壓裂投球保溫裝置及過(guò)球監(jiān)控裝置的研制與應(yīng)用

林春來(lái) 陳超 周廣龍 佟繼波 趙慧

摘要： 隨著壓裂技術(shù)高速發(fā)展，我公司年施工能力達(dá)到3000層1100井次，平均每井次2.7層，目前施工井分層多采用投球器投擲鋼球分層，在投球過(guò)程中采用人工在井口管線監(jiān)聽(tīng)方式以確定投球是否成功，存在高壓危險(xiǎn)，尤其是陜北地區(qū)近10月入冬以來(lái)，天氣轉(zhuǎn)涼造成施工過(guò)程在投球器內(nèi)形成一層厚厚白色固體，阻礙了鋼球下落造成投球失敗，浪費(fèi)了大量投球液以及施工時(shí)間，長(zhǎng)時(shí)間在高壓管線監(jiān)聽(tīng)鋼球增加了高壓風(fēng)險(xiǎn)，因此急需研發(fā)一款便攜式壓裂投球分層過(guò)球監(jiān)測(cè)以及投球器保溫裝置。

關(guān)鍵詞： 壓裂液;投球分層;保溫;過(guò)球監(jiān)聽(tīng);人為因素

一、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)分層壓裂一般采用投球分層，國(guó)內(nèi)外的投球器都沒(méi)有恒溫裝置，氣溫零度以下容易結(jié)冰導(dǎo)致球不能正常投擲，而且需要人在高壓區(qū)監(jiān)聽(tīng)，危險(xiǎn)系數(shù)極高。

二、關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題分析

1、壓裂投球保溫裝置的研制

施工現(xiàn)場(chǎng)用安全電壓為24V或12V，如何能獲得穩(wěn)定的電壓輸出是關(guān)鍵。

2、壓裂投球過(guò)球監(jiān)測(cè)裝置的研制。

（1）壓裂投球過(guò)球監(jiān)測(cè)裝置硬件研制。

（2）優(yōu)選出的傳感器要對(duì)不同波段的音頻有采集放大功能，需要經(jīng)過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以增加可靠性。

（3）壓裂投球保溫裝置及過(guò)球監(jiān)控裝置軟件編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)投球器溫度監(jiān)控、投球狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

三、壓裂投球保溫及過(guò)球監(jiān)控裝置組成

壓裂投球器保溫裝置由三部分組成，分別是大功率電源、控制芯片、加熱保溫部分。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出24V低壓大功率穩(wěn)壓電源，滿足施工現(xiàn)場(chǎng)安全用電及保溫裝置需求，配合40A大功率繼電器使用，通過(guò)兩路溫度傳感器實(shí)時(shí)反饋當(dāng)前溫度，確保保溫裝置恒溫在20攝氏度左右。加熱部分采用防爆型加熱帶，環(huán)形纏繞，工作電流小于10A，終端采用防爆隔離裝置，通過(guò)防火型隔熱保溫棉組成桶型保溫裝置。

過(guò)球監(jiān)控裝置采用0-20ma模擬量信號(hào)的音頻傳感器、通過(guò)高精度變送器與采集芯片相連接，采集芯片通過(guò)有線方式連接在投球器保溫裝置上，滿足供電和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸需求。壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備較多、存在多種信號(hào)干擾，傳統(tǒng)WIFi信號(hào)傳輸受到很大影響，壓裂投球保溫及過(guò)球監(jiān)控裝置，在信號(hào)傳輸方式上做了很多實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)有線方式連接布線復(fù)雜，不利于推廣，無(wú)線WIFi信號(hào)受施工現(xiàn)場(chǎng)的車輛設(shè)備等影響、信號(hào)不穩(wěn)定。因此我們優(yōu)選出LoRa無(wú)線通訊技術(shù)，既能保證信號(hào)穩(wěn)定傳輸、還能解決信號(hào)傳輸距離問(wèn)題，滿足了遠(yuǎn)距離，抗干擾通訊需求。

傳輸距離：城鎮(zhèn)可達(dá)2-5 Km， 郊區(qū)可達(dá)15Km。

工作頻率：ISM 頻段 433

標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.15.4g

調(diào)制方式：基于擴(kuò)頻技術(shù)，線性調(diào)制擴(kuò)頻（CSS）的一個(gè)變種，具有前向糾錯(cuò)（FEC）能力，semtech公司私有專利技術(shù)。

容量：一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)可以連接上千上萬(wàn)個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)。

安全：AES128加密。

傳輸速率：幾百到幾十Kbps，速率越低傳輸距離越長(zhǎng)，這很像一個(gè)人挑東西，挑的多走不太遠(yuǎn)，少了可以走遠(yuǎn)。

五、上位機(jī)監(jiān)控軟件

上位機(jī)軟件通過(guò)E語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，適用于所有WINDOWS操作系統(tǒng)，上位機(jī)通過(guò)WIFI信號(hào)與LoRa網(wǎng)關(guān)相連接，可同時(shí)采集8個(gè)通道數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)名稱、采集頻率可通過(guò)軟件進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)以數(shù)據(jù)庫(kù)文件格式進(jìn)行存儲(chǔ)記錄，便于數(shù)據(jù)回放、導(dǎo)出等相關(guān)操作。軟件功能具有投球器溫度上限、下限范圍設(shè)置，手動(dòng)啟停保溫裝置，動(dòng)態(tài)顯示溫度及聲波曲線等功能，投球器溫度及過(guò)球狀態(tài)一目了然。

六、成果應(yīng)用前景

壓裂投球過(guò)球監(jiān)測(cè)應(yīng)用三井次，監(jiān)控準(zhǔn)確率100%，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)小于500毫秒。壓裂投球保溫裝置恒溫20攝氏度，溫差2攝氏度，確保鋼球順利入井，每口井可節(jié)省送球液30方，為后續(xù)壓裂施工提供了可靠的保證，縮短了施工時(shí)間，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)投球分層的施工井可采用此裝置，不僅能增加低溫環(huán)境下的投球可靠性，不需要施工人員在高壓區(qū)監(jiān)聽(tīng)球是否入井，增加了施工安全性，因此具有很大的應(yīng)用前景。

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