一种全系列大容量自动装球数字控制分段压裂投球器

摘要

一种全系列大容量自动装球数字控制分段压裂投球器，包括投球器体，交流数字伺服电动机、球室、投球器驱动端和投球器排出端，通过交流数字伺服电动机带动链条旋转带动链条上的球室旋转，同时通过可编程控制器及位置传感器实现有序或无序投球。本发明能广泛应用于油气井酸化压裂作业，特别是非常规天然气水平井的分段分层压裂作业，其装球数量多，可达33个任意级差的球，装球时可从任意球室位置起进行有序或无序装球；可进行任意球位置起有序或无序投球；装球方式有自动装球或手动装球两种模式；投球方式有自动投球方式和手动投球方式两种模式；所有内壁采用防腐、防酸碱工艺处理，所有与压裂液接触的零部件表面镀铬，密封部位采用V型和O型密封，极大地保证了高压作业下的密封。

说明书

技术领域

本发明是涉及油气田常规和非常规油气水平井、垂直井分段、分层酸化压裂作业领域，具体说是一种全系列大容量自动装球数字控制分段压裂投球器。

背景技术

随着科学技术的发展，能源的需求不断增大，而常规性的能源矿藏量日益减少，同时开采量已越来越不能满足社会发展的需求。作为常规能源的重要补充，页岩气非常规能源成为一种新型的能源。在国外页岩气成熟技术开采的引领下，中国页岩气储量为全球最多的国家，同时页岩气非常规能源产业已经起步，随着政策支持力度的加大，将会出现大规模的发展，石油装备市场将会更加的繁荣。许多新设备、新工艺应运而生，以满足页岩气的开采。为了提高低渗、特低渗透油气藏储量动用程度和采收率，压裂工艺是油田能源开发广泛应用的一项成熟增产技术，是提高采收率的重要手段。目前压裂技术又成为页岩气等非常规能源开发基本的必要的完井工艺技术。页岩气等非常规能源开发主要以水平井钻井和分段压裂完井的方式开采。投球打滑套分段压裂具有分段可靠，施工周期短，费用低、放喷后即可投产的优点，是水平井压裂的主要应用形式。投球打滑套分段压裂通过投球打开滑套的方法实现分多段压裂完井。因此投球器是水平井投球打滑套分段压裂必不可少的设备。

在页岩气的开采中，需将按水平构造的页岩层在高压酸化介质的作用下撑开，注入气体可渗透的介质，使得页岩气按设计的路径汇集到输气管道。为此在水平井分段压裂酸化作业中，将水平井分段压裂封堵投球器是页岩气开采必不可缺的设备。

目前，在页岩气的酸化压裂作业中，投球打滑套分段压裂采用滑套封堵结构，即按滑套的直径将相应直径的封堵球投入到井内，靠高压酸化压裂液的流动力，将封堵球推至井内对应的滑套口位置进行封堵，就可进行对此段的压裂。滑套直径是由小到大的顺序进行排列，堵塞球也必须由小到大进行投入，球直径和滑套直径是一一对应的。

封堵球有耐高压金属空心球，耐高压聚氨酯实心球，球的直径是一组等差数列球，公差有三种规格分别为：1/16″（1.5875mm）、1/8″（3.715mm）、1/4″（6.35mm）三种，其中最小球的直径为0.75″（19.05mm），最大球的直径国外4.75″（120.65mm），国内3.75″（95.25mm）。由于页岩气水平酸化压裂作业中所用的封堵球直径存在三种公差，现有的投球器只能适合于一种球直径公差，不能同时适用于三种球直径公差。装球时必须从小到大有序地装球，同样在投球时也必须从小到大有序投球，无法适应不同尺寸的滑套封堵机构有选择地从某一直径值开始有序或无序投球。市场上现有的投球器目前较先进有两种均属美国制造，一种装球数量最多26只，装球方式只能是有序的从小到大进行，投球方式：依靠球自身重量向下进入压裂液流动管道内，球的比重必须大于压裂液介质的密度（不利于压裂完工后对球的处理），球的下降带动磁铁直观显示球室的球位，不能动态地显示球位位置，额定工作压力105MPa。另一种装球数量6只，装球数量少，单个投球器不能完成一口井的分段压裂，可由多个投球器分级联成同一系列的大容量投球器阵列进行分段压裂。额定工作压力105MPa，装球方式只能有序的从小到大进行，投球方式：电机带动丝杠推送，对球的密度没有要求，这种投球器设备成本大，现场安装繁琐，不同的投球器安装的不同球径的球须现场标明，控制过程复杂。

因此现有的分段压裂投球器存在装球数量少，装球只能有序地从小到大装球，投球时必须从小到大投球，每种投球器只能适合一种球直径公差，额定工作压力低，无法动态地显示球在球室的位置及球径，不能从任意球径起进行有序或无序地投球，装球方式为人为装球，易造成装球混乱，不适用不同密度球等缺陷。

发明内容

综上所述，本发明的目的在于提供一种全系列大容量自动装球数字控制分段压裂投球器，克服了现有分段压裂投球器的缺陷。

本发明的目的是通过以下技术来实现的：

一种全系列大容量自动装球数字控制分段压裂投球器，包括投球器体、支架、交流数字伺服电动机Ⅰ、减速机、弹性联轴节Ⅰ、主动链轮、链条、球室、弹性联轴节Ⅱ、消隙齿轮组、光电接收发送组件、交流数字伺服电动机Ⅱ、弹性联轴节Ⅲ、主动直齿齿轮、外啮合被动直齿齿轮、内啮合被动直齿齿轮、防爆电气控制箱、可编程控制器、触摸屏和位置检测传感器，

投球器体包括投球器驱动端、投球器体Ⅰ、投球器体Ⅱ、投球器体Ⅲ 和投球器排出端；投球器驱动端、投球器体Ⅰ、投球器体Ⅱ、投球器体Ⅲ和投球器排出端通过螺栓连接为一体；投球器体固定在支架上；

投球器驱动端两侧分别设有交流数字伺服电动机Ⅰ和防爆箱；投球器驱动端内设有传动轴Ⅰ；传动轴Ⅰ上设有主动链轮；防爆箱内设有齿轮轴、格林码盘、传动轴Ⅱ、消隙齿轮组和光电接收发送发送组件；

传动轴Ⅰ两端分别设有弹性联轴节Ⅰ和弹性联轴节Ⅱ；

投球器排出端两侧设有压裂液流入及流出的接口；投球器排出端的径向外侧设有装球口和排残液口；投球器排出端内设有传动轴Ⅳ和传动轴Ⅲ ；传动轴Ⅲ 上设有主动直齿齿轮；传动轴Ⅳ上设有被动链轮、外啮合被动直齿齿轮和内啮合被动直齿齿轮； 

传动轴Ⅲ 的一端设有弹性联轴节Ⅲ ；弹性联轴节Ⅲ 的另一端设有交流数字伺服电动机Ⅱ；交流数字伺服电动机Ⅱ内设有位置检测传感器；

主动链轮通过链条连接被动链轮；链条上设有33个球室；

外啮合被动直齿齿轮和内啮合被动直齿齿轮上设有网状栅栏。

上述的交流数字伺服电动机Ⅰ带动减速机；减速机通过弹性联轴节Ⅰ带动传动轴Ⅰ转动；传动轴Ⅰ转动分别带动主动链轮和弹性联轴节Ⅱ转动；主动链轮带动链条旋转，链条带动球室旋转；弹性联轴节Ⅱ带动齿轮轴旋转，齿轮轴带动消隙齿轮组旋转，消隙齿轮组带动传动轴Ⅱ旋转，传动轴Ⅱ带动格林码盘11旋转。

上述的交流数字伺服电动机Ⅱ通过弹性联轴节Ⅲ 连接传动轴Ⅲ ，传动轴Ⅲ 带动主动直齿齿轮在26°范围内做正、反向旋转；主动直齿齿轮带动外啮合被动直齿齿轮及内啮合被动直齿齿轮旋转；外啮合被动直齿齿轮及内啮合被动齿轮带动网状栅栏作打开或关闭运动。

上述的交流数字伺服电动机Ⅰ和交流数字伺服电动机Ⅱ通过控制线和动力线与防爆电气控制箱相连。

上述的光电接收发送组件的信号线和电源线与防爆电气控制箱相连。

本发明装球方式有自动装球或手动装球两种模式；

在该发明投球控制系统中装球方式设置有：自动装球和手动装球，当选择“自动装球”方式时，该发明投球器控制系统，首先与一种分段压裂自动装球/自动筛选装置(选配件)控制系统进行通讯，当该发明控制系统判断与一种分段压裂自动装球/自动筛选装置通讯无误后，由该发明主控制系统向一种分段压裂自动装球/自动筛选装置发出系统复位指令，当一种分段压裂自动装球/自动筛选装置控制系统接收到该发明主控制系统向它发出的复位指令后，首先判断一种分段压裂自动装球/自动筛选装置是否在机械零位，若不在零位，由可编程控制器向筛选交流伺服控制系统发出归零指令，归零指令包括脉冲信号及方向信号，归零速度在操作面板设有速度调整旋钮，速度范围为25%、50%、75%、100%系统内部设置速度，系统内部设置速度为不超过交流数字伺服系统最高速度的数值，可在触摸屏上由操作者自由设置，当一种分段压裂自动装球/自动筛选装置控制器判断接近机械原点时，减速按系统内部设置速度F0慢慢逼近机械原点，当判断自动装球及筛选控制系统的筛选系统为机械原点时，由自动筛选及装球系统控制向该发明控制系统发出自动装球及筛选控制系统准备就绪指令信号，当该发明控制系统接收到自动装球及筛选控制系统发出的系统准备就绪指令后，该发明控制器判断投球器由小到大所空球位的球径，并以6位二进制TTL信号向自动装球及筛选控制系统发出所对应球径的6位二进制码信号，自动装球及筛选控制系统接收到主控制系统发送的6位TTL球径信号后，由自动装球及筛选控制系统与所需球径的机械位置6位二进制数值比较，若相等则装球控制交流伺服电机及控制装置、检测装置归位，若不相等则断开，将球送入自动装球及筛选装置的接球口。运动时先从机械原点运动到第一球径对应的机械位置，并由小到大运行，当符合要求的球径送入该新型投球器时，由对射式光电开关检测到唯一一次信号后，主控制器判断成功装入所需球径，并自动旋转到下一个球位，同样进行上述程序处理过程，直至装完所空球位的所有球，由该发明投球器的控制器向自动装球及筛选控制器发出装球过程完成，自动装球及筛选控制系统停止工作。

当在同一球位时，对射式光电开关接收到大于1的脉冲信号后，该发明投球器控制器发出报警并终止自动装球及筛选控制系统运行，报警号ZD01，报警内容：同一球室装入了过多球，此时表明同一球位装入了几个球，并在显示屏上显示报警代号及报警内容，由操作者进行报警分析及处理，当操作者处理报警信息后，按该发明主控制器上的“报警解除”按钮后，主控制器向自动装球及筛选控制系统发出主控制系统准备就绪信号后，自动装球及筛选控制系统正常工作。该报警只能由主控制发出指令解除。

当装球时，若该发明投球器内所有球位为空时，按就近位置控制系统将球位转到就近装球位置，并将该球位对应的球径写入保持性数据寄存器中，该发明投球装置每个球位具备唯一的球位识别ID码，同时在显示屏上显示：球位及球位对应的球径，若球位没有装入球则球位对应的球径为空，当装球正确无误完成后，该发明投球器主控制器向自动筛选及装球装置发出装球完成指令后，该发明投球器自动转到下一个球位，并同时向自动装球及筛选控制系统发出装入下一球径的球指令，自动装球及筛选控制系统接受到下一球径的装球指令后，交流数字伺服电动机带动丝杠向上运动到符合球径的开口位置时，其位置检测依靠增量式脉冲编码器，传送带开始运动，将球推送到球径位置检测口，当在特定可设定时间范围内，对射式光电开关没有检测到过球信号，传送带反转可设定的时间，然后再正转，同样在特定可设定时间范围内，对射式光电开关依然没有检测到过球信号，传送带同样反转，同样重复运行可设定次数后，自动装球及筛选控制系统发出报警，报警号ZD02，报警内容:球器中没有需装入球径，由人为进行判断及处置，当按要求人为装入要求球径后，按自动装球及筛选控制系统的“人为装入”按钮后，报警解除，然后投球器再转到下一个装球球位，重复上述装球过程。直至所有球位装完。

当装球方式选择为“人工装球”时，装球分为所有球室空装球和部分球室空装球两种方式

球室空或部分球室空，由该发明投球器控制系统自动进行判别，并以表格的形式按球室、球径显示在屏幕上，当球室无球时在球径栏显示为空白，球室有球时在球径栏显示球径的直径尺寸。

当所有球室空时，当按“装球”按钮后该发明投球器主控制系统按就近位置运动到就近装球位置，并将该球室的编号按频率1秒闪烁或球室的颜色为红色显示，当触摸闪烁按1秒闪烁或红色的球室位置后，显示屏弹出要装入球径的数字输入键盘，人为输入要装入的球径尺寸，按确认键后，则对应的绝对位置球径写入控制系统内部掉电保持性数据寄存器中，若按“确认”键后认为输入数据错误，则触摸输入的数字，再次弹出输入对话框，再次输入后按“确认”键。显示恢复到正常显示状态，若要装下一个或任意球位的球，则直接触摸对应的球室号，球室号按频率1秒闪烁或球室的颜色为红色显示，此时该发明控制系统根据要装入球室的位置，自动进行计算并将要装入球的球室旋转到装球口，控制系统旋转到要装入球室位置后，控制系统自动弹出输入键盘，同样输入要装入球的直径数据，按“确认”键，控制系统返回装球界面。

若输入的球径已经输入过，则按“确认”键后控制系统弹出：

“该直径球已装入，是否还装入该直径球”

“按“Y”装入，按“N”不装入”

当按“Y”后，返回到装球界面，按“N”后返回到输入界面。

当所有球装完后，按“确认”键，系统返回主工作界面。

当部分球位没有装球时，按“确认”键后，系统弹出，

“所有球位没有装完，是否继续装球”

““Y”继续装球”

““N”不装球”

按“Y”后返回装球界面

按“N”后返回主界面。

本发明投球方式有自动投球方式和手动投球方式两种模式；

当在该发明投球器主界面投球方式选择“自动投球”方式时，该发明投球器控制器首先弹出投球编程界面，显示方式以表格的形式按球室、球径显示。当按投球顺序依次触摸显示在屏幕上的球室及弹出的投球时间间隔小键盘，输入时间后，按“确认”键后，则将按触摸的投球顺序及时间写入EEPROM中，按“自动投球”键后，控制系统运行并实时显示球位及运动方向、倒数运行数字钟表，所有投球完成后，返回主界面。

第一次按的球室，不弹出时间间隔输入对话框，该时间自动标注为00：00：00，其值为第二次触摸球室的投球时间间隔的基准时间，下一个球的投球时间间隔都以上一个球的设定时间为基准。

当在该发明投球器主界面投球方式选择“手动投球”方式时，该发明投球器控制器首先弹出投球界面，显示方式以表格的形式按球室、球径显示。触摸要投球对应的球径或球室，对应的球室和球径所对应的框变红，然后按“手动投球”键，该发明投球器运行，并实时显示球位及运行方向，投球完成后，球径所对应的数值消失，当所对应球径的框内空白时，表示该球室球已投或无球，触摸时无反应。

该发明投球器控制器接收到自动/手动投球运动指令后，首先该发明投球器控制系统将上电初始状态打开的网状栅栏旋转26°，封闭投球口，该发明投球器主控制系统接收到投球控制系统的位置检测传感器发出的已封闭投球孔的位置信号后，向主控制系统发出投球运动开始指令，主控制系统根据球室-球径和欲投球的球径进行就近位置运算比较后，球室运动数字伺服控制系统正转或反转将需投球室运转到投球口，当需投球径的球室处于投球位置时，主控制器向投球控制系统发出投球指令，投球控制系统旋转-26°，打开投球封闭口，并延时可设定时间间隔后，关闭投球口，当系统检测到投球控制系统关闭投球口的位置指令后，向主控制器发出投球动作完成指令，同理重复上述投球过程。当在自动投球方式下投球完毕后，自动返回主界面，当在手动投球方式下投球时，当最后一个球室的球投完后自动返回主界面，当球室有球时，而不在运行投球动作时，可按“返回”键返回主界面。

投球时从当前位置到投球位置的运动控制均有主控制器完成。

本发明的优点及有益效果：

1、本发明能广泛应用于油气井酸化压裂作业，特别是非常规天然气水平井的分段分层压裂作业，其装球数量多，可达33个任意公差的球，两级相连可组成阵列式投球器，将囊括所有的分段压裂投球数量，使用电源为单相交流220V、50Hz，使用方便。

2、承受压力高，可达140MPa。

3、装球时可从任意球室位置起进行有序或无序装球；

4、可进行任意球位置起有序或无序投球；

5、自动判断球室有球或无球及球的规格尺寸；

6、每个球室具备独立唯一的ID号；

7、投球时可按编程顺序进行自动投球或手动投球；

8、投球或装球时具备就近判别运动旋转方向；

9、每台投球器具有可设定的地址识别码，方便级联；

10、具备RS485接口，方便与上位机进行通讯与实时控制；

12、整个控制系统具备自检功能，报警号及报警内容实时显示在显示屏上；

    13、通过参数设置使系统显示数据按公制或英制显示。

14、本发明投球器的控制部分采用可编程控制器、触摸屏，交流数字伺服电动机的驱动采用交流数字伺服驱动器。

15、本发明投球器具备过载保护功能和防爆功能，符合油田HSE要求，安全可靠。

16、本发明投球器在压裂施工中允许任何一端为输入端，极大地适应了现场的安置工况。

17、本发明投球器的所有内壁采用防腐、防酸碱工艺处理，所有与压裂液接触的零部件表面镀铬，密封部位采用V型和O型密封，极大地保证了高压作业下的密封。

表1为发明与现有技术的比较

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中A-A示意图。

图3为图1中B-B示意图。

图中：1-交流数字伺服电动机Ⅰ、2-减速机、3-弹性联轴节Ⅰ、4-传动轴Ⅰ、5-球室、6-主动链轮、7-链条、8-弹性联轴节Ⅱ、9-消隙齿轮组、10-齿轮轴、11-格林码盘、12-传动轴Ⅱ、13-交流数字伺服电动机Ⅱ、14-弹性联轴节Ⅲ、15-主动直齿齿轮、16-被动链轮、17-传动轴Ⅲ、18-传动轴Ⅳ、19-外啮合被动直齿齿轮、20-网状栅栏、21-内啮合被动直齿齿轮、22-光电接收发送组件、23-投球器驱动端、24-投球器体Ⅰ、25-投球器体Ⅱ、26-投球器体Ⅲ、27-投球器排出端、28-支架、29-装球口、30-排残液口、31-防爆箱

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1、2、3所示，一种全系列大容量自动装球数字控制分段压裂投球器，包括支架28、交流数字伺服电动机Ⅰ1、减速机2、弹性联轴节Ⅰ3、主动链轮6、链条7、球室5、投球器驱动端23、投球器体Ⅰ24、投球器体Ⅱ25、投球器体Ⅲ26、投球器排出端27、弹性联轴节Ⅱ8、消隙齿轮组9、光电接收发送组件22、交流数字伺服电动机Ⅱ13、弹性联轴节Ⅲ 14、主动直齿齿轮15、外啮合被动直齿齿轮19、内啮合被动直齿齿轮21、防爆电气控制箱、可编程控制器、触摸屏和位置检测传感器，其特征在于：所述的投球器体包括投球器驱动端23、投球器体Ⅰ24、投球器体Ⅱ25、投球器体Ⅲ26和投球器排出端27；投球器驱动端23、投球器体Ⅰ24、投球器体Ⅱ25、投球器体Ⅲ26和投球器排出端27通过螺栓连接为一体；投球器体固定在支架28上；

投球器驱动端23两侧分别设有交流数字伺服电动机Ⅰ1和防爆箱31；投球器驱动端23内设有传动轴Ⅰ4；传动轴Ⅰ4上设有主动链轮6；防爆箱31内设有齿轮轴10、格林码盘11、传动轴Ⅱ12、消隙齿轮组9和光电接收发送组件22；

传动轴Ⅰ4两端分别设有弹性联轴节Ⅰ3和弹性联轴节Ⅱ8；

投球器排出端27两侧设有压裂液流入及流出的接口；投球器排出端27的径向外侧设有装球口29和排残液口30；投球器排出端27内设有传动轴Ⅳ18和传动轴Ⅲ 17；传动轴Ⅲ 17上设有主动直齿齿轮15；传动轴Ⅳ18上设有被动链轮16、外啮合被动直齿齿轮19和内啮合被动直齿齿轮21； 

传动轴Ⅲ 17的一端设有弹性联轴节Ⅲ 14；弹性联轴节Ⅲ 14的另一端设有交流数字伺服电动机II 13；交流数字伺服电动机II 13内设有位置检测的传感器；

主动链轮6通过链条7连接被动链轮16；

链条7上设有33个球室5；

外啮合被动直齿齿轮19和内啮合被动直齿齿轮21上设有网状栅栏20；

交流数字伺服电动机Ⅰ1带动减速机2；减速机2通过弹性联轴节Ⅰ3带动传动轴Ⅰ4转动；传动轴Ⅰ4转动分别带动主动链轮6和弹性联轴节Ⅱ8转动；主动链轮6带动链条7旋转，链条7带动球室5旋转；弹性联轴节Ⅱ8带动齿轮轴10旋转，齿轮轴10带动消隙齿轮组9旋转，消隙齿轮组9带动传动轴Ⅱ12旋转，传动轴Ⅱ12带动格林码盘11旋转。

交流数字伺服电动机Ⅱ13通过弹性联轴节Ⅲ 14连接传动轴Ⅲ 17，传动轴Ⅲ 17带动主动直齿齿轮15在26°范围内做正、反向旋转；主动直齿齿轮15带动外啮合被动直齿齿轮19及内啮合被动直齿齿轮21旋转；外啮合被动直齿齿轮19及内啮合被动齿轮21带动网状栅栏20作打开或关闭运动。

交流数字伺服电动机Ⅰ1和交流数字伺服电动机Ⅱ13通过控制线和动力线与防爆电气控制箱相连。

光电接收发送组件22的信号线和电源线与防爆电气控制箱相连。