張建，魏劍飛，胡杰，等.分段壓裂遠程控制多級投球裝置研制［J］. 新技術新工藝，2017（1）：52-53.

［3］謝艷玲.水平井分層壓裂井口投球器的設計［D］.山東：中國石油大學（華東），2017.

［4］陳文斌，陸紅軍.遠程遙控投球裝置在層間暫堵多縫壓裂技術中的應用［J］. 石油鉆采工藝，2014，36（1）：104-106.

［5］楊建芬.水平井分層壓裂自動投球器設計［D］.山東：中國石油大學（華東），2014.

［6］韓靜靜，鄧繼學，景志明.連續分層壓裂投球器的研制與應用［J］. 石油機械，2016，44（4）：87-88.