CN204532319U - 一种压裂施工投球装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种压裂施工投球装置，属于油气钻采压裂施工设备技术领域；所述压裂施工投球装置包括主缸体和设置于其内的活塞推杆，活塞推杆将主缸体内腔划分为独立的投球腔和压力辅助腔，投球腔端部设置有阀门Ⅰ，投球腔还设置有带阀门Ⅱ的进球管道，投球腔和压力辅助腔间通过带阀门Ⅲ的连通管道连通，压力辅助腔设置有带阀门Ⅳ的泄压管道Ⅰ，主缸体内设置有用于活塞推杆复位的弹性机构，主缸体上设有清洗管道；本实用新型的压裂施工投球装置通过将压裂施工的压力引入主缸体，并通过主缸体内压力平衡的过程来实现在压裂施工过程中管线带压投球，相比于传统的投球装置有效的降低了投球成本，缩短了投球周期，并具有实现投球过程自动化的基础。

Description

一种压裂施工投球装置

技术领域

本实用新型涉及一种压裂施工投球装置及其投球方法，尤其是一种能够连续、自动化进行压裂施工投球装置及其投球方法，属于油气钻采压裂施工设备及施工方法技术领域。

背景技术

在大型分段水力压裂施工不同井段时，需按井段内预置滑套的球座规格，逐次投入相应规格的密封球体，在密封球体作用下开启相对应井段的滑套，再对此井段进行压裂作业施工。

常规投球作业时为保证作业安全，必须先停止泵注作业，关闭采油树主闸，将压裂主管道内的压力泄尽，方可开启旋塞阀将密封球体投入压裂主管道内，然后关闭旋塞阀。在开启采油树主闸时，井内与压裂主管道间存在的压差会对钢球入井造成影响，为消除这种影响，在开启采油树主闸前还要对压裂主管道进行打压作业。而整个操作过程需工作人员进入高压施工区域内进行手动操作，存在较大安全隐患。

常规单次投球过程保守估计需耗时10分钟以上，大型施工时主压设备数量较多，为最大限度保证施工作业连续性，通常投球时所有主压设备均保持怠速运转待命状态。按大型井分段压裂施工启用12台（辆）主压设备计算：若投球6次，单次投球作业耗时10分钟，整个施工过程单投球作业累计耗时1小时左右，12台（辆）主压设备均怠速运转1小时所需燃料成本数千元，也增加了尾气排放量加剧大气污染。

另外现有压裂施工中，在目标产层压裂施工结束前需注入足量的顶替液以便将井内的支撑剂（或酸液）完全压入目标产层，在支撑剂（或酸液）完全压入目标产层后才能进行下一目标产层的投球作业：球体通过常规投球作业方式进入井内，送球液携带球体，并用泵注将球体输送至目标产层。该操作模式增加了施工液体使用量，也无形中增加了施工运行成本和后期污水处理成本。

发明内容

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种压裂施工投球装置及其投球方法，解决现有操作中存在的问题，有效的节约投球作业时间，降低投球操作成本，同时降低或消除投球高压操作的风险，并具有可自动化操作的优点。

本实用新型采用的技术方案如下：。

一种压裂施工投球装置，包括主缸体和活塞推杆，所述活塞推杆设置于主缸体内，且可沿主缸体内腔双向往复运动，所述主缸体和活塞推杆间密封配合而将主缸体内腔划分为独立的投球腔和压力辅助腔；所述投球腔所在主缸体端部设置有阀门Ⅰ，投球腔还设置有进球管道，所述进球管道上设置有阀门Ⅱ；所述投球腔和压力辅助腔间通过连通管道连通，所述连通管道上设置有阀门Ⅲ；所述压力辅助腔设置有泄压管道Ⅰ，所述泄压管道Ⅰ上设置有阀门Ⅳ；所述主缸体内设置有用于活塞推杆复位的弹性机构；所述主缸体还设置有与投球腔或/和压力辅助腔连通的清洗管道。

进一步的，所述投球腔设置有用于与压裂主管道连接的引压管，所述引压管上设置有阀门Ⅴ。

进一步的，所述清洗管道设置于引压管上，且位于投球腔和阀门Ⅴ间所在段。

进一步的，所述清洗管道与供液池连通，清洗管道与供液池间的管道上还设置有供液泵。

进一步的，所述弹性机构为压缩弹簧，所述压缩弹簧设置于压力辅助腔内。

进一步的，所述压力辅助腔内设置有沿主缸体轴向的导杆，活塞推杆沿轴向开设有与导杆适配的导槽，活塞推杆通过其导槽装配于主缸体内的导杆上。

进一步的，所述投球腔设置有泄压管道Ⅱ，所述泄压管道Ⅱ上设置有阀门Ⅵ。

本实用新型的压裂施工投球装置，进一步还包括与所述进球管道连接的球仓，所述球仓的出口设置有球体限径通过机构。

本实用新型的压裂施工投球装置的投球方法，包括如下步骤：

a、控制阀门Ⅰ、阀门Ⅱ和阀门Ⅲ为关闭状态，阀门Ⅳ为开启状态，将球体放入进球管道内；

b、开启阀门Ⅱ，使球体进入投球腔的进球管道所在段，并关闭阀门Ⅱ；

c、将压裂主管道内的流体引入投球腔，活塞推杆在流体压力的作用下向压力辅助腔侧推进并使弹性机构发生弹性形变，球体进入投球腔的主缸体所在段，并完全开启阀门Ⅰ；

d、关闭阀门Ⅳ，开启阀门Ⅲ，流体通过连通管道进入压力辅助腔使投球腔和压力辅助腔间压力平衡，在弹性机构的作用下使活塞推杆向投球腔侧推进，而将球体推入压裂主管道内；

e、关闭阀门Ⅲ，开启阀门Ⅳ将压力辅助腔内的压力泻出，活塞推杆在投球腔内流体压力的作用下向压力辅助腔侧推进并使弹性机构发生弹性形变；

f、活塞推杆推进到位后，关闭阀门Ⅰ将投球腔与压裂主管道隔断；

g、将投球腔内的压力泻出，活塞推杆在弹性机构的作用下使活塞推杆向投球腔侧推进、复位，完成一次投球过程。

进一步的，所述投球腔设置有用于与压裂主管道连接的引压管，所述引压管上设置有阀门Ⅴ，所述步骤c中将压裂主管道内的流体引入投球腔操作为：开启阀门Ⅴ将压裂主管道内的流体引入投球腔。

进一步的，所述投球腔设置有泄压管道Ⅱ，所述泄压管道Ⅱ上设置有阀门Ⅵ，所述步骤g中投球腔通过开启阀门Ⅵ进行压力泻出。

进一步的，所述进球管道连接有球仓，所述球仓的出口设置有球体限径通过机构，所述投球操作前还包括将球体按顺序放入球仓内，并通过球体限径通过机构依次将球体送入进球管道。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

（1）所述压裂施工投球装置构思巧妙、设计合理，通过将压裂施工的压力引入主缸体、缸体内压力平衡的过程来实现投球，本实用新型的压裂施工投球装置能够在压裂主管道压裂施工的过程中带压投球，并且能够实现投球过程的连续化，相比于传统的投球装置有效的降低了投球成本，缩短了投球周期，并具有实现投球过程自动化的基础，操作人员可远离高压区域远程操作，保证了投球过程的安全，另外该装置还具有小型化且运转低成本化的优点，大大降低了施工的运输和安装成本，所述清洗管道可用于压裂施工投球装置在施工完毕后的内部清洗，以防止压裂液对投球装置的腐蚀，保证装置的可靠性和耐用性，

（2）基于该压裂施工投球装置和投球方法设计，实现了在管道带压、连续施工的条件下投球，这将使传统投球操作得到改变：通过计算目标产层与下一目标产层间的管道容积，可在目标产层压裂施工结束前注入计算容积的顶替液，当计算容积的顶替液注入完成后即可采用本发明的压裂施工投球装置和投球方法将球体投入井内，再用送球液将球体送至下一目标产层，进而开始下一目标产层的压裂施工。这相比于传统的投球操作，大大节省了顶替液的用量（下一目标产层与地面间管道的容积量），并节省了投球操作时间和设备运转成本。

附图说明

本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本实用新型的压裂施工投球装置结构示意图；

图2是本实用新型的压裂施工投球装置操作过程图A；

图3是本实用新型的压裂施工投球装置操作过程图B；

图4是本实用新型的压裂施工投球装置操作过程图C；

图5是本实用新型的压裂施工投球装置操作过程图D；

图6是本实用新型的压裂施工投球装置操作过程图E。

图中标记：1-主缸体、101-阀门Ⅰ、102-导槽、103-导杆、104-压缩弹簧、105-阀门Ⅲ、106-阀门Ⅴ、107-阀门Ⅳ、2-活塞推杆、3-投球腔、4-压力辅助腔、5-进球管道、501-阀门Ⅱ、502-阀门Ⅵ、6-球仓、601-球体限径通过机构、7-球体、8-压裂主管道、9-清洗管道、10-供液泵、11-供液池。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例

本实用新型的压裂施工投球装置，其结构如图1所示，包括主缸体1和活塞推杆2，所述活塞推杆2设置于主缸体1内，且可沿主缸体1内腔双向往复运动，所述主缸体1和活塞推杆2间密封配合而将主缸体1内腔划分为独立的投球腔3和压力辅助腔4；所述投球腔3所在主缸体1端部设置有阀门Ⅰ101，投球腔3还设置有进球管道5，所述进球管道5上设置有阀门Ⅱ501；所述投球腔3和压力辅助腔4间通过连通管道连通，所述连通管道上设置有阀门Ⅲ105；所述压力辅助腔4设置有泄压管道Ⅰ，所述泄压管道Ⅰ上设置有阀门Ⅳ107；所述主缸体1内设置有用于活塞推杆2复位的弹性机构；所述主缸体1还设置有与投球腔3或/和压力辅助腔4连通的清洗管道9。

所述弹性机构可安装于投球腔3或压力辅助腔4内，弹性机构可为压缩弹性机构或者拉伸弹性机构等现有形式或者结构设计，其目的在于储存压裂主管道8内流体压力，并通过压力释放来实现投球。

所述主缸体1的投球腔3端部为管道接头用于和压裂主管道8连接，所述压力辅助腔4端面封闭，压裂施工投球装置其主要工作原理如下：压裂主管道内的流体压力引入（可通过阀门Ⅰ101或者另设引压用管道）投球腔3，在压力作用下活塞推杆2向压力辅助腔4推进并使弹性机构发生弹性形变，阀门Ⅲ105用于投球腔3和压力辅助腔4的压力平衡，两腔体压力平衡过程中弹性机构释放弹性力推动球体进入压裂主管道。

本实施例中，所述主缸体1和进球管道5以轴向垂直安装设置，进球管道5的阀门Ⅱ501距离活塞推杆2外壁的垂直距离以投球的最大直径为参考设计，以提供球体通过阀门Ⅱ501进入后的临时容纳空间。另外在本实施例中活塞推杆2的外径小于主缸体1投球腔3的内径，使得压力能够通过连通管道的管道接口顺利释放。

本实施例中，所述投球腔3设置有用于与压裂主管道连接的引压管，所述引压管上设置有阀门Ⅴ106，用于将压力施工主管道内的压力引入投球腔3，相比于用阀门Ⅰ101引压，具有安全且操控性强的优点，另外还能有效避免阀门Ⅰ101开启过程中可能对活塞推杆2端面和阀门Ⅰ101阀芯的损伤。

本实施例中，所述弹性机构为压缩弹簧104，所述压缩弹簧104设置于压力辅助腔4内，压力辅助腔4内还包括用于活塞推杆2运动导向的导向设计：所述压力辅助腔4内设置有沿主缸体1轴向的导杆103，活塞推杆2沿轴向开设有与导杆103适配的导槽102，活塞推杆2通过其导槽102装配于主缸体1内的导杆103上。图1为活塞推杆2将压缩弹簧104压缩后的装置结构示意图。

本实施例的压裂施工投球装置，所述投球腔3设置有泄压管道Ⅱ，所述泄压管道Ⅱ上设置有阀门Ⅵ502，所述泄压管道Ⅱ设置于进球管道5上。

本实施例中，所述清洗管道9可用于压裂施工投球装置在施工完毕后的内部清洗，以防止压裂液对投球装置的腐蚀。所述清洗管道9设置于引压管上，且位于投球腔3和阀门Ⅴ106间所在段，如图1所示，清洗管道9与供液池11连通，清洗管道9与供液池11间的管道上还设置有供液泵10。

本实用新型的压裂施工投球装置，还包括与所述进球管道5连接的球仓6，所述球仓6的出口设置有球体限径通过机构601，球体限径通过机构601是允许通过一定直径球体的机构，包括设置于管道内的档杆和与档杆连接的档杆提升机构，档杆提升机构设置于管道外部，通过提升控制档杆与管道内径的宽度来控制球体的通过，假设钢球球体规格直径为40mm，可通过控制面板设定档杆提升机构对档杆的上提行程为42mm，使40mm的钢球球体顺利通过档杆而落入阀门Ⅱ501上部，而直径大于40mm的球则不能通过档杆。

本实施例中，所述阀门Ⅰ101和阀门Ⅱ501为旋塞阀结构，通过气动驱动单元或者电动驱动单元驱动，其他阀门类型可根据工况进行选择。

本实用新型所述压裂施工投球装置的投球方法，包括如下步骤：

a、控制阀门Ⅰ101、阀门Ⅱ501和阀门Ⅲ105为关闭状态，阀门Ⅳ107为开启状态，将球体7放入进球管道5内；

b、开启阀门Ⅱ501，使球体7进入投球腔3的进球管道5所在段，并关闭阀门Ⅱ501，如图2所示；

c、将压裂主管道内的流体引入投球腔3，活塞推杆2在流体压力的作用下向压力辅助腔4侧推进并使弹性机构发生弹性形变，球体7进入投球腔3的主缸体1所在段，并完全开启阀门Ⅰ101，如图3所示；

d、关闭阀门Ⅳ107，开启阀门Ⅲ105，流体通过连通管道进入压力辅助腔4使投球腔3和压力辅助腔4间压力平衡，在弹性机构的作用下使活塞推杆2向投球腔3侧推进，而将球体7推入压裂主管道内，如图4所示；

e、关闭阀门Ⅲ105，开启阀门Ⅳ107将压力辅助腔4内的压力泻出，活塞推杆2在投球腔3内流体压力的作用下向压力辅助腔4侧推进并使弹性机构发生弹性形变，如图5所示；

f、活塞推杆2推进到位后，关闭阀门Ⅰ101将投球腔3与压裂主管道隔断；

g、将投球腔3内的压力泻出，活塞推杆2在弹性机构的作用下使活塞推杆2向投球腔3侧推进、复位，如图6所示，完成一次投球过程。

在整个投球操作完成后，开启清洗管道9上的阀门，开启供液泵10供液池11内的清水送入投球腔3和压力辅助腔4内，对各部件及管道进行清洗，冲洗的废液通过阀门Ⅳ107或/和阀门Ⅵ502排出。

在图2至图6中，未对球仓6和清洗管道9进行示意。

本实用新型所述压裂施工投球装置的投球方法，进一步的，所述投球腔3设置有用于与压裂主管道连接的引压管，所述引压管上设置有阀门Ⅴ106，所述步骤c中将压裂主管道内的流体引入投球腔3操作为：开启阀门Ⅴ106将压裂主管道内的流体引入投球腔3。

所述压裂施工投球装置的投球方法，进一步的，所述投球腔3设置有泄压管道Ⅱ，所述泄压管道Ⅱ上设置有阀门Ⅵ502，所述步骤g中投球腔3通过开启阀门Ⅵ502进行压力泻出。

所述压裂施工投球装置的投球方法，进一步的，所述进球管道5连接有球仓6，所述球仓6的出口设置有球体限径通过机构601，所述投球操作前还包括将球体按顺序放入球仓6内，并通过球体限径通过机构601依次将球体送入进球管道5。

本实用新型的压裂施工投球装置，其核心设计在于以压裂主管道内的压力作为投球装置工作的动力，同时利用了压裂液体可压缩性低的特性，来完成整个工作过程。采用活塞推杆2将球推进压裂主管道的方案设计，有效的解决了因压裂主管道内压力液流体流动而造成球体自然落入困难的问题。

本实用新型的压裂施工投球装置及方法，构思巧妙、设计合理，通过将压裂施工的压力引入主缸体、缸体内压力平衡的过程来实现投球，本实用新型的压裂施工投球装置能够在压裂主管道压裂施工的过程中带压投球，并且能够实现投球过程的连续化，相比于传统的投球装置有效的降低了投球成本，缩短了投球周期，并具有实现投球过程自动化的基础，操作人员可远离高压区域远程操作，保证了投球过程的安全，另外该装置还具有小型化且运转低成本化的优点，大大降低了施工的运输和安装成本，所述清洗管道可用于压裂施工投球装置在施工完毕后的内部清洗，以防止压裂液对投球装置的腐蚀，保证装置的可靠性和耐用性。

基于该压裂施工投球装置和投球方法设计，实现了在管道带压、连续施工的条件下投球，这将使传统投球操作得到改变：通过计算目标产层与下一目标产层间的管道容积，可在目标产层压裂施工结束前注入计算容积的顶替液，当计算容积的顶替液注入完成后即可采用本发明的压裂施工投球装置和投球方法将球体投入井内，再用送球液将球体送至下一目标产层，进而开始下一目标产层的压裂施工。这相比于传统的投球操作，大大节省了顶替液的用量（下一目标产层与地面间管道的容积量），并节省了投球操作时间和设备运转成本。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种压裂施工投球装置，其特征在于：包括主缸体（1）和活塞推杆（2），所述活塞推杆（2）设置于主缸体（1）内，且可沿主缸体（1）内腔双向往复运动，所述主缸体（1）和活塞推杆（2）间密封配合而将主缸体（1）内腔划分为独立的投球腔（3）和压力辅助腔（4）；所述投球腔（3）所在主缸体（1）端部设置有阀门Ⅰ（101），投球腔（3）还设置有进球管道（5），所述进球管道（5）上设置有阀门Ⅱ（501）；所述投球腔（3）和压力辅助腔（4）间通过连通管道连通，所述连通管道上设置有阀门Ⅲ（105）；所述压力辅助腔（4）设置有泄压管道Ⅰ，所述泄压管道Ⅰ上设置有阀门Ⅳ（107）；所述主缸体（1）内设置有用于活塞推杆（2）复位的弹性机构;所述主缸体（1）还设置有与投球腔（3）或/和压力辅助腔（4）连通的清洗管道（9）。

2.如权利要求1所述的压裂施工投球装置，其特征在于：所述投球腔（3）设置有用于与压裂主管道连接的引压管，所述引压管上设置有阀门Ⅴ（106）。

3.如权利要求2所述的压裂施工投球装置，其特征在于：所述清洗管道（9）设置于引压管上，且位于投球腔（3）和阀门Ⅴ（106）间所在段。

4.如权利要求1或2或3所述的压裂施工投球装置，其特征在于：所述清洗管道（9）与供液池（11）连通，清洗管道（9）与供液池（11）间的管道上还设置有供液泵（10）。

5.如权利要求1所述的压裂施工投球装置，其特征在于：所述弹性机构为压缩弹簧（104），所述压缩弹簧（104）设置于压力辅助腔（4）内。

6.如权利要求1所述的压裂施工投球装置，其特征在于：所述压力辅助腔（4）内设置有沿主缸体（1）轴向的导杆（103），活塞推杆（2）沿轴向开设有与导杆（103）适配的导槽（102），活塞推杆（2）通过其导槽（102）装配于主缸体（1）内的导杆（103）上。

7.如权利要求1所述的压裂施工投球装置，其特征在于：所述投球腔（3）设置有泄压管道Ⅱ，所述泄压管道Ⅱ上设置有阀门Ⅵ（502）。

8.如权利要求1所述的压裂施工投球装置，其特征在于：还包括与所述进球管道（5）连接的球仓（6），所述球仓（6）的出口设置有球体限径通过机构（601）。