暂堵转向压裂用远程控制投球器的研制与应用

摘要：暂堵转向工艺是多簇射孔簇开启的有效方法，而投球器是实施暂堵转向工艺的关键设备之一。现有页岩气开发采用的液动旋塞投球器无法多次定量精准投球，无法满足当前现场需求。面对这个问题，研制了一种高压远程控制投球器，采用螺旋投球原理实现精确计数，采用侧装动力总成和分体式顶盖总成便于拆装，可实现140 MPa承压能力、多次精准投球、装球数量大，且操作简单。暂堵转向压裂用远程控制投球器经厂内和现场测试，完全满足140 MPa承压能力、多次精准投球、装球数量大。经过多次现场应用，验证了新型投球器具有密封可靠、精确投球、操作简单、运行安全可靠等优点，满足了国内超高压堵塞球分层压裂工况的使用要求，可全面替代现有的液动旋塞阀投球器。

关键词：暂堵转向；远程控制；螺旋输送；高压投球器

中图分类号：TE934" " " " "文献标志码：B" " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.05.012

Development and Application of Romote Control Ball Injector for Temporary Blockage Steering and Fracturing

LIU Xiaoxu1，3 ，REN Yong2 ，ZHANG Hongqiao1，3，QI Tianjun2，WANG Zhixi2，WANG Degui1，3，WU Xiaoxiong1，3，WANG Qianmin1，3

（1.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji，721002，China ；2.Downhole Technology Operation Company of CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co.，Ltd.，Chengdu 610500，China；3.China National Oil and Gas Drilling

Equipment Engineering Technology Research Center Co.，Ltd.，Baoji 721002，China）

Abstract： The temporary plugging and turning process represents an effective methodology for the opening of multiple clusters of perforations. The ball injector constitutes a pivotal piece of equipment for the implementation of the aforementioned process. The existing hydraulic rotary plug ball injector utilized in shale gas development is unable to accurately and quantitatively throw balls on multiple occasions， which is inadequate to meet the demands of on-site operations. In response to this challenge， a high-pressure remote control ball injector has been developed， which employs the spiral ball injector principle to achieve precise counting. The apparatus is equipped with a side-mounted power assembly and a split-type top cover assembly， facilitating disassembly and assembly. It is capable of withstanding a pressure capacity of 140 MPa， and is designed with multiple precise ball injectors and a large number of balls to be loaded. The operation is simple， and the remote control ball injector for temporary blocking and turning fracturing has been tested in a controlled setting and in a real-world context. It has demonstrated the capacity to achieve a pressure of 140 MPa， facilitate multiple precise ball injections， and accommodate a substantial number of balls. Following a series of on-site trials， it has been demonstrated that the new ball injector model exhibits a number of advantages， including reliable sealing， precision， straightforward operation， and a high degree of safety and reliability. The new device meets the requirements of domestic ultra-high pressure blockage ball layered fracturing conditions and can fully replace the existing hydraulic plug valve ball injector.

Key words：" temporary blocking steering；remote control；screw conveyor；high-pressure injector

暂堵转向工艺是多簇射孔簇开启的有效方法，是在压裂一段时间后，投入一定数量的暂堵球，封堵已压开裂缝的射孔眼，从而使其他未起裂的射孔簇起裂和延伸新裂缝，进一步提升所有射孔簇改造均匀程度，而投球器是实施暂堵转向工艺的关键设备之一［1］。暂堵工艺需要根据射孔孔眼尺寸、数量、施工压力等参数确定暂堵球的尺寸、密度及数量［2-6］。投球器需要具有较大的球径尺寸；需要具备精准投放各种密度暂堵球的能力；需要具备灵活选择投球时机和改变投球数量的能力［7-9］。由于缺少专用投球器，深层页岩气开发普遍使用“液动旋塞阀+三通”做为投球装置，配套液压控制系统。该投球方法虽装球方便，技术成熟，但存在的缺陷有：①控制系统体积大，控制距离有限；②投放顺序不能灵活调整，仅能一次投球，无法多次定量精准投球，装入后要么不投，要么全投；③不能投放低密度暂堵球；④平台井需要安装多个液压旋塞阀进行投球，管线刺漏风险高，连接管线劳动强度大［10-15］。目前，投球器压力级别普遍达不到140 MPa，迫切需要进行承压140 MPa远程控制投球器的研制。

1 技术分析

1） 投球器整体耐压能力需达到140 MPa。在密封设计时，不仅需要考虑投球器在高压下各连接处的静密封，还需考虑输出轴处的旋转动密封。

2） 投球器装球数量和球径范围需满足现有工况。考虑到国内实际工况，需保证投球器装球数量≥120个，球径范围覆盖？准13～？准22 mm，可投放密度1.25～2.18 g/cm3的暂堵球，并能实现装球、回收球操作简便。

3） 投球器需具备远距离精准投送能力。投球器需要研究伺服电机的选用与精细控制，将投球误差控制在合理范围内，实现投球器多次定量精准投球，将高压下摩擦扭矩控制在合理范围内，确保电机输出扭矩有安全余量。

4） 投球器需具有防砂卡、防锈蚀能力。投球器要满足加砂压裂和酸化压裂施工工艺，要防止投球器在使用后出现砂卡、腐蚀的情况，进而出现转不动、取不出、密封泄露等问题，因此需要考虑轴承及密封防砂卡，内部旋转部件防锈蚀的问题。

1.1 结构原理

暂堵转向压裂用远程控制投球器结构如图1 所示。由机械本体、遥控器、防爆线缆和远程控制箱四部分组成。机械本体由底座总成、球筒、顶盖总成、动力总成等组成。底座总成是用于连接压裂设备的三通；球筒内部采用螺旋输送原理，将暂堵球输送到底座三通；顶盖总成用于装球和保护球筒内部，采用中轴承外置的方式便于手动操作（可在意外情况下手动旋转装球、投球），顶盖总成采用分体式结构便于拆装；动力总成是一组防爆伺服电机，为机械本体的球筒提供旋转动力。遥控器用于设备端直接操作，防爆线缆把动力总成和远程控制箱连接起来。远程控制箱控制动力总成的防爆伺服电机的启停和正反转，实现投球、退球等操作。

1.2 工作流程

投球工作压裂施工前，将已在球筒内装满暂堵球的投球器本体通过高压管线与管汇橇和压裂车相连，远程控制箱放在远离施工高压区域60 m以外的地方，接入220 V交流电源，并通过防爆线缆连接到投球器本体的防爆伺服电机上。投球工作流程图如图2所示。

需投暂堵球时，设置好总投球数后，按下（开始/停止）按钮，电机带动螺旋轴低速旋转，设备自动投出设定数量的球后自动停止，暂堵球将连续、均匀地落入底座三通，随压裂液进入井中，同时，远程控制箱会实时显示已投的暂堵球数量。完成该段压裂后，再次设定需投球数，完成设定数量的暂堵球投放。在施工间隙补充暂堵球，按照上面操作完成下次投球。

1.3 主要技术参数

暂堵转向压裂用远程控制投球器主要技术参数如下所示：

接口形式 FIG2002（？准76.2 mm）

通径 ？准76.2 mm

额定工作压力 140 MPa

强度试验压力 210 MPa

球径范围 ？准13 mm～？准22 mm

装球数量 " " " 156个（？准18 mm～？准22 mm）/

186 个（？准13 mm～？准18 mm）

材料级别 AA

性能级别 PR1

适用介质 压裂液、携砂液、酸等

最大流量 3.34 m3/min

防护等级 IP65

远控距离 ≥60 m

自动投球速度 ≥120 个/min

1.4 技术特点

1） 承压能力高，投球器可承压140 MPa。

2） 投球精度高，可自动多次任意投放密度为1.25～2.18 g/cm3的暂堵球。

3） 装球数量多，覆盖球径范围广。

4） 耐酸、碱能力强，防砂效果好，适应多介质作业。

5） 可自动装球，顶盖总成重量轻，劳动强度低。

2 室内测试

暂堵转向压裂用远程控制投球器在组装好后进行无线传输试验、静水压强度试验、静水压密封试验、投球速度试验、带压转动试验、投球精度试验、高压循环状态投球试验，试验结果全部合格。经检测140 MPa暂堵转向压裂用远程控制投球器性能良好。各室内试验名称及结果如表1所示。

3 现场试验

3.1 威204某平台现场试验

投球器在威204某平台进行了第1次工业性试验，该平台采用“长段短簇+暂堵匀扩+控液增砂”压裂模式。投球器安装在井口爬坡管线之前，如图3～4所示。投放暂堵球球径为？准11 mm和？准13.5 mm两种，合计89颗，该平台完成共计4段的自动投放暂堵球的施工，现场最大施工压力73 MPa，工作一切正常，无刺漏。对投球器的退球功能也进行了验证，预留2颗暂堵球，施工结束后，进行退球操作，顺利取出2颗暂堵球，证明投球计数准确，退球功能正常。

3.2 大安1H某平台现场试验

投球器在大安1H某平台进行了第2次工业性试验，该平台使用可溶桥塞作为分段工具，采用电缆泵送桥塞+分簇射孔分段压裂工艺。投球器安装在压裂车和管汇撬之间，如图5～6所示，完成了6段的自动投放暂堵球的施工，投放暂堵球球径为？准18 mm和？准22 mm两种，合计57颗，现场最大施工压力100 MPa，试验过程中，偶遇大雨天气，投球器在大雨的恶劣环境中仍然能正常运行，验证了投球器的防护能力。

3.3 黄202某平台现场试验

投球器在黄202某平台进行了工业性试验，安装在电驱撬和高低压管汇撬之间，如图7～8所示。投球器在该平台完成了4段自动投放暂堵球的施工，投放暂堵球球径为？准15 mm，合计68颗。现场最大施工压力110 MPa左右，试验过程中没有出现泄露、刺漏等问题，各项功能均正常。在该平台进行了投球器远程遥控距离测试，将遥控器放置在距离投球器本体60 m以外的地方，无线信号连接正常，可通过遥控器正常操作投球器。

3.4 现场应用总结

投球器分别在威204某平台、大安1H某平台、黄202某平台进行了工业性试验，共作业14段，共投放暂堵球214颗，共投放？准11.5、？准15、？准19、？准22 mm四种规格暂堵球。在此期间投球器经过了近30段压裂，施工最高压力110 MPa，密封无刺漏。现场测试了投球器装球、投球、退球、无线信号传输功能，各项功能均正常。

现场试验表明该投球器自动化程度高，安全可靠。该装置与常规液压旋塞阀式投球器相比，可进行自动精确投球和退球。采用常规由壬连接，连接位置可选高低压管汇撬与井口之间，也可接单泵与高低压管汇撬之间，连接拆卸方便快捷，通用性强。

4 结论

1） 暂堵转向压裂用远程控制投球器整体耐压能力能达到140 MP，装球数量≥120个，球径范围覆盖？准13～？准22 mm，能自动投送任意数量和密度1.25～2.18 g/cm3的暂堵球，并能实现装球、回收球操作简便，同时具备远距离精准投送能力，且具有防砂卡、防锈蚀能力。

2） 该投球器基于螺旋输送原理，进行了投球器功能分析，开展了结构方案、远程控制等方面的研究，解决了现有液动旋塞阀投球器难以高压密封和多次定量精确计数的难题。工业试验应用证明该投球器能全面替代现有的液动旋塞阀投球器，满足140 MPa使用工况的要求，可实现不停泵远程控制投球，投球精度高，自动化程度高，劳动强度低，适应多介质作业。

3） 该投球器通过了出厂试验，且在威204某平台、大安1H某平台、黄202某平台得到有效应用。应用结果表明，该投球器操作简单、计数准确、安全可靠，满足国内超高压堵塞球分层压裂工况的使用要求。

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基金项目： 中国石油集团油田技术服务有限公司科研攻关项目“深层页岩气体积压裂关键技术研究与应用”（2022T-002-001）；中国石油天然气集团有限公司科学研究与技术开发项目“大功率智能电驱压裂装备关键技术研究”"（2022DJ4507）。

作者简介：刘晓旭（1979-），女，四川自贡人，工程师，现从事钻井及作业工具研究，E-mail：liuxiaoxu999@cnpc.com.cn。