超高压远程控制投球器的研制与应用.pdf
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1、.-.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
2、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
3、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
4、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105M
5、Pa。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(
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
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