一种油田压裂用投球装置

技术领域

本发明属于油田生产设备技术领域，涉及一种油田压裂用投球装置。

背景技术

目前，在油气田酸化压裂作业中，分层压裂一般包括：封隔器分层压裂、堵塞球选择压裂、限流阀分层压裂、蜡球选择性压裂四种形式。油气田多年的酸化分层压裂作业结果显示，传统的封隔器分层压裂、限流阀分层压裂、蜡球选择性压裂作业因工艺陈旧，作业难度大，压裂成本高，特别是在深井酸化压裂作业中，难以达到预期的分层压裂作业效果。相反，堵塞球选择压裂工艺因其分层压裂效果显著、投球堵塞操作便利、作业成本经济等原因，逐渐取代了其他传统分层压裂模式。本发明涉及的投球装置(或称投球器)就是进行堵塞球分层压裂必不可少的工艺设备。

根据压裂工艺的不同，投球器投球种类以及尺寸各不相同。压裂球有钢制球、低密度可降解球等，大多数情况下压裂球都为规则圆球形，不同工艺、压裂球尺寸都需要专门的投球器配套使用。随着压裂工艺的进步，出现了可溶暂堵塞，其形状不规则，由高强度、高耐磨纤维编制打结而成，为了顺利投放一般在施工前将其放入可溶壳体内部使其能使用投球器顺利进入高压管汇，但是实际施工中多使用电动或液动旋塞阀作为临时“投球器”来使用，经过实际试验在压力环境下组装球的壳体易损坏，如此其内部的可溶暂堵塞的特性很容易造成电动或液动旋塞阀旋塞(即其执行机构)的损坏，从而对施工造成影响甚至于造成严重的施工安全问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种油田压裂用投球装置。本发明通过对各种投球压裂施工需求的分析，开发出一种全面满足各种投球压裂工艺的投球装置，尤其可满足不规则形状的可溶暂堵塞的直接投放。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种油田压裂用投球装置，该装置包括常压计数单元以及设置在常压计数单元底部的高压投球单元，该高压投球单元包括承压本体、沿水平方向移动设置在承压本体内部的平移密封体以及与平移密封体传动连接的平移驱动机构，所述的承压本体的顶部设有进球口，所述的承压本体的底部设有高压流体通道，并且所述的进球口与高压流体通道错位设置，所述的平移密封体上沿竖直方向开设有上下贯通的置球腔，该置球腔的顶部与进球口相适配，底部与高压流体通道相适配。常压计数单元将压裂球按照所需的数量经进球口定量投放在置球腔中，之后平移驱动机构带动平移密封体运动，将置球腔中的压裂球带至高压流体通道中，在高压流体通道中的流体以及重力作用实现压裂球的投放，之后平移密封体复位。

优选地，该装置还包括与平移驱动机构相连的电缆与远程控制模块。由于油田设备需要极高的可靠性要求，故使用电缆连接，在技术可靠的情况下完全可使用无线传输控制的模式。

进一步地，所述的承压本体的内部沿水平方向开设有平移密封体活动腔，所述的平移密封体移动设置在平移密封体活动腔中，所述的进球口、高压流体通道分别与平移密封体活动腔相连通。

进一步地，所述的进球口位于承压本体一端的顶部，所述的高压流体通道位于承压本体另一端的底部。

进一步地，所述的平移密封体活动腔内设有密封机构，该密封机构位于平移密封体与承压本体之间。

进一步地，所述的密封机构包括并列设置的第一密封组件、第二密封组件及第三密封组件，所述的第一密封组件及第二密封组件均位于进球口与高压流体通道之间，所述的高压流体通道位于第二密封组件与第三密封组件之间。

进一步地，所述的第一密封组件、第二密封组件及第三密封组件均为压裂泵液力端柱塞盘根密封组件，所述的压裂泵液力端柱塞盘根密封组件环绕在平移密封体的外部，并与平移密封体活动腔的内壁固定连接。

进一步地，所述的第一密封组件与第二密封组件之间形成压力过渡区，所述的装置还包括连通管路及泄压管路，所述的连通管路的一端与压力过渡区相连通，另一端与高压流体通道相连通，所述的泄压管路与压力过渡区相连通。第一密封组件一侧为常压区，第一密封组件与第二密封组件之间为压力过渡区，第二密封组件与第三密封组件之间为高压区。在投球过程中，通过连通管路实现压力过渡区与高压流体通道内压力的平衡；在作业后以及检修时，通过泄压管路将压力过渡区内的高压释放。

进一步地，所述的连通管路上设有平衡阀，所述的泄压管路上设有泄压阀。

进一步地，所述的平移驱动机构包括丝杠螺母组件及电机，所述的丝杠螺母组件的螺母与平移密封体的一端相连，所述的丝杠螺母组件的丝杠与电机传动连接。电机与丝杠之间可根据需要设置减速器、联轴器等部件。

进一步地，所述的常压计数单元包括竖直设置在承压本体上的导向套以及转动设置导向套内的螺旋轴，所述的导向套的底部与进球口相适配，所述的导向套的内壁上开设有多个沿竖直方向设置的储球槽。将压裂球放置在储球槽与螺旋轴的螺旋腔之间，随着螺旋轴的转动，压裂球逐渐向下运动，最终落入进球口下方的置球腔中。具体而言，螺旋轴在旋转过程中，存储于储球槽中的压裂球会受到导向套的约束轴向向下运动直至跌落，螺旋轴每旋转一周，压裂球向下移动螺旋轴一个导程的轴向距离。通过精确控制，螺旋轴的旋转即可实现压裂球的精确计数。由于常压计数单元不涉及高压环境、流体密封等问题，可设计为多种形式，例如可更简易地设计为敞开式储球仓体加光电传感器、超声传感器技术的结构，依靠重力作用检测通过球的数量来实现准确计数。传感器的作用是实现对通过物体的检测与计数功能。采用机械式计数(螺旋轴加导向套的结构或其它典型机械结构)的好处是在电机或者控制系统失效的情况下，可进行手动操作来实现常压投球的精确计数。

本发明中，高压投球单元在单独工作模式下，可提前通过进球口向置球腔中投入额定数量的压裂球，当施工开始后，远程或者手动控制丝杠螺母组件旋转实现平移密封体的轴向直线运动。当平移密封体移动到高压流体通道时，由于流体以及重力作用实现压裂球的投放，投放完成后丝杠螺母组件反转实现平移密封体的复位。平移密封体的运动受到设置的限位开关的限制，到达指定位置后会自动停止，在整个过程中三组密封组件始终起到密封高压流体的作用，形式采用压裂泵液力端典型的盘根组合密封形式，由于平移密封体是直线运动，会最大限度减小压裂液颗粒或者可溶暂堵塞纤维对密封性能的影响，可靠耐用。当与常压计数单元联合使用时，首先常压计数单元按照预定要求向置球腔中投入精确数量的压裂球，常压计数单元的动作完成后，高压投球单元动作，实现压裂球进入高压管汇。高压投球单元在电机或者控制系统失效的情况下可进行手动操作功能，手动旋转丝杠螺母组件即可实现压裂球的高压释放。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明采用常压计数、高压投球的工作模式，其中平移密封体采用平移输送方式，将常压区的压裂球定量输送至高压区并实现压裂球的投放，适用于各种尺寸的钢制球、低密度可降解球以及可溶暂堵塞的投球压裂施工，一套设备满足各种施工要求，承受压力高(可达到105Mpa或以上)；

2)本发明能广泛应用于油气井酸化各种投球压裂作业，特别是非常规天然气水平井分段压裂作业，适应各种压裂球以及不规则暂堵塞；

3)本发明不受压裂液的粘度、密度和含沙量大小的影响，保证了高压投球作业时的大扭矩，不受压裂作业压力波动的影响；

4)本发明理论上装球数量不受限制，由于常压计数单元在常温、常压、非密封环境下工作，所以设计约束条件较小，体积几乎不受限制，实际上常见的7/8"球安装400个以上完全可以实现；

5)本发明主体结构为上、下两部分充分利用空间的立体型式，有效节约压裂施工场地；

6)本发明结构简单，控制可靠(相比于液压、气动控制)，自动模式与手动模式可自由切换。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的竖向剖视结构示意图；

图3为本发明中连通管路及泄压管路的结构示意图；

图4为本发明中常压计数单元的竖向剖视结构示意图；

图5为本发明中常压计数单元的分解结构示意图；

图6为本发明中导向套的俯视结构示意图；

图中标记说明：

1—承压本体、2—平移密封体、3—进球口、4—高压流体通道、5—置球腔、6—平移密封体活动腔、7—第一密封组件、8—第二密封组件、9—第三密封组件、10—压力过渡区、11—连通管路、12—泄压管路、13—平衡阀、14—泄压阀、15—电机、16—导向套、17—螺旋轴、18—储球槽、19—丝杠螺母组件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例：

如图1、图2所示的一种油田压裂用投球装置，包括常压计数单元以及设置在常压计数单元底部的高压投球单元。高压投球单元包括承压本体1、沿水平方向移动设置在承压本体1内部的平移密封体2以及与平移密封体2传动连接的平移驱动机构，承压本体1的顶部设有进球口3，承压本体1的底部设有高压流体通道4，并且进球口3与高压流体通道4错位设置，平移密封体2上沿竖直方向开设有上下贯通的置球腔5，该置球腔5的顶部与进球口3相适配，底部与高压流体通道4相适配。高压投球单元还包括减速器、传感器、联轴器、电缆及远控操作端和防爆电气控制箱等，其作用是在常压计数单元完成在常压环境下压裂球定量投放后，使其进入压裂高压管汇或单独使用直接将预置一定数量的压裂球投入高压管汇。

其中，承压本体1的内部沿水平方向开设有平移密封体活动腔6，平移密封体2移动设置在平移密封体活动腔6中，进球口3、高压流体通道4分别与平移密封体活动腔6相连通。进球口3位于承压本体1一端的顶部，高压流体通道4位于承压本体1另一端的底部。平移密封体活动腔6内设有密封机构，该密封机构位于平移密封体2与承压本体1之间。密封机构包括并列设置的第一密封组件7、第二密封组件8及第三密封组件9，第一密封组件7及第二密封组件8均位于进球口3与高压流体通道4之间，高压流体通道4位于第二密封组件8与第三密封组件9之间。第一密封组件7、第二密封组件8及第三密封组件9均为压裂泵液力端典型的盘根组合密封形式，环绕在平移密封体2的外部，并与平移密封体活动腔6的内壁固定连接。

如图3所示，第一密封组件7与第二密封组件8之间形成压力过渡区10，装置还包括连通管路11及泄压管路12，连通管路11的一端与压力过渡区10相连通，另一端与高压流体通道4相连通，泄压管路12与压力过渡区10相连通。连通管路11上设有平衡阀13，泄压管路12上设有泄压阀14。

平移驱动机构包括丝杠螺母组件19及电机15，丝杠螺母组件19的螺母与平移密封体2的一端相连，丝杠螺母组件19的丝杠与电机15传动连接。电机15优选为防爆伺服电机。

如图4、图5、图6所示，常压计数单元包括竖直设置在承压本体1上的导向套16以及转动设置导向套16内的螺旋轴17，导向套16的底部与进球口3相适配，导向套16的内壁上开设有多个沿竖直方向设置的储球槽18。常压计数单元还包括计数器、防爆电气控制箱等，由于不需要在常压环境下密封工作，不涉及高压环境、流体密封等问题，故可采用多种实施方式，本实施例提供了一种典型的螺旋轴旋转计数模式，即压裂球随着螺旋轴17旋转沿导向套16逐渐下移，螺旋轴17每旋转一圈，压裂球下降一个螺旋轴导程，直至压裂球掉落进入置球腔5中。此外，也可使用光电传感器、超声传感器等技术模式来实现常压下投球的准确计数功能。本实施例投球装置的装球方式为上装式，系统防爆等级高。

投球装置还可进一步包括控制系统，控制系统由电缆与常压计数单元及高压投球单元连接，实现远程控制以及投球结果记录，控制系统具备控制常压计数单元、高压投球单元联合工作的功能，也可以实现各个单元的单独控制，在技术可靠的情况下完全可使用无线控制的方式。控制系统采用集成控制电路，终端驱动采用固态继电器，能有效隔离控制信号和驱动电路，提高了整个系统的抗干扰能力，驱动负载能力大。以模块化设计的控制电路板可随意配置驱动终端执行元器件，电源采用单相交流220V/50Hz，供电方便。或者，通过电机选型24V直流电源也可满足设备要求。数据及设置采用触控屏显示，显示数据准确清晰。控制部分可由电缆远程连接，具有远程控制功能，通过远程操作面板可实现常压计数单元、高压投球单元的联合动作以及单独控制，实现精确数量投球的指令输入，在技术可靠情况下也可使用无线传输形式。

投球装置还可进一步包括电气控制面板，控制面板绝大部分为可触控操作面板，触控屏具有显示已投球数、设置预投球数、安装球数输入、系统电压、电流、设备状态等信息，通过触控面板可以很方便地输入参数，触控面板联合面板按键可实现高压投球单元的单独工作或者常压计数单元、高压投球单元的联合工作并记录相关信息。

高压投球单元由控制系统控制动作，当常压计数单元完成常压投球的动作后，高压投球单元启动，由电机15、减速器、丝杠螺母组件19完成平移密封体2的轴向移动，直至置球腔5与高压流体通道4中的压裂液接触实现压裂球的投放。高压投球单元设置有前后两个机械式限位开关，平移密封体2移动到指定位置后，电机15、减速器停止工作，停留固定时间至压裂球完全投放，之后自动归位等待下一次动作指令。

高压投球单元可单独工作，实现精确数量压裂球的一次投放，同时高压投球单元具有手动控制的功能，若自动控制出现故障而无法工作时，可立即进行手动控制投球作业，不会影响其正常工作。

本投球装置适用于目前所有压裂投球工艺所使用压裂球、暂堵塞的准确定量、连续投放，不论是球形还是不规则几何体。

本投球装置中，常压计数单元和高压投球单元同时具备自动控制和手动控制两种模式，手动控制可在自动控制出现故障时实现继续投球作业。

本投球装置可实时动态监控整个控制系统的工作电压和工作电流，出现异常情况会自动切断控制系统电源；

本投球装置可实时动态显示累计投球数量、一次投球数量、投球操作次数等工艺信息；

本投球装置可具备过载保护功能和防爆功能，符合油田HSE要求，安全可靠。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。