一種壓裂施工投球裝置及其投球方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種壓裂施工投球裝置及其投球方法，尤其是一種能夠連續、自動化進行壓裂施工投球裝置及其投球方法，屬于油氣鉆采壓裂施工設備及施工方法技術領域。
【背景技術】
[0002]在大型分段水力壓裂施工不同井段時，需按井段內預置滑套的球座規格，逐次投入相應規格的密封球體，在密封球體作用下開啟相對應井段的滑套，再對此井段進行壓裂作業施工。
[0003]常規投球作業時為保證作業安全，必須先停止泵注作業，關閉采油樹主閘，將壓裂主管道內的壓力泄盡，方可開啟旋塞閥將密封球體投入壓裂主管道內，然后關閉旋塞閥。在開啟采油樹主閘時，井內與壓裂主管道間存在的壓差會對鋼球入井造成影響，為消除這種影響，在開啟采油樹主閘前還要對壓裂主管道進行打壓作業。而整個操作過程需工作人員進入高壓施工區域內進行手動操作，存在較大安全隱患。
[0004]常規單次投球過程保守估計需耗時10分鐘以上，大型施工時主壓設備數量較多，為最大限度保證施工作業連續性，通常投球時所有主壓設備均保持怠速運轉待命狀態。按大型井分段壓裂施工啟用12臺(輛)主壓設備計算:若投球6次，單次投球作業耗時10分鐘，整個施工過程單投球作業累計耗時I小時左右，12臺(輛)主壓設備均怠速運轉I小時所需燃料成本數千元，也增加了尾氣排放量加劇大氣污染。
[0005]另外現有壓裂施工中，在目標產層壓裂施工結束前需注入足量的頂替液以便將井內的支撐劑(或酸液)完全壓入目標產層，在支撐劑(或酸液)完全壓入目標產層后才能進行下一目標產層的投球作業:球體通過常規投球作業方式進入井內，送球液攜帶球體，并用泵注將球體輸送至目標產層。該操作模式增加了施工液體使用量，也無形中增加了施工運行成本和后期污水處理成本。
【發明內容】
[0006]本發明的發明目的在于:針對上述存在的問題，提供一種壓裂施工投球裝置及其投球方法，解決現有操作中存在的問題，有效的節約投球作業時間，降低投球操作成本，同時降低或消除投球高壓操作的風險，并具有可自動化操作的優點。
[0007]本發明采用的技術方案如下:
一種壓裂施工投球裝置，包括主缸體和活塞推桿，所述活塞推桿設置于主缸體內，且可沿主缸體內腔雙向往復運動，所述主缸體和活塞推桿間密封配合而將主缸體內腔劃分為獨立的投球腔和壓力輔助腔；所述投球腔所在主缸體端部設置有閥門I，投球腔還設置有進球管道，所述進球管道上設置有閥門II ;所述投球腔和壓力輔助腔間通過連通管道連通，所述連通管道上設置有閥門III ;所述壓力輔助腔設置有泄壓管道I，所述泄壓管道I上設置有閥門IV ;所述主缸體內設置有用于活塞推桿復位的彈性機構。
[0008]進一步的，所述投球腔設置有用于與壓裂主管道連接的引壓管，所述引壓管上設置有閥門V。
[0009]進一步的，所述彈性機構為壓縮彈簧，所述壓縮彈簧設置于壓力輔助腔內。
[0010]進一步的，所述壓力輔助腔內設置有沿主缸體軸向的導桿，活塞推桿沿軸向開設有與導桿適配的導槽，活塞推桿通過其導槽裝配于主缸體內的導桿上。
[0011]進一步的，所述投球腔設置有泄壓管道II，所述泄壓管道II上設置有閥門VI。
[0012]本發明的壓裂施工投球裝置，進一步還包括與所述進球管道連接的球倉，所述球倉的出口設置有球體限徑通過機構。
[0013]本發明的壓裂施工投球裝置的投球方法，包括如下步驟:
a、控制閥門1、閥門II和閥門III為關閉狀態，閥門IV為開啟狀態，將球體放入進球管道內；
b、開啟閥門II，使球體進入投球腔的進球管道所在段，并關閉閥門II;
C、將壓裂主管道內的流體引入投球腔，活塞推桿在流體壓力的作用下向壓力輔助腔側推進并使彈性機構發生彈性形變，球體進入投球腔的主缸體所在段，并完全開啟閥門I ;
d、關閉閥門IV，開啟閥門III，流體通過連通管道進入壓力輔助腔使投球腔和壓力輔助腔間壓力平衡，在彈性機構的作用下使活塞推桿向投球腔側推進，而將球體推入壓裂主管道內；
e、關閉閥門III，開啟閥門IV將壓力輔助腔內的壓力瀉出，活塞推桿在投球腔內流體壓力的作用下向壓力輔助腔側推進并使彈性機構發生彈性形變；
f、活塞推桿推進到位后，關閉閥門I將投球腔與壓裂主管道隔斷；
g、將投球腔內的壓力瀉出，活塞推桿在彈性機構的作用下使活塞推桿向投球腔側推進、復位，完成一次投球過程。
[0014]進一步的，所述投球腔設置有用于與壓裂主管道連接的引壓管，所述引壓管上設置有閥門V，所述步驟C中將壓裂主管道內的流體引入投球腔操作為:開啟閥門V將壓裂主管道內的流體引入投球腔。
[0015]進一步的，所述投球腔設置有泄壓管道II，所述泄壓管道II上設置有閥門VI，所述步驟g中投球腔通過開啟閥門VI進行壓力瀉出。
[0016]進一步的，所述進球管道連接有球倉，所述球倉的出口設置有球體限徑通過機構，所述投球操作前還包括將球體按順序放入球倉內，并通過球體限徑通過機構依次將球體送入進球管道。
[0017]綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是:
(1)所述壓裂施工投球裝置構思巧妙、設計合理，通過將壓裂施工的壓力引入主缸體、缸體內壓力平衡的過程來實現投球，本發明的壓裂施工投球裝置能夠在壓裂主管道壓裂施工的過程中帶壓投球，并且能夠實現投球過程的連續化，相比于傳統的投球裝置有效的降低了投球成本，縮短了投球周期，并具有實現投球過程自動化的基礎，操作人員可遠離高壓區域遠程操作，保證了投球過程的安全，另外該裝置還具有小型化且運轉低成本化的優點，大大降低了施工的運輸和安裝成本，
(2)基于該壓裂施工投球裝置和投球方法設計，實現了在管道帶壓、連續施工的條件下投球，這將使傳統投球操作得到改變:通過計算目標產層與下一目標產層間的管道容積，可在目標產層壓裂施工結束前注入計算容積的頂替液，當計算容積的頂替液注入完成后即可采用本發明的壓裂施工投球裝置和投球方法將球體投入井內，再用送球液將球體送至下一目標產層，進而開始下一目標產層的壓裂施工。這相比于傳統的投球操作，大大節省了頂替液的用量(下一目標產層與地面間管道的容積量)，并節省了投球操作時間和設備運轉成本。
【附圖說明】
[0018]本發明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
圖1是本發明的壓裂施工投球裝置結構示意圖；
圖2是本發明的壓裂施工投球裝置操作過程圖A ;
圖3是本發明的壓裂施工投球裝置操作過程圖B ;
圖4是本發明的壓裂施工投球裝置操作過程圖C ;
圖5是本發明的壓裂施工投球裝置操作過程圖D ;
圖6是本發明的壓裂施工投球裝置操作過程圖E。
[0019]圖中標記:1-主缸體、101-閥門1、102-導槽、103-導桿、104-壓縮彈簧、105-閥門II1、106-閥門V、107_閥門IV、2-活塞推桿、3-投球腔、4-壓力輔助腔、5-進球管道、501-閥門II ,502-閥門V1、6-球倉、601-球體限徑通過機構、7-球體、8-壓裂主管道。
【具體實施方式】
[0020]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0021]本說明書(包括任何附加權利要求、摘要)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。
實施例
[0022]本發明的壓裂施工投球裝置，其結構如圖1所示，包括主缸體I和活塞推桿2，所述活塞推桿2設置于主缸體I內，且可沿主缸體I內腔雙向往復運動，所述主缸體I和活塞推桿2間密封配合而將主缸體I內腔劃分為獨立的投球腔3和壓力輔助腔4 ;所述投球腔3所在主缸體I端部設置有閥門I 101，投球腔3還設置有進球管道5，所述進球管道5上設置有閥門II 501 ;所述投球腔3和壓力輔助腔4間通過連通管道連通，所述連通管道上設置有閥門III105 ;所述壓力輔助腔4設置有泄壓管道I，所述泄壓管道I上設置有閥門IV 107 ;所述主缸體I內設置有用于活塞推桿2復位的彈性機構。
[0023]所述彈性機構可安裝于投球腔3或壓力輔助腔4內，彈性機構可為壓縮彈性機構或者拉伸彈性機構等現有形式或者結構設計，其目的在于儲存壓裂主管道8內流體壓力，并通過壓力釋放來實現投球。
[0024]所述主缸體I的投球腔3端部為管道接頭用于和壓裂主管道8連接，所述壓力輔助腔4端面封閉，壓裂施工投球裝置其主要工作原理如下:壓裂主管道內的流體壓力引入(可通過閥門I 101或者另設引壓用管道)投球腔3，在壓力作用下活塞推桿2向壓力輔助腔4推進并使彈性機構發生彈性形變，閥門III 105用于投球腔3和壓力輔助腔4的壓力平衡，兩腔體壓力平衡過程中彈性機構釋放彈性力推動球體進入壓裂主管道。
[0025]本實施例中，所述主缸體I和進球管道5以軸向垂直安裝設置，進球管道5的閥門II 501距離活塞推桿2外壁的垂直距離以投球的最大直徑為參考設計，以提供球體通過閥門II 501進入后的臨時容納空間。另外在本實施例中活塞推桿2的外徑小于主缸體I投球腔3的內徑，使得壓力能夠通過連通管道的管道接口順利釋放。
[0026]本實施例中，所述投球腔3設置有用于與壓裂主管道連接的引壓管，所述引壓管上設置有閥門V 106，用于將壓力施工主管道內的壓力引入投球腔3，相比于用閥門I 101引壓，具有安全且操控性強的優點，另外還能有效避免閥門I 101開啟過程中可能對活塞推桿2端面和閥門I 101閥芯的損傷。
[0027]本實施例中，所述彈性機構為壓縮彈簧104，所述壓縮彈簧104設置于壓力輔助腔4內，壓力輔助腔4內還包括用于活塞推桿2運動導向的導向設計:所述壓力輔助腔4內設置有沿主缸體I軸向的導桿103，活塞推桿2沿軸向開設有與導桿103適配的導槽102，活塞推桿2通過其導槽102裝配于主缸體I內的導桿