一種新型分層壓裂連續(xù)投球檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)方案

柳 愿 耿敏濤 焦崢輝

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

0 引言

目前，水平井多級(jí)分段壓裂工藝技術(shù)中存在許多的技術(shù)手段，如封隔器水力噴砂射孔分段壓裂技術(shù)、堵塞球分層壓裂技術(shù)等。這幾年堵塞球分層壓裂技術(shù)在國內(nèi)有了一定的發(fā)展，對(duì)油氣田井口配套設(shè)備也提出了越來越嚴(yán)格的要求，各種各樣的多級(jí)分層壓裂投球裝置被研制出來滿足現(xiàn)場的施工需要。但目前我國現(xiàn)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(xù)投球檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)思路被提出，這種連續(xù)投球檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡單、安裝和維修方便，通過數(shù)字處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)投球數(shù)目的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示，從而減輕施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少裝置的生產(chǎn)成本，大幅度提高低滲透油氣藏的產(chǎn)能。目前，國家已授權(quán)分層壓裂連續(xù)投球檢測(cè)裝置實(shí)用新型專利（專利號(hào)：201620581158.7），該裝置正在進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析，后期將會(huì)在部分油氣田進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)與應(yīng)用。

1 國內(nèi)分段壓裂投球裝置的研發(fā)進(jìn)展

目前我國現(xiàn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝拆卸困難；投球過程中投球精度差、投球數(shù)目檢測(cè)不準(zhǔn)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(nèi)設(shè)計(jì)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(fā)出來，以此來滿足水平井分段壓裂對(duì)井口投球裝置的要求。

2014年，陳文斌、陸紅軍等人研發(fā)了新型遠(yuǎn)程遙控投球裝置并應(yīng)用于層間暫堵多縫壓裂技術(shù)中，該裝置能夠最大限度地提高儲(chǔ)層厚度大的致密油層的暫堵級(jí)數(shù)，提高了單井產(chǎn)量［4］。2014年，中國石油大學(xué)（華東）的楊建芬設(shè)計(jì)了一種水平井分層壓裂自動(dòng)投球器，該投球器可以實(shí)現(xiàn)液壓控制遠(yuǎn)程自動(dòng)投球，不需要人工打開井口裝置，不僅節(jié)省了作業(yè)時(shí)間，而且減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度［5］。2016年，中國石油集團(tuán)公司川慶鉆探工程有限公司研制出了一種連續(xù)分層壓裂投球器，該投球器的整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)處于閉環(huán)狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移；運(yùn)用數(shù)字信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并配套有測(cè)球計(jì)數(shù)器，提高了投球的準(zhǔn)確性和可靠性［6］。上述這些都是近年來我國學(xué)者們?cè)谕肚蚱鞲倪M(jìn)方面進(jìn)行的探索，但從我國分層壓裂技術(shù)的長遠(yuǎn)發(fā)展來看，仍需對(duì)分層壓裂投球裝置進(jìn)行更多的研究和創(chuàng)新。

2 新型分層壓裂連續(xù)投球檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)

壓裂投球器是進(jìn)行分層壓裂的一項(xiàng)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(shí)，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(shè)計(jì)的新型分層壓裂連續(xù)投球檢測(cè)裝置對(duì)上述兩種情況都適用，其結(jié)構(gòu)主要由投球裝置和檢測(cè)裝置兩大部分組成，原理圖如圖1所示。

圖1 分層壓裂連續(xù)投球檢測(cè)裝置圖

該裝置的技術(shù)方案：主體1的內(nèi)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(cè)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(huán)形凸肩設(shè)置在雙向接頭10的凹槽內(nèi)，雙向接頭10的左側(cè)連接固定接頭4的右側(cè)，固定接頭4左端連接主體1的外側(cè)；雙向接頭10的周圍設(shè)置有環(huán)形磁鐵5；雙向接頭10的右側(cè)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(shè)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(shí)現(xiàn)該分層壓裂連續(xù)投球檢測(cè)裝置的精確檢測(cè)與監(jiān)控。

2.2 工作原理

裝置工作前，檢查環(huán)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(diào)整處理器13的控制面板到最佳工作狀態(tài)并與電流傳感器12正確連接。裝置工作時(shí)，封堵球進(jìn)入到主體1的內(nèi)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(dòng)并且壓縮彈簧9，推桿8向右移動(dòng)進(jìn)入到線圈6的磁場中，由于推桿8為不導(dǎo)磁奧氏體材料制成，會(huì)影響環(huán)形磁鐵5的磁場通過線圈6的磁通量，根據(jù)電磁感應(yīng)定律得知，通過線圈6的磁通量發(fā)生變化，閉合線圈6中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過電流傳感器12和處理器13分析感應(yīng)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(dāng)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(fù)并帶動(dòng)推桿左移使擋板達(dá)到原始狀態(tài)。

2.3 性能特點(diǎn)

設(shè)計(jì)的新型分層壓裂連續(xù)投球檢測(cè)裝置具有以下特點(diǎn)：① 處于密閉環(huán)境中，密封性能好，耐壓級(jí)別高，安全性和可靠性高；② 處理器采用電腦控制技術(shù)，可以自動(dòng)計(jì)算、實(shí)時(shí)顯示投球數(shù)目，實(shí)現(xiàn)對(duì)封堵球的精準(zhǔn)檢測(cè)和控制；③ 突破以往投球器的設(shè)計(jì)思路，應(yīng)用電磁感應(yīng)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(dòng)強(qiáng)度；④體積小、安裝拆卸方便、操作安全。

3 結(jié)論

1） 通過查閱國內(nèi)外水平井多級(jí)分層壓裂井口投球裝置的大量資料，總結(jié)了目前國內(nèi)現(xiàn)有的投球裝置存在的缺點(diǎn)。

2） 經(jīng)過對(duì)近幾年來我國井口投球器的研發(fā)成果的分析和優(yōu)化，克服了傳統(tǒng)投球裝置安全性低、施工強(qiáng)度大、結(jié)構(gòu)原理復(fù)雜等不足，解決了投球檢測(cè)不完善、投球數(shù)目不準(zhǔn)確等一系列的問題，原創(chuàng)性地提出了一種新型分層壓裂連續(xù)投球檢測(cè)裝置。

3） 目前，該裝置已申請(qǐng)實(shí)用新型專利。雖然該裝置還沒有在油田現(xiàn)場進(jìn)行具體的應(yīng)用，但正在進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，后期將會(huì)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化并在部分油田進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)與應(yīng)用。

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

［2］張建，魏劍飛，胡杰，等.分段壓裂遠(yuǎn)程控制多級(jí)投球裝置研制［J］. 新技術(shù)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(shè)計(jì)［D］.山東：中國石油大學(xué)（華東），2017.

［4］陳文斌，陸紅軍.遠(yuǎn)程遙控投球裝置在層間暫堵多縫壓裂技術(shù)中的應(yīng)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(dòng)投球器設(shè)計(jì)［D］.山東：中國石油大學(xué)（華東），2014.

［6］韓靜靜，鄧?yán)^學(xué)，景志明.連續(xù)分層壓裂投球器的研制與應(yīng)用［J］. 石油機(jī)械，2016，44（4）：87-88.