CN104929602B - 一种水平井多级压裂用齿轮控制智能投球的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平井多级压裂用齿轮控制智能投球的装置及方法，它包括环形管道、投球模块、投球检测装置（6）和集液装置（14），环形管道包括压裂液主管道、异形连接管（4）、环形连接管（18）和直连接管（17），异形连接管（4）、环形连接管（18）和直连接管（17）依次连通形成一个U型通管，压裂液主管道包括压裂液主管道大径段（9）和压裂液主管道小径段（10），压裂液主管道大径段（9）一侧连通异形连接管（4），异形连接管（4）与集液装置（14）连通，投球模块设置在异形连接管（4）上方。本发明的有益效果是：在不停泵的情况下，实现多级压裂中多次投球的远程控制、投球顺序可调、投球成功率高、使用方便、能多次重复使用。

Description

一种水平井多级压裂用齿轮控制智能投球的装置及方法

技术领域

本发明涉及投球装置，特别是一种水平井多级压裂用齿轮控制智能投球的装置及方法。

背景技术

20世纪90年代以来，随着油气资源需求增多以及科技的进步，分段压裂技术得到迅速发展和广泛应用。投球器是分段压裂工艺中不可缺少的设备。以智能滑套为井下智能开关的压裂工艺中，通过投入标签球，控制智能滑套的启闭，实现对目标地层的压裂。

目前，投球工艺可以分为停泵投球和带压投球。传统的停泵投球工艺是，停泵后卸下井口投球孔处堵头，投入信号球后开泵继续作业。这种投球方式，需要停泵，耗时长，工人劳动强度大且具有一定的危险性。带压投球工艺是，将信号球预先安装在投球器内，施工时，通过一定的控制手段，驱动信号球投入。目前带压投球技术，多掌握在国外大型油服公司手中，国内进行压裂施工时需要租赁国外的投球装置，费用昂贵。而且，这些带压投球技术，也存在着一些不足：

1.承压要求高，空间体积大，由于带压工作且球室与压裂主流道直接相连，对装置的承压设计要求很高；

2.投球效率低，现有的球室竖直排列的带压投球是针对钢球而设计的，当新型低密度的电子标签球出现时，标签球进入压裂管线的概率较低；

3.投球误操作预防功能欠缺；

4.标签球安装步骤繁琐。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种投球成功率高、使用方便的水平井多级压裂用齿轮控制智能投球的装置及方法，本发明在不停泵的情况下，能够实现多级压裂中多次投球的远程控制。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种水平井多级压裂用齿轮控制智能投球的装置，它包括环形管道、投球模块、投球检测装置和集液装置，环形管道包括压裂液主管道、异形连接管、环形连接管和直连接管，异形连接管、环形连接管和直连接管依次连通形成一个U型通管，压裂液主管道包括压裂液主管道大径段和压裂液主管道小径段，压裂液主管道大径段一侧连通异形连接管，异形连接管靠近压裂液主管道大径段的管路上安装有阀门B，压裂液主管道小径段一侧连通直连接管，直连接管上安装有阀门D；

异形连接管与集液装置通过管路连通，异形连接管与集液装置之间的管路上设有阀门C，投球检测装置设置在异形连接管下方；

投球模块包括通孔底座、阀门A和常用投球推送模块，通孔底座与异形连接管通过管路连通，阀门A设置在通孔底座与异形连接管之间的管路上，常用投球推送模块设置在通孔底座上方，投球模块设置在异形连接管上方，通孔底座上设有至少一个通孔，常用投球推送模块上设有信号处理模块，信号处理模块与远程控制模块无线连接，远程控制模块用于发送施工控制信号至信号处理模块，信号处理模块接收处理信号并控制常用投球推送模块、阀门A、阀门B、阀门C和阀门D的工作；

常用投球推送模块包括若干组呈环形连接的投球装置，若干组投球装置呈环形连接形成投球通道，投球装置包括两个竖直安装架、两个齿条挡板、安装在两个齿条挡板之间的齿条挡板和安装在两个竖直安装架之间的若干个倾斜底板，倾斜底板靠近投球通道的一侧低于远离投球通道的一侧，最上方的倾斜底板上方设有上部挡板，最下方的倾斜底板下方设有下部挡板，上部挡板上设有与齿条挡板啮合的齿轮，齿轮与电机连接，电机安装在上部挡板上，投球通道与通孔底座上的通孔连通。

所述的压裂液主管道大径段的自由端连接有由壬法兰转换接头A，压裂液主管道小径段的自由端连接有由壬法兰转换接头B。

所述的上部挡板与下部挡板之间安装有推拉门。

所述的投球检测装置位于通孔底座管路轴线与异形连接管底部相交处，异形连接管的内孔底部在投球检测装置上方的位置处开有一个凹槽。

所述的通孔底座上设有备用投球推送模块。

一种水平井多级压裂用齿轮控制智能投球的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1.安装投球装置：将投球装置通过主管道两端的由壬法兰转换接头A和由壬法兰转换接头B连接至井口压裂管线中，施工人员手动操作投球推送模块上的推拉门，并对标签球进行编号，按照顺序放入标签球；

S2.正常压裂：正常压裂不需要投球时，阀门A和阀门C为关闭状态，阀门B和阀门D为开启状态，开启压裂液源，压裂液经由压裂管线、由壬法兰转换接头A、压裂液主管道大径段、压裂液主管道小径段、环形管道和由壬法兰转换接头B流进下一段压裂管线；

S3.投球控制：需要投球时，远程控制模块将施工人员的操作命令传递给信号处理模块，信号处理模块输出信号关闭阀门B和阀门D，开启阀门C，阀门A下方部分液体流入集液装置，使阀门A下方的液面等高于集液装置水平管道，10秒后开启阀门A；

操作远程控制模块向信号处理模块发出信号，信号处理模块识别信号并启动电机控制常用投球推送模块中目标标签球相对应的齿轮，使齿条挡板上升一定高度，被阻挡的目标标签球即可在自身重力的作用下落入投球通道；若标签球密度小于压裂液则浮于液面之上，若标签球密度大于压裂液则落入异形连接管的凹槽处；投球模块共设置两套，一套为常用投球推送模块，另一套为备用投球推送模块，当常用投球推送模块出现故障无法正常投球时，启用备用投球推送模块进行投球；

S4.投球检测：位于异形连接管凹槽处的投球检测装置，对投入的标签球的标签球编号进行读取，以检测投入的标签球是否为目标球，若判断为错误的标签球，则投球检测装置删除标签球上的标签球编号，并写入正确的标签球编号；

S5.完成投球：关闭阀门A和阀门C，打开阀门B和阀门D，压裂液携带标签球进入压裂井口。

所述的标签球编号是RFID信号。

所述的投球检测装置是RFID读写器。

本发明具有以下优点：

1.本发明可实现压裂工艺中带压投球以及安全可靠的远程控制，操作方便；

2.本发明保证主流道压裂液正常流动时，利用阀门截断环形流道，使投球推送单元在常压下工作，标签球下投完成后，控制相应阀门启闭，环形流道连通，形成射流效应，促使压裂液携带标签球下入井内，具有结构简单、控制灵活的优点；

3.本发明的推送装置简单，球盒有序排列，空间体积较小，投球顺序可控制；

4.本发明配备检测装置和备用投球推送单元，提高了投球准确率和可靠性。

附图说明

图1 为一种水平井多级压裂用齿轮控制智能投球的装置的结构示意图；

图2 为一种水平井多级压裂用齿轮控制智能投球的装置的C向剖视图；

图3 为一种水平井多级压裂用齿轮控制智能投球的装置的A向剖视图；

图4 为常用投球推送模块的结构示意图；

图5 为常用投球推送模块的B向剖视图。

图中，1-备用投球推送模块，2-通孔底座，3-阀门A，4-异形连接管，5-常用投球推送模块，6-投球检测装置，7-由壬法兰转换接头A，8-法兰连接头，9-压裂液主管道大径段，10-压裂液主管道小径段，11-由壬法兰转换接头B，12-阀门B，13-阀门D，14-集液装置，15-阀门C，16-信号处理模块，17-直连接管，18-环形连接管，19-远程控制模块，20-齿轮，21-电机，22-推拉门，23-倾斜底板，24-齿条挡板，25-投球通道，26-上部挡板，27-下部挡板，28-齿条挡板，29-竖直安装架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1所示，一种水平井多级压裂用齿轮控制智能投球的装置包括环形管道、投球模块、投球检测装置6和集液装置14，环形管道包括压裂液主管道、异形连接管4、环形连接管18和直连接管17，异形连接管4、环形连接管18和直连接管17依次连通形成一个U型通管，压裂液主管道包括压裂液主管道大径段9和压裂液主管道小径段10，本实施例中，所述的压裂液主管道大径段9的自由端连接有由壬法兰转换接头A7，压裂液主管道小径段10的自由端连接有由壬法兰转换接头B11，压裂液主管道大径段9一侧连通异形连接管4，异形连接管4靠近压裂液主管道大径段9的管路上安装有阀门B12，压裂液主管道小径段10一侧连通直连接管17，直连接管17上安装有阀门D13；

如图2、图3所示，异形连接管4与集液装置14通过管路连通，异形连接管4与集液装置14之间的管路上设有阀门C15，投球检测装置6设置在异形连接管4下方，本实施例中，所述的投球检测装置6位于通孔底座2管路轴线与异形连接管4底部相交处，异形连接管4的内孔底部在投球检测装置6上方的位置处开有一个凹槽，所述的投球检测装置6是RFID读写器；

投球模块包括通孔底座2、阀门A3和常用投球推送模块5，通孔底座2与异形连接管4通过管路连通，阀门A3设置在通孔底座2与异形连接管4之间的管路上，常用投球推送模块5设置在通孔底座2上方，本实施例中，所述的通孔底座2上设有备用投球推送模块1，投球模块设置在异形连接管4上方，通孔底座2上设有至少一个通孔，常用投球推送模块5上设有信号处理模块16，信号处理模块16与远程控制模块19无线连接，远程控制模块19用于发送施工控制信号至信号处理模块16，信号处理模块16接收处理信号并控制常用投球推送模块5、阀门A3、阀门B12、阀门C15和阀门D13的工作；

如图4、图5所示，常用投球推送模块5包括若干组呈环形连接的投球装置，若干组投球装置呈环形连接形成投球通道25，投球装置包括两个竖直安装架29、两个齿条挡板28、安装在两个齿条挡板28之间的齿条挡板24和安装在两个竖直安装架29之间的若干个倾斜底板23，倾斜底板23靠近投球通道25的一侧低于远离投球通道25的一侧，最上方的倾斜底板23上方设有上部挡板26，最下方的倾斜底板23下方设有下部挡板27，本实施例中，所述的上部挡板26与下部挡板27之间安装有推拉门22，上部挡板26上设有与齿条挡板24啮合的齿轮20，齿轮20与电机21连接，电机21安装在上部挡板26上，投球通道25与通孔底座2上的通孔连通。

本发明的工作过程如下：

搭建好投球装置，将投球装置通过主管道两端的由壬法兰转换接头A7和由壬法兰转换接头B11连接至井口压裂管线中，施工人员手动操作投球推送模块上的推拉门22，并对标签球进行编号，以标签球编号为准按照顺序放入标签球，本实施例中，所述的标签球编号是RFID信号；

正常压裂不需要投球时，阀门A3和阀门C15为关闭状态，阀门B12和阀门D13为开启状态，开启压裂液源，压裂液经由压裂管线、由壬法兰转换接头A7、压裂液主管道大径段9、压裂液主管道小径段10和由壬法兰转换接头B11流进下一段压裂管线；

需要投球时，远程控制模块19将施工人员的操作命令传递给信号处理模块16，信号处理模块16输出信号关闭阀门B12和阀门D13，开启阀门C15，阀门A3下方部分液体流入集液装置14，使阀门A3下方的液面等高于集液装置14水平管道，10秒后开启阀门A3；

通过操作远程控制模块19向信号处理模块16发出信号，信号处理模块16识别信号并启动常用投球推送模块5内的电机21控制常用投球推送模块5中与目标标签球相对应的齿轮20，使齿条挡板24上升一定高度，被阻挡的目标标签球即可在自身重力的作用下进入投球通道25，随后通过投球通道25落入异形连接管4；

若标签球密度小于压裂液则浮于液面之上，由于集液装置14既用来降低液面防止标签球被阀门挤压坏，又用来控制标签球进入管道中竖直高度，故集液装置14的水平管道需要设置在竖直位置较低处以形成环形流道，当关闭阀门A3和阀门C15，开启阀门B12和阀门D13，便于液体直接携带标签球进入异形连接管4；

若标签球密度大于压裂液则落入异形连接管4的凹槽处；

投球模块共设置两套，一套为常用投球推送模块5，另一套为备用投球推送模块1，当常用投球推送模块5出现故障无法正常投球时，启用备用投球推送模块1进行投球；

位于异形连接管4凹槽处的投球检测装置6，对投入的标签球的编号进行读取，以检测投入的标签球是否为目标球，若判断为错误的标签球，则投球检测装置6删除标签球上的编号，并写入正确的编号；

关闭阀门A3和阀门C15，打开阀门B12和阀门D13，压裂液携带标签球进入压裂井口。

Claims (8)

1.一种水平井多级压裂用齿轮控制智能投球的装置，其特征在于：它包括环形管道、投球模块、投球检测装置（6）和集液装置（14），环形管道包括压裂液主管道、异形连接管（4）、环形连接管（18）和直连接管（17），异形连接管（4）、环形连接管（18）和直连接管（17）依次连通形成一个U型通管，压裂液主管道包括压裂液主管道大径段（9）和压裂液主管道小径段（10），压裂液主管道大径段（9）一侧连通异形连接管（4），异形连接管（4）靠近压裂液主管道大径段（9）的管路上安装有阀门B（12），压裂液主管道小径段（10）一侧连通直连接管（17），直连接管（17）上安装有阀门D（13）；

异形连接管（4）与集液装置（14）通过管路连通，异形连接管（4）与集液装置（14）之间的管路上设有阀门C（15），投球检测装置（6）设置在异形连接管（4）下方；

投球模块包括通孔底座（2）、阀门A（3）和常用投球推送模块（5），通孔底座（2）与异形连接管（4）通过管路连通，阀门A（3）设置在通孔底座（2）与异形连接管（4）之间的管路上，常用投球推送模块（5）设置在通孔底座（2）上方，投球模块设置在异形连接管（4）上方，通孔底座（2）上设有至少一个通孔，常用投球推送模块（5）上设有信号处理模块（16），信号处理模块（16）与远程控制模块（19）无线连接，远程控制模块（19）用于发送施工控制信号至信号处理模块（16），信号处理模块（16）接收施工控制信号并控制常用投球推送模块（5）、阀门A（3）、阀门B（12）、阀门C（15）和阀门D（13）的工作；

常用投球推送模块（5）包括若干组呈环形连接的投球装置，若干组投球装置呈环形连接形成投球通道（25），投球装置包括两个竖直安装架（29）、两个齿条挡板（28）、安装在两个齿条挡板（28）之间的齿条挡板（24）和安装在两个竖直安装架（29）之间的若干个倾斜底板（23），倾斜底板（23）靠近投球通道（25）的一侧低于远离投球通道（25）的一侧，最上方的倾斜底板（23）上方设有上部挡板（26），最下方的倾斜底板（23）下方设有下部挡板（27），上部挡板（26）上设有与齿条挡板（24）啮合的齿轮（20），齿轮（20）与电机（21）连接，电机（21）安装在上部挡板（26）上，投球通道（25）与通孔底座（2）上的通孔连通。

2.根据权利要求1所述的一种水平井多级压裂用齿轮控制智能投球的装置，其特征在于：所述的压裂液主管道大径段（9）的自由端连接有由壬法兰转换接头A（7），压裂液主管道小径段（10）的自由端连接有由壬法兰转换接头B（11）。

3.根据权利要求1所述的一种水平井多级压裂用齿轮控制智能投球的装置，其特征在于：所述的上部挡板（26）与下部挡板（27）之间安装有推拉门（22）。

4.根据权利要求1所述的一种水平井多级压裂用齿轮控制智能投球的装置，其特征在于：所述的投球检测装置（6）位于通孔底座（2）管路轴线与异形连接管（4）底部相交处，异形连接管（4）的内孔底部在投球检测装置（6）上方的位置处开有一个凹槽。

5.根据权利要求1所述的一种水平井多级压裂用齿轮控制智能投球的装置，其特征在于：所述的通孔底座（2）上设有备用投球推送模块（1）。

6.根据权利要求1~5中任意一项所述的装置利用水平井多级压裂用齿轮控制智能投球的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1.安装投球装置：将投球装置通过主管道两端的由壬法兰转换接头A（7）和由壬法兰转换接头B（11）连接至井口压裂管线中，施工人员手动操作投球推送模块上的推拉门（22），并对标签球进行编号，按照顺序放入标签球；

S2.正常压裂：正常压裂不需要投球时，阀门A（3）和阀门C（15）为关闭状态，阀门B（12）和阀门D（13）为开启状态，开启压裂液源，压裂液经由压裂管线、由壬法兰转换接头A（7）、压裂液主管道大径段（9）、压裂液主管道小径段（10）、环形管道和由壬法兰转换接头B（11）流进下一段压裂管线；

S3.投球控制：需要投球时，远程控制模块（19）将施工人员的操作命令传递给信号处理模块（16），信号处理模块（16）输出信号关闭阀门B（12）和阀门D（13），开启阀门C（15），阀门A（3）下方部分液体流入集液装置（14），使阀门A（3）下方的液面等高于集液装置（14）水平管道，10秒后开启阀门A（3）；

操作远程控制模块（19）向信号处理模块（16）发出信号，信号处理模块（16）识别信号并启动电机（21）控制常用投球推送模块（5）中目标标签球相对应的齿轮（20），使齿条挡板（24）上升一定高度，被阻挡的目标标签球即可在自身重力的作用下落入投球通道（25）；若标签球密度小于压裂液则浮于液面之上，若标签球密度大于压裂液则落入异形连接管（4）的凹槽处；投球推送模块共设置两套，一套为常用投球推送模块（5），另一套为备用投球推送模块（1），当常用投球推送模块（5）出现故障无法正常投球时，启用备用投球推送模块（1）进行投球；

S4.投球检测：位于异形连接管（4）凹槽处的投球检测装置（6），对投入的标签球的标签球编号进行读取，以检测投入的标签球是否为目标球，若判断为错误的标签球，则投球检测装置（6）删除标签球上的标签球编号，并写入正确的标签球编号；

S5.完成投球：关闭阀门A（3）和阀门C（15），打开阀门B（12）和阀门D（13），压裂液携带标签球进入压裂井口。

7.根据权利要求6所述的装置利用水平井多级压裂用齿轮控制智能投球的方法，其特征在于：所述的标签球编号是RFID信号。

8.根据权利要求6所述的装置利用水平井多级压裂用齿轮控制智能投球的方法，其特征在于：所述的投球检测装置（6）是RFID读写器。