水平井分層壓裂自動投球器的製作方法

2023-12-12 23:41:52

本發明涉及頁巖氣排採領域的井下壓裂裝備，尤其是一種通過井口投壓裂球來實現水平井分段壓裂的水平井分層壓裂自動投球器。

背景技術：

作為一種全新出現的清潔性能源，頁巖氣正逐漸成為全球的能源開發的熱點。與普通的常規天然氣相比，頁巖氣的資源開發潛力很有可能大於常規天然氣，但是頁巖氣藏具有低飽和度、低滲透率等特徵，氣體阻力與常規天然氣大相比要一些，所以一般情況下頁巖氣不能進行自產或者產量很低，其採收率很低，無法實現大規模地經濟性開採。頁巖氣的氣流阻力大，如果採用傳統的開採方式，增加了頁巖氣儲層的開發難度，因此頁巖氣儲層都需要經過壓裂改造才能實現經濟性開採。頁巖氣的開採方式主要是以水平井和分段壓裂結合的技術，這種壓裂開採方式能將地層中既存的裂縫與壓裂施工過程中形成的裂縫聯通起來進而形成龐大的裂縫網絡，在很大程度上提高了頁巖氣的採收率和開發效率。水平井分層壓裂技術有很多種工藝技術，每種工藝技術都有與其相配套的壓裂工具，投球壓裂技術是水平井分段壓裂的常見壓裂技術，投球壓裂技術依靠在井口投壓裂球來完成壓裂，因此井口投球器在水平井分段壓裂中起到了很大的作用。

但是，目前我國投球器還存在很多不足的地方，具體體現在以下這幾個方面：我國投球裝置的結構過於複雜、不好操作，而且工人操作時費時費力；所投壓裂球的數目有限，不能實現多段壓裂；而且不能進行連續投球，使得壓裂施工的工作效率很低；承受壓力的能力較差，承受高溫的能力也較差；國內的投球器大多不能進行自動投球，一般都需要機械式投球，國外研究出的自動投球器可以進行自動投球，減少工人的勞動強度，同時可以在惡劣的環境下進行遠程操作；國內設計的有些投球器投球時需要洩壓，打開投球器重新裝球，不僅操作費時，洩壓時也會引起安全隱患。

技術實現要素：

本發明旨在解決背景技術中提到的問題，本發明提出了一種通過井口投壓裂球來實現水平井分段壓裂的水平井分層壓裂自動投球器，可以代替現有的投球器，其採用的技術方案如下：

水平井分層壓裂自動投球器，包括自動投球器和液壓控制系統；所述自動投球器包括六角安裝螺母、主體法蘭蓋、雙頭連接螺栓、壓裂球、缸頭固定螺釘、雙頭活塞杆、液壓缸缸體、固定螺釘、前缸蓋、後缸蓋、前導向套、後導向套、投球器主體、導向套卡鍵、高壓密封圈、前油口和後油口，其中投球器主體頂部和頂部為法蘭結構，兩側開有相同數目的雙頭液壓缸的安裝螺紋孔和工作孔，中部開有通腔，其底端法蘭通過雙頭連接螺栓和六角安裝螺母與壓裂井口樹的液控旋塞閥連接，其頂部法蘭通過雙頭連接螺栓和六角安裝螺母與主體法蘭蓋連接，所述雙頭活塞杆、液壓缸缸體、固定螺釘、前缸蓋、後缸蓋、前導向套、後導向套、導向套卡鍵、高壓密封圈、前油口和後油口組成雙頭液壓缸，其中液壓缸缸體前端為法蘭結構，並通過缸頭固定螺釘和投球器主體兩側的安裝螺紋孔將液壓缸缸體安裝在投球器主體兩側，液壓缸缸體的前部和後部內側開有安裝槽並在安裝槽中安裝導向套卡鍵，前導向套利用固定螺釘、前缸蓋和導向套卡鍵安裝在液壓缸缸體的前部，後導向套利用固定螺釘、後缸蓋和導向套卡鍵安裝在液壓缸缸體的後部，前導向套和後導向套內側和外側均開有安裝槽並在安裝槽中安裝高壓密封圈，並在其內側分別支撐雙頭活塞杆前端光杆區和後端光杆區，雙頭活塞杆中部外側開有安裝槽並在安裝槽中安裝高壓密封圈，其前端光杆區通過投球器主體側面的工作孔進入中部的通腔，前油口焊接在液壓缸缸體前部，位於前導向套後端，後油口焊接在液壓缸缸體後部，位於後導向套前端；

所述液壓控制系統包括液控單向閥、三位四通電磁換向閥、二位四通電磁換向閥、單向節流閥和液壓泵；液壓缸缸體的左腔與油箱接通，液壓缸缸體的右腔和液控單向閥連接，液控單向閥連接三位四通電磁換向閥和二位四通電磁換向閥，三位四通電磁換向閥連接單向節流閥；三位四通電磁換向閥和二位四通電磁換向閥連接液壓泵。

進一步優化，壓裂球按直徑從小到大的順序利用雙頭活塞杆從下到上依次放置在投球器主體中部的通腔的不同分段中；在使用本發明工作前，通過液壓控制櫃遠程控制雙頭液壓缸工作，完成壓裂球的裝載過程；在使用本發明工作時，通過液壓控制櫃遠程控制雙頭液壓缸工作，依次釋放投球器主體中部的壓裂球，之後壓裂球依靠重力落到壓裂井口中，然後隨壓裂液進入井中，到達要壓裂的地層位置，打開投球壓裂滑套，完成壓裂。

在放球充壓時，三位四通電磁換向閥的b端得電，實現電磁換向閥的右位機能。

液壓缸缸體放球充壓時，液壓泵緩慢開啟，高壓油液通過液控單向閥進入到液壓缸缸體的右腔，投球器處於洩壓狀態，投球器內的壓力為常壓，作用在液壓缸缸體左腔的活塞杆的力為0，液壓缸活塞向左運動。

液壓缸缸體放球充壓時，液壓缸缸體的右腔的壓力應達到p=16Mpa。

投球器投球過程，三位四通電磁換向閥的a端得電，實現左位機能，同時二位四通換向閥得電，實現左位機能。

液控單向閥的控制油路與液壓泵接通，液控單向閥的控制壓力上升，接通液控單向閥的進出油口，經過液控單向閥的油液雙向流動。

本發明具有如下優點：一次裝球後就可以通過液壓遠程控制實現多次投球；提高壓裂施工的安全性，同時易於操作，減輕工作強度，同時還能減小壓裂生產成本，從而實現安全、高效、連續投球，對於提高頁巖氣產量、實現頁巖氣的經濟性開採起到了至關重要的作用。

附圖說明

圖1：本發明水平井分層壓裂自動投球器的內部結構圖，

圖2：本發明水平井分層壓裂自動投球器的整體結構圖，

圖3：本發明水平井分層壓裂自動投球器的雙頭液壓缸內部結構圖,

圖4：本發明水平井分層壓裂自動投球器的液壓控制系統結構圖。

1.六角安裝螺母，2.主體法蘭蓋，3.雙頭連接螺栓，4.壓裂球，5.缸頭固定螺釘，6.雙頭活塞杆，7.液壓缸缸體，8.固定螺釘，9.前缸蓋，10.後缸蓋，11.前導向套，12.後導向套，13.投球器主體，14.導向套卡鍵，15.高壓密封圈，16.前油口，17.後油口，18. 液控單向閥，19.三位四通電磁換向閥，20.二位四通電磁換向閥，21.單向節流閥，22.液壓泵。

具體實施方式

下面結合附圖和實例對本發明作進一步說明：

如圖1-圖3所示，本發明水平井分層壓裂自動投球器，包括六角安裝螺母1、主體法蘭蓋2、雙頭連接螺栓3、壓裂球4、缸頭固定螺釘5、雙頭活塞杆6、液壓缸缸體7、固定螺釘8、前缸蓋9、後缸蓋10、前導向套11、後導向套12、投球器主體13、導向套卡鍵14、高壓密封圈15、前油口16和後油口17，其中投球器主體13頂部和頂部為法蘭結構，兩側開有相同數目的雙頭液壓缸的安裝螺紋孔和工作孔，中部開有通腔，其底端法蘭通過雙頭連接螺栓3和六角安裝螺母1與壓裂井口樹的液控旋塞閥連接，其頂部法蘭通過雙頭連接螺栓3和六角安裝螺母1與主體法蘭蓋2連接，壓裂球4按直徑從小到大的順序利用雙頭活塞杆6從下到上依次放置在投球器主體13中部的通腔的不同分段中，所述雙頭活塞杆6、液壓缸缸體7、固定螺釘8、前缸蓋9、後缸蓋10、前導向套11、後導向套12、導向套卡鍵14、高壓密封圈15、前油口16和後油口17組成雙頭液壓缸，其中液壓缸缸體7前端為法蘭結構，並通過缸頭固定螺釘5和投球器主體13兩側的安裝螺紋孔將液壓缸缸體7安裝在投球器主體13兩側，液壓缸缸體7的前部和後部內側開有安裝槽並在安裝槽中安裝導向套卡鍵14，前導向套11利用固定螺釘8、前缸蓋9和導向套卡鍵14安裝在液壓缸缸體7的前部，後導向套12利用固定螺釘8、後缸蓋10和導向套卡鍵14安裝在液壓缸缸體7的後部，前導向套11和後導向套12內側和外側均開有安裝槽並在安裝槽中安裝高壓密封圈15，並在其內側分別支撐雙頭活塞杆6前端光杆區和後端光杆區，雙頭活塞杆6中部外側開有安裝槽並在安裝槽中安裝高壓密封圈15，其前端光杆區通過投球器主體13側面的工作孔進入中部的通腔，前油口16焊接在液壓缸缸體7前部，位於前導向套11後端，後油口17焊接在液壓缸缸體7後部，位於後導向套12前端。

在使用本發明工作前，關閉與投球器主體13下部連接的液控旋塞閥，取下主體法蘭蓋2，從小到大依次裝載壓裂球4到投球器主體13中部的通腔中，在裝載壓裂球4的過程中，通過液壓控制櫃遠程控制雙頭液壓缸工作，通過後油口17進高壓油，前油口16出低壓油，從而推動雙頭活塞杆6前行以分隔投球器主體13中部的通腔，使得不同分段從下到上依次存儲從小到大不同口徑的壓裂球4，壓裂球4裝載完畢後利用六角安裝螺母1和雙頭連接螺栓3固定好主體法蘭蓋2以實現封蓋功能；在使用本發明工作時，打開與投球器主體13下部連接的液控旋塞閥，投球器主體13與井口壓裂樹接通，此時投球器主體13內部為高壓工作環境，高壓密封圈15起密封作用，防止投球器主體13內部的高壓壓裂液溢出，當需要投球時，通過液壓控制櫃遠程控制雙頭液壓缸工作，通過前油口16進高壓油，後油口17出低壓油，推動雙頭活塞杆6後行，從而從下到大依次釋放投球器主體13中部的壓裂球4，之後壓裂球4依靠重力落到壓裂井口中，然後隨壓裂液進入井中，到達要壓裂的地層位置，打開投球壓裂滑套，完成壓裂；在雙頭活塞杆6運動過程中，前導向套11和後導向套12起導向作用，防止雙頭活塞杆6偏離運動軌道。

如圖4所示，液壓控制系統包括液控單向閥18、三位四通電磁換向閥19、二位四通電磁換向閥20、單向節流閥21和液壓泵22；液壓缸缸體7的左腔與油箱接通，液壓缸缸體7的右腔和液控單向閥18連接，液控單向閥18連接三位四通電磁換向閥19和二位四通電磁換向閥20，三位四通電磁換向閥19連接單向節流閥21；三位四通電磁換向閥19和二位四通電磁換向閥20連接液壓泵22。

當控制油路未接通壓力油液時，和普通單向閥一樣，壓力油液經過液控單向閥18隻能正常流動；當控制油路有壓力油液輸入時，可以接通液控單向閥18的進出油口，通過液控單向閥18的油液既可以正向流動，也可以反向流動，從而實現油液的雙向流動。

放球充壓階段：

在放球充壓時，三位四通電磁換向閥19的b端得電，實現三位四通電磁換向閥19的右位機能；液壓缸缸體7放球充壓時，液壓缸缸體7的右腔的壓力應達到p=16MPa液壓缸缸體7放球充壓時，液壓泵22緩慢開啟，高壓油液通過液控單向閥18進入到液壓缸缸體7的右腔，這時，投球器處於洩壓狀態，投球器內的壓力為常壓，作用在液壓缸缸體7左腔的活塞杆的力為0，液壓缸活塞會向左運動當活塞杆左行至最左端行程位置時，繼續有壓力油液進入液壓缸缸體7的右腔室，直至右腔室壓力達到16MPa當右腔壓力達到16MPa之後，三位四通電磁換向閥19斷電，恢復中位機能，液壓缸缸體7的右腔不再進油，活塞向左運動結束；此時，打開投球器上端法蘭進行放球，完成投球器的裝球。

投球階段：

投球器投球過程，三位四通電磁換向閥19的a端得電，實現左位機能，同時二位四通電磁換向閥20得電，實現左位機能。如圖，液控單向閥18的控制油路與液壓泵22接通，液控單向閥18的控制壓力上升，接通液控單向閥18的進出油口，經過液控單向閥18的油液可以雙向流動。

投球過程中，與投球器下部相連接的液控旋塞閥打開，此時，投球器與壓裂井口相通，投球器內的壓力為105MPa，液壓缸左側活塞杆受力FN=206.167kN，液壓缸缸體7活塞向右運動，此時，液控單向閥18反向接通，液壓缸缸體7右腔的油液通過液控單向閥18回到油箱，完成一個迴路。在投球階段中，液壓缸缸體7的活塞向右運動，當活塞運動到行程位置時，二位四通電磁換向閥20失電，液控單向閥18控制油路沒有壓力油通過，液控單向閥18隻能正向接通，液壓缸活塞結束運動。