超高压远程控制投球器的研制与应用.pdf

.-.34-2023年第2 6 卷论文广场石油和化工设备超高压远程控制投球器的研制与应用杨文伟！田野?王泰宝游艇（1.中石油川庆钻探工程有限公司井下作业公司，四川成都6 10 0 0 0)(2.中石化四机石油机械有限公司，湖北荆州4340 2 0)摘要】投球器是分层压裂增产技术必不可少的堵塞球释放装置，实现超高压不停泵远程投球，将显著提高压裂施工效率和质量。针对目前国内外投球装置无法满足国内超高压工况、不能实现精确计数的现状，研制了一种超高压远程控制投球器。它由投球器本体、驱动执行机构、远程控制部分组成。投球器本体采用螺旋机构和导向槽的结构，实现无卡阻送球；采用伺服电机作为动力源，接近开关采集投球信号，并采用PLC显示屏进行远程控制，实现精确计数，实时查看投球状态。结合140 MPa现场使用工况，对投球器关键部件进行了有限元分析，分析结果表明，投球器关键部件最大应力和变形均符合设计要求。目前该投球器通过了出厂试验，并进行了现场应用，累计投球10 8 颗，完成了3口井共10 0 段压裂施工作业，试验证明，该远程控制投球器操作简单、计数准确、安全可靠，满足国内140 MPa高压力工况的使用要求。关键词 超高压分层压裂投球装置堵塞球引言随着老井石油产量逐年递减，压裂增产技术发展迅速。我国油气开采范围向着页岩气、极寒、深水等非常规油气藏发展，开采难度日益剧增，对应的开采压力越来越高，对压裂增产技术提出了更高的要求。堵塞球分层压裂是压裂技术中的一种，被广泛应用，它弥补了封隔器水力喷砂压裂技术的缺点，在层间间隔小，无法满足封隔器使用条件时也同样适用3，极大提高了单井产量。投球器作为堵塞球的释放设备，近几年在国内发展较快，随着压力级别越来越高，堵塞球压裂技术工艺对投球设备提出了更加苟刻的要求。目前市面上的投球器存在压力级别低、投球速度慢，不能实现精确计数的缺点，为此，笔者研发了超高压远程控制投球器，并在压裂施工现场应用，效果显著。1国内外堵塞球投球器的现状国外对于投球器的研究主要集中于美国SPM公司、加拿大GKD公司、Weir公司、美国JHSEMP公司等 2 ，这些厂家投球器的结构组成、工作原理基本相同，主要由动力部分、堵塞球容腔、螺旋搅龙等组成。其中动力总成主要由驱动电机、减速箱、驱动连接杆等组成，工作时，驱动杆传递电机的扭矩至螺旋搅龙，螺旋搅龙逼迫预先安装在投球容腔中的堵塞球向高压流体方向运动，从而进入主通道，被高压流体带入井底封堵孔眼。国外的堵塞球投球器可实现远程投球、精确计数，极大提高了施工人员的操作安全，但国外投球器的最大工作压力为10 5MPa，不能满足国内140 MPa使用工况的要求。国内对于投球装置的研究近十年才开始起步，陈文斌 3 等人在2 0 14年提出了一种远程遥控投球器，采用螺旋槽配合导向套的结构，填补了国内投球器的空白，但最高压力只能达到105MPa。2 0 18 年，西南石油大学的柳愿 4 等人提出了一种连续投球检测装置，通过电磁感应原理实现投球计数功能，该装置只适用于大球的投放，对于直径较小的暂堵球，检测精度较低，目前仅处于理论阶段，实施困难。2 0 19年，张宏桥 5等人研制了一种液压驱动式远程控制投球器，装球数量多、装球速度快，节约了作业时间，但是此种结构不能实现精确记录投球个数，影响压裂施工人员对堵塞球效果的判断，且在高压力下，难以实现密封，安全可靠性差 6 。为此，笔者研究了一种超高压远程控制投球装置，满足140 MPa工况的作业要求，且能实现不停泵精准投球。2远程控制投球器的结构2.1结构组成和功能介绍作者简介：杨文伟（198 1-），男，汉族，重庆市人，本科学历，高级工程师，研究方向为石油压裂设备。35-第9期杨文伟等超高压远程控制投球器的研制与应用（1）远程控制投球器由投球器本体、驱动执行机构（装置）、远程控制组成，如图1所示。驱动执行机构由2 2 0 V防爆伺服电机和减速器构成，满足油田野外环境长期作业的要求，输出扭矩可达8 0 Nm；投球器本体由压帽、驱动杆、导向槽、外套筒、螺杆和基座三通组成；远程控制包括控制面板和超长控制线缆。接控制箱驱动执行机构驱动杆压帽导向槽外套筒螺杆基座三通图1投球器结构组成示意图（2）投球器本体核心密封部位采用弹簧蓄能密封圈，低压和高压都能实现有效密封。设备内腔与流体直接接触的地方，采用锌系磷化处理，满足高压流体长期浸泡的防腐要求。（3）采用螺旋输送机构，为每个堵塞球建立独立的容腔，球与球之间相互隔离，避免球与球之间的挤压，实现暂堵球的逐个投放，下放时不会出现相互挤压导致卡阻的现象。螺旋输送机构由螺旋轴和导向槽组成，其结构如图2 所示。螺旋轴导向槽堵塞球图2 螺旋输送机构（4）采用PLC进行控制，采用接近开关对投球数量进行信号采集，并反馈至控制系统，与步进电机形成反馈控制，实现精准控制，控制精度土0.2 5%。系统软件对每一次投球进行数据存储，生成报表，可查看投球状态：装球总数，已投球数量，剩余球数量。正转反转报表参数设置总投球数0已投珠款当前转0.0min待投球数当前扭超0.0接近开关图3控制面板与接近开关2.2技术参数装球数量：2 0 0 个；适用暂堵球直径范围：13-30mm；额定压力：140 MPa；温度范围：29+12 1；接口形式：3 FIG2002。2.3 工作原理投球前，预先将堵塞球预制在投球器本体的堵塞球容腔中，装满为止；装球完毕后，安装压盖和驱动执行装置，在控制面板中设置投球总数和投球数量；将投球器总成安装在井口与分流管汇的压裂主通道上；投球时，远程操作控制面板，控制伺服电机带动螺旋轴转动，螺旋轴的螺旋肋给堵塞球一个向下的推力，因堵塞球受到导向槽的约束，只能沿导向槽向下运动进入压裂主通道，从而被高压流体带走。与螺旋轴连接的驱动杆上设置有多个凸点，每当凸点经过接近开关时，采集信号，控制面板的投球数量对应加1或者减1，实现投放暂堵球的精确计数。3投球器主要零件的强度计算与校核3.1外套筒的计算与校核投球器主要承压部件为外套筒（投球容腔），为了满足超高压使用工况的要求，投球容腔必须满足最小壁厚条件，按照ASNEB31.3-2020标准的要求，当投球器容腔外径被规定时，最小设计壁厚t以外径为基准计算，如式（1）所示：-2Cc1-xp(-,)1+C。(1)2S当投球容腔内径被规定时，最小设计壁厚t2以内径为基准进行计算，如式（2）所示：d+2C,)-1+C。（2)一236-2023年第2 6 卷论文广场石油和化工设备式中D=投球容腔外径；d=投球容腔内径；p=设计内压;S=材料的许用应力；t=投球容腔最小壁厚；Co=内壁腐蚀余量总和；最终计算的壁厚值t必须满足式（3）t min(ti,t2)(3)3.2外套筒有限元分析为进一步保证外套筒设计壁厚的可靠性，有必要运用有限元分析软件，对外套筒进行静力学强度计算。SolidWorksSimulation软件是集成三维建模、仿真分析与一体的计算机辅助设计软件，尤其是在静力学应力分析模块，操作简单、计算迅速、可靠性高。本文应用该软件对外套筒进行仿真分析。首先，定义外套筒材料：AISI4340，该材料屈服极限为7 6 0 MPa。然后进行网格划分，网格类型选择正四面体网格，雅克比点4点，网格最大设置为4mm，网格品质选择“高”，参数设置好后开始划分网格，得到的单元总数为10 94332 个，节点总数为1556 2 39个。然后，在图示位置添加固定约束，该处通过法兰压盖固定于基座三通上。最终得到的网格和约束如图4所示。图4外套筒网格及约束在外套筒内腔施加140 MPa的压力，如图5所示，并进行求解运算。压力细节X算例名称算例1（默认-）载荷名称压力-3（:140 N/mm2（M Pa)）实体1面类型垂直于所选面数值140单位N/mm2(MPa)识别符7图5外套筒载荷施加最终得到的应力云图如图6 所示，最大应力为700MPa，小于材料的屈服极限7 6 0 MPa。变形云图如图7 所示，最大变形为0.2 5mm，相较于外套筒的尺寸，可忽略不计。综上，外套筒的壁厚符合设计要求。图6 外套筒应力云图图7 外套筒变形云图3.3驱动杆的有限元分析驱动杆将电机和减速器的动力传递至螺杆，运动过程中将承受较大的扭矩，最大可达8 0 Nm，有必要对其进行强度校核以保证投球器系统的安全运行。驱动杆的材料与外套筒相同，有限元分析的前处理方法与外套筒类似，这里不再详细描述。划分好网格之后，在驱动杆的左端面添加固定约束，在右侧与螺杆连接的外圆面处添加8 0 Nm的扭矩，最终得到驱动杆网格及载荷施加情况如图8 所示。进行求解后，得到驱动杆最大应力为457.5MPa，如图9所示，小于材料的屈服极限760MPa。驱动杆的最大变形为0.0 39mm，如图9所示，在驱动杆的允许变形范围之内，综上，驱动杆的强度和变形均满足设计要求。图8 驱动杆网格及载荷施加图4224134:.4图9驱动杆的应力云图37杨文伟等超高压远程控制投球器的研制与应用第9 期66144002图10驱动杆的变形云图4投球器的试验与现场应用4.1室内出厂试验投球器的压帽、外套筒和基座三通均为承压件，为了验证该超高压堵塞球投球器在额定压力140MPa工况下的密封性能，结合工厂现有的条件，采用清水作为试验介质。试验前，将堵塞球置于投球容腔内，安装好投球器之后，将投球器置于专用的试压房中，并连接好控制箱。试验人员在远程控制室操作控制面板，设置投球数量为30个，开启电源，使投球器处于工作状态。并通过视频监控观察试压过程，判断是否出现渗漏。试压时，按照API6A第2 1版中对于PSL3等级产品的要求进行试验，第一阶段，先缓慢加压，当压力升到140 MPa时停止加压，保压时间不低于3min，泄压；第二阶段，先缓慢加压，保压时间不低于15min，泄压。整个保压期间，监测压力与开始时的试验压力之间的差值不能超过3.45MPa或者超过5%，以较小值为准。带压时，投球器运转正常，控制面板能够准确计数。试验后进行检查，现场均无泄漏痕迹，压降值符合标准的相关要求。拆开投球器进行目视检查，各零件完好，未出现变形或损坏，说明投球器密封性能良好，投球器的试压曲线如图11所示。观察投球器投出暂堵球的数量为30 个，与设置的投球数量一致，说明投球器计数准确，投球效果理想。150128.+64-320199265795841093192129113911430银星标压力单位：横生标时间单位S图11#投球器试压曲线4.2现场应用该超高压远程控制投球器在某平台进行了应用。投球器本体与压裂主管线连接，安装在本体上的驱动执行装置通过30 米的控制线缆与投球器远程控制面板相连，控制面板置于安全区的操作房内。现场连接如图12 所示。该平台压裂施工压力为8 8 MPa左右，使用该投球器累计完成了三口井共10 0 段的分层压裂施工，共计投球10 8 颗，取得了良好的应用效果。整个投球过程操作简单、计数准确，实现了不停泵远程控制投球。图12 使用中的投球器5结论（1）通过对目前国内外压裂用投球器的结构特点和功能特点进行分析，指出了现有投球装置的优缺点，分析结果表明，目前函待攻克的难点是设计满足超高压力工况、能实现精确计数的投球装置。（2）基于螺旋输送原理，进行投球器功能分析，开展结构方案、远程控制等方面的研究，解决高压密封和精确计数的难题，设计了一种超高压远程控制投球器，能满足140 MPa使用工况的要求，可实现不停泵远程控制投球，计数准确。（3）对超高压远程控制投球器关键零部件进行了强度校核和有限元分析，结果表明，关键承压部件-外套筒和扭矩传递零件-驱动杆的最大应力分别为7 0 0 MPa和457.5MPa，均小于材料的许用应力7 6 0 MPa，最大形变均在零件的允许范围之内，说明投球器的设计满足使用工况下强度和刚度的要求。(下转45页）(上接37 页）-45-贾同威SZorb反应器分配盘抗磨设计研究第9期6.5最高磨蚀速率高磨蚀区域占比166.0145.5-5.0104.584.0-3.560123456角度（）图8极端载荷下数据处理图3结论由于反应器泡罩的特殊结构，吸附剂颗粒在高温高压氢油混合气体带动下，高速冲击塑性材料的堆焊层表面，产生微切削磨蚀。提出增加托盘结构改善流体冲击角，提高反应器耐磨蚀性能。构建了SZorb反应器分配盘模型，采用CFD-DEM模型进行耦合模拟，用最高磨蚀速率、高磨（4）目前，该超高压投球器通过了出厂试验，且在某平台得到有效应用，应用结果表明，该投球器操作简单、计数准确、安全可靠，满足国内超高压堵塞球分层压裂工况的使用要求，具有良好的推广前景。参考文献1张宏桥，董毅军，王德贵，邹子由，段树军，唐霄.远程控制堵塞球投球器研制.机械工程师，2 0 19(10):158-16 0.蚀区域占比来表征分配盘磨蚀特性，分别在标准载荷及极限载荷下对比分析了不同角度托盘对堆焊层磨蚀状况的改善作用。结果表明，在标准载荷下增加托盘结构可以少量降低流体对堆焊层的最高冲蚀速率和高冲蚀区域占比，即在一定程度提高分配盘耐磨蚀性能，并验证了设计方案的正确性与可行性。在极端载荷情况下，增加托盘可大幅度降低流体对堆焊层的最高冲蚀速率和高冲蚀区域占比，即可以极大改善分配器耐磨蚀性能，而托盘角度为4时效果最好，所以最终设计方案为为分配盘加装角度为4的托盘。参考文献1申仁俊.SZorb装置长周期运行问题分析及应对措施 .炼油技术与程,2 0 2 2,52(2):41-45.2李祖利.催化汽油吸附脱硫(SZorb)装置反应器分配盘的检修及分析 .石油化工设备技术,2 0 2 2,43(6):50-53.3李沧,孙宝财.弯管中气固两相流冲蚀模拟研究 .兰州理工大学学报,2 0 2 0,46(4):7 9-8 3.4李良,刘书文,程文钦,等.S32205不锈钢弯管在气固两相流下的冲蚀模拟研究 .油气田地面工程,2 0 2 2,41(11):18-2 4.5卓柯,邱伊婕,张引弟,等.颗粒参数对气固两相流冲蚀磨损的影响分析 J.西安石油大学学报（自然科学版）,2 0 2 0,35(6):10 0-10 6收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 9修回日期：2 0 2 3-0 8-0 52朱浩铭,吴小雄,等.分层压裂堵塞球投球器研究现状及展望.机械工程师,2 0 17(10):12 7-12 9.3陈文斌,陆红军,闫军,等.远程遥控投球装置在层间暂堵多缝压裂技术中的应用 .石油钻采工艺,2 0 14,36(0 1):10 4-10 6.4柳愿,耿敏涛,焦辉.一种新型分层压裂连续投球检测装置的设计方案 .天然气技术与经济,2 0 18,12(0 1):2 3-2 4+8 1-8 2.5张宏桥,董毅军,王德贵,邹子由,段树军,唐霄.远程控制堵塞球投球器研制 .机械工程师,2 0 19(10):158-16 0.6韩静静,邓继学,景志明.连续分层压裂投球器的研制与应用.石油机械,2 0 16,44(0 4):8 7-8 9.收日期：2 0 2 3-0 4-0 6 修回日期：2 0 2 3-0 8-0 5