一种新型分层压裂连续投球检测装置的设计方案

柳 愿 耿敏涛 焦峥辉

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）

0 引言

目前，水平井多级分段压裂工艺技术中存在许多的技术手段，如封隔器水力喷砂射孔分段压裂技术、堵塞球分层压裂技术等。这几年堵塞球分层压裂技术在国内有了一定的发展，对油气田井口配套设备也提出了越来越严格的要求，各种各样的多级分层压裂投球装置被研制出来满足现场的施工需要。但目前我国现有的投球装置存在很多缺陷［1-3］。一种新型的分层压裂连续投球检测装置的设计思路被提出，这种连续投球检测装置结构简单、安装和维修方便，通过数字处理技术来实现投球数目的实时监测和显示，从而减轻施工人员的劳动强度，减少装置的生产成本，大幅度提高低渗透油气藏的产能。目前，国家已授权分层压裂连续投球检测装置实用新型专利（专利号：201620581158.7），该装置正在进行室内试验与数据分析，后期将会在部分油气田进行现场试验与应用。

1 国内分段压裂投球装置的研发进展

目前我国现有的投球装置存在很多缺陷［3］，例如：投球装置的耐压能力弱，安全性和可靠性差；投球装置的结构复杂，安装拆卸困难；投球过程中投球精度差、投球数目检测不准确；投球装置中的密封件、弹簧等不能按具体的工作情况来选用；国内设计制造的水平井分段压裂投球装置的零部件材料、加工精度、加工工艺等跟国外有较大的差距等。因此，为了克服上述投球装置的不足之处，一些新型的投球器被研发出来，以此来满足水平井分段压裂对井口投球装置的要求。

2014年，陈文斌、陆红军等人研发了新型远程遥控投球装置并应用于层间暂堵多缝压裂技术中，该装置能够最大限度地提高储层厚度大的致密油层的暂堵级数，提高了单井产量［4］。2014年，中国石油大学（华东）的杨建芬设计了一种水平井分层压裂自动投球器，该投球器可以实现液压控制远程自动投球，不需要人工打开井口装置，不仅节省了作业时间，而且减轻了劳动强度［5］。2016年，中国石油集团公司川庆钻探工程有限公司研制出了一种连续分层压裂投球器，该投球器的整个驱动系统处于闭环状态，不会出现零点漂移；运用数字信号控制驱动系统并配套有测球计数器，提高了投球的准确性和可靠性［6］。上述这些都是近年来我国学者们在投球器改进方面进行的探索，但从我国分层压裂技术的长远发展来看，仍需对分层压裂投球装置进行更多的研究和创新。

2 新型分层压裂连续投球检测装置设计

2.1 结构

压裂投球器是进行分层压裂的一项井口装置。目前，投球器按其功能主要分为两类：一种是分层压裂时，压裂管柱中投钢球的投球器；一种是选择性压裂或封堵炮眼投赌球用的投球器。设计的新型分层压裂连续投球检测装置对上述两种情况都适用，其结构主要由投球装置和检测装置两大部分组成，原理图如图1所示。

图1 分层压裂连续投球检测装置图

该装置的技术方案：主体1的内腔壁上通过铰链座11连接挡板2的一端，挡板2的另一端悬空放置；挡板2的下侧连接牛眼轮3的万向轴，牛眼轮3的螺纹孔连接串有弹簧9的推杆8的一端，推杆8的另一端的环形凸肩设置在双向接头10的凹槽内，双向接头10的左侧连接固定接头4的右侧，固定接头4左端连接主体1的外侧；双向接头10的周围设置有环形磁铁5；双向接头10的右侧连接非磁性材料制成的堵头7，非磁性材料制成的堵头7的凹槽中设置线圈6，线圈6通过电流传感器12与处理器13连接，以此来实现该分层压裂连续投球检测装置的精确检测与监控。

2.2 工作原理

装置工作前，检查环形磁铁5的装配方向和线圈6的缠绕方式，使两者处于正确位置；调整处理器13的控制面板到最佳工作状态并与电流传感器12正确连接。装置工作时，封堵球进入到主体1的内腔，由于封堵球的自重，挡板2被挤压，通过牛眼轮3连接的推杆8向右移动并且压缩弹簧9，推杆8向右移动进入到线圈6的磁场中，由于推杆8为不导磁奥氏体材料制成，会影响环形磁铁5的磁场通过线圈6的磁通量，根据电磁感应定律得知，通过线圈6的磁通量发生变化，闭合线圈6中会产生感应电流，通过电流传感器12和处理器13分析感应电流的变化就可以判断出投球器是否投球成功及所投球直径的大小。当封堵球从挡板2掉落后，套装在推杆8上的压缩弹簧9恢复并带动推杆左移使挡板达到原始状态。

2.3 性能特点

设计的新型分层压裂连续投球检测装置具有以下特点：① 处于密闭环境中，密封性能好，耐压级别高，安全性和可靠性高；② 处理器采用电脑控制技术，可以自动计算、实时显示投球数目，实现对封堵球的精准检测和控制；③ 突破以往投球器的设计思路，应用电磁感应定律判断是否投球成功，降低施工人员的配合难度，大大减少了劳动强度；④体积小、安装拆卸方便、操作安全。

3 结论

1） 通过查阅国内外水平井多级分层压裂井口投球装置的大量资料，总结了目前国内现有的投球装置存在的缺点。

2） 经过对近几年来我国井口投球器的研发成果的分析和优化，克服了传统投球装置安全性低、施工强度大、结构原理复杂等不足，解决了投球检测不完善、投球数目不准确等一系列的问题，原创性地提出了一种新型分层压裂连续投球检测装置。

3） 目前，该装置已申请实用新型专利。虽然该装置还没有在油田现场进行具体的应用，但正在进行室内试验及数据分析，后期将会对其进行进一步的优化并在部分油田进行现场试验与应用。

［1］朱浩铭，吴小雄，赵磊，等.分层压裂堵塞球投球器研究现状及展望［J］.机械工程师，2017，24（10）：127-128.

［2］张建，魏剑飞，胡杰，等.分段压裂远程控制多级投球装置研制［J］. 新技术新工艺，2017（1）：52-53.

［3］谢艳玲.水平井分层压裂井口投球器的设计［D］.山东：中国石油大学（华东），2017.

［4］陈文斌，陆红军.远程遥控投球装置在层间暂堵多缝压裂技术中的应用［J］. 石油钻采工艺，2014，36（1）：104-106.

［5］杨建芬.水平井分层压裂自动投球器设计［D］.山东：中国石油大学（华东），2014.

［6］韩静静，邓继学，景志明.连续分层压裂投球器的研制与应用［J］. 石油机械，2016，44（4）：87-88.