王旱祥 車家琪 劉延鑫 蘭文劍 張硯雯 呂孝孝 杜明超

中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院

0 引言

頁巖氣在中國分布非常廣泛，開發(fā)潛力巨大[1-2]，目前探明儲量超過1×1012m3，已經(jīng)進(jìn)入規(guī)模開發(fā)階段[3-5]。由于頁巖儲層物性差、孔隙度低、滲透率極低，必須采用壓裂改造才能獲得工業(yè)產(chǎn)能[6]。投球壓裂技術(shù)是水平井分段壓裂改造常用的壓裂技術(shù)，依靠在井口投放壓裂球，在井底打開壓裂滑套的方式進(jìn)行逐段壓裂。因此井口投球器非常重要[7]。但是目前投球器存在壓裂球尺寸小、投球數(shù)量有限、結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜、適用性差等問題，不能滿足頁巖氣井大通徑、小間距壓裂作業(yè)的需求[8]。

筆者針對頁巖氣壓裂生產(chǎn)實(shí)際，提出了一種轉(zhuǎn)板式大通徑井口自動(dòng)投球器設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合井底多級壓裂滑套的使用，完成頁巖氣水平井多級分段壓裂生產(chǎn)作業(yè)，有利于提高頁巖氣田的采收率和保持長期穩(wěn)產(chǎn)。

1 結(jié)構(gòu)方案

1.1 技術(shù)參數(shù)

根據(jù)頁巖氣水平井分段壓裂需求，確定轉(zhuǎn)板式大通徑井口自動(dòng)投球器的技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 井口自動(dòng)投球器技術(shù)參數(shù)表

1.2 結(jié)構(gòu)組成

轉(zhuǎn)板式大通徑井口自動(dòng)投球器整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中壓裂球按照尺寸由小到大的順序放置在球筒里。球筒上端的上接頭與法蘭蓋通過雙頭螺柱進(jìn)行連接，上接頭法蘭盤和法蘭蓋連接處布置有密封圈，防止球筒內(nèi)部的高壓壓裂液溢出。球筒下端的底座內(nèi)部布置投球機(jī)構(gòu)，投球機(jī)構(gòu)通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)作業(yè)，具有逐個(gè)投球的功能。底座下端的下接頭與井口裝置進(jìn)行連接，固定整個(gè)裝置。

圖1 投球器整體結(jié)構(gòu)示意圖

投球機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過電機(jī)架固定在底座下端，并通過鍵聯(lián)接與小齒輪同軸配合。轉(zhuǎn)盤邊緣是不完全輪齒，轉(zhuǎn)盤與小齒輪齒輪配合。轉(zhuǎn)盤邊緣均勻布置多個(gè)弧形限位軌道，限位柱在限位軌道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的定心轉(zhuǎn)動(dòng)。曲柄一端與轉(zhuǎn)盤邊緣柱同心配合，另一端與固定在轉(zhuǎn)板上的轉(zhuǎn)板柱同心配合，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)板定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)板中心具有凹球面，方便定位壓裂球，多塊轉(zhuǎn)板同時(shí)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，可以形成不同大小的孔徑，從而投放不同尺寸的壓裂球。轉(zhuǎn)盤內(nèi)部布置泄壓孔，實(shí)現(xiàn)上下接頭內(nèi)部壓力平衡，防止投球機(jī)構(gòu)工作受到壓差的影響。

圖2 投球機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 工作過程

投球機(jī)構(gòu)工作過程如圖3所示，通過控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，便可以通過齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)（圖3-a），從而通過曲柄控制轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)動(dòng)，多個(gè)轉(zhuǎn)板形成的中心孔孔徑逐漸增大（圖3-b、c），進(jìn)而可以按照尺寸由小到大的順序依次投放多個(gè)壓裂球（圖3-d），完成水平井分段壓裂的投球工作。

2 碰撞分析

圖3 投球機(jī)構(gòu)工作過程圖

由于在投球過程中，壓裂球與投球機(jī)構(gòu)會產(chǎn)生碰撞，并且可能通過碰撞產(chǎn)生損傷，而井口投球器通常帶壓投球作業(yè)，一旦出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷，容易導(dǎo)致惡性事故，所以需要對投球機(jī)構(gòu)進(jìn)行碰撞分析，從而提高作業(yè)的安全性。

2.1 模型參數(shù)

壓裂球材料選用鎂鋁合金可降解材料，其密度為2 g/cm3，耐溫150 ℃，抗壓強(qiáng)度超過70 MPa[9-10]。投球機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)板材料選用42CrMo合金鋼，42CrMo是一種超高強(qiáng)度鋼，具有高強(qiáng)度和高硬度，韌性也較好，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后其抗沖擊能力強(qiáng)，屈服強(qiáng)度超過930 MPa，是綜合性能較好的優(yōu)質(zhì)合金鋼[11]。42CrMo密度為7.85 g/cm3，彈性模量210 GPa，泊松比0.3。

其中42CrMo采用Johnson-Cook模型作為材料的本構(gòu)模型，Johnson-Cook模型是一種常用的金屬材料本構(gòu)模型，它綜合考慮了應(yīng)變硬化、應(yīng)變率強(qiáng)化和熱軟化效應(yīng)，對于大量金屬材料的變形描述都是相當(dāng)吻合的。Johnson-Cook模型的具體形式為[12]：

式中σ表示流動(dòng)應(yīng)力，分別表示等效塑性應(yīng)變、加載應(yīng)變率、參考應(yīng)變率；分別表示實(shí)驗(yàn)溫度、材料熔化溫度和環(huán)境溫度，℃；A、B、C、m、n表示材料參數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)確定。

通過查閱本文參考文獻(xiàn)[13]資料，42CrMo的Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)如表2所示。

2.2 仿真建模

利用ABAQUS軟件對投球碰撞過程進(jìn)行仿真，首先進(jìn)行仿真建模?？紤]到投放最大尺寸壓裂球?qū)ν肚驒C(jī)構(gòu)的沖擊載荷最大，故設(shè)定壓裂球直徑為108 mm，從108 mm的高度跌落到投球機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)板上，轉(zhuǎn)板下方由底座進(jìn)行支撐。投球碰撞分析仿真模型如圖4所示。由于主要分析轉(zhuǎn)板的受力狀況，為減小運(yùn)算量，提高運(yùn)算效率，將壓裂球和底座設(shè)置為剛體。

表2 42CrMo的Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)表

圖4 投球碰撞分析仿真模型圖

2.3 運(yùn)動(dòng)分析

圖5 壓裂球運(yùn)動(dòng)曲線圖

由于壓裂球設(shè)置為剛體，在投球碰撞過程中，可以以壓裂球質(zhì)心為研究對象進(jìn)行分析，得到壓裂球的運(yùn)動(dòng)曲線如圖5所示。在重力的作用下，壓裂球首先自由落體產(chǎn)生向下的位移，在第0.15 s時(shí)到達(dá)最下端，并對投球機(jī)構(gòu)產(chǎn)生第一次沖擊，此時(shí)下落高度為108 mm，符合仿真參數(shù)設(shè)置要求，向下的沖擊速度達(dá)到1 360 mm/s。第一次沖擊之后，壓裂球改變運(yùn)動(dòng)方向向上運(yùn)動(dòng)，并在第0.28 s到達(dá)位置－22.5 mm，此時(shí)改變運(yùn)動(dòng)方向繼續(xù)下落，但此時(shí)下落高度僅為85.5 mm，所以在第0.42 s產(chǎn)生的第二次沖擊速度僅為1 290 mm/s，小于第一次沖擊速度。之后，壓裂球也會多次沖擊投球機(jī)構(gòu)，但是下落高度逐漸降低，沖擊速度也越來越小，故應(yīng)重點(diǎn)分析第一次沖擊對投球機(jī)構(gòu)的影響。

2.4 應(yīng)力應(yīng)變分析

采用FEM（有限單元法）對投球過程進(jìn)行碰撞分析，但網(wǎng)格單元發(fā)生嚴(yán)重扭曲，導(dǎo)致仿真結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，故通過ALE（任意拉格朗日歐拉）網(wǎng)格自適應(yīng)方法和耦合的FEM-SPH（SPH為光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)）對仿真結(jié)果進(jìn)行修正。分別提取FEM模型[14-15]、ALE模型[16]和FEM-SPH模型[17-20]的仿真數(shù)據(jù)，得到不同模型仿真結(jié)果如表3所示。

表3 應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果表

其中FEM模型的最大應(yīng)力862 MPa，最大應(yīng)變0.075，ALE模型的最大應(yīng)力536 MPa，最大應(yīng)變0.032，F(xiàn)EM-SPH模型最大應(yīng)力634 MPa，最大應(yīng)變0.040。以上數(shù)據(jù)表明，直接通過FEM方法得到的仿真結(jié)果具有較大的誤差，原因是碰撞過程中網(wǎng)格畸變影響仿真精度，通過ALE方法和FEM-SPH方法可以通過改善網(wǎng)格畸變修正仿真結(jié)果，而且兩種修正方法得到的仿真結(jié)果比較接近，具有較好的一致性。投球碰撞產(chǎn)生的最大應(yīng)力在600 MPa左右，小于42CrMo的屈服強(qiáng)度930 MPa，滿足強(qiáng)度要求，并且具有一定的安全余量，滿足現(xiàn)場工況要求。

3 精度分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，壓裂球尺寸規(guī)格介于64～108 mm，級差為4 mm，控制精度要求較高。下面通過樣機(jī)試驗(yàn)對投球器的控制精度進(jìn)行分析。

3.1 樣機(jī)原理

圖6 樣機(jī)原理圖

樣機(jī)原理如圖6所示，現(xiàn)場人員通過觸摸屏控制整個(gè)系統(tǒng)，通過對電路板單片機(jī)系統(tǒng)編程，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)動(dòng)的精確控制，進(jìn)而控制投球機(jī)構(gòu)工作。同時(shí)通過單片機(jī)采集傳感器數(shù)值，用于檢測是否投球成功，通過單片機(jī)采集位置開關(guān)數(shù)值，用于系統(tǒng)初始化復(fù)位。另外，可通過信號發(fā)射器將現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)送到技術(shù)管理部門，方便現(xiàn)場人員與技術(shù)人員進(jìn)行通信交流。

3.2 樣機(jī)結(jié)構(gòu)

按照投球器結(jié)構(gòu)方案和樣機(jī)原理，完成投球器實(shí)物樣機(jī)的制作，投球器樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 樣機(jī)結(jié)構(gòu)圖

選擇昆侖通態(tài)177.8 mm MCGS觸摸屏作為控制器，控制界面具有“投球”、“電機(jī)復(fù)位”和“清零”3個(gè)功能按鈕，同時(shí)可以顯示“當(dāng)前投球數(shù)”和“投球狀態(tài)”（是否成功），滿足現(xiàn)場人員的使用要求。選擇J-5718HB6401型號步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，扭矩3.6 N·m，電流4.0 A。同時(shí)選用57步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器DM542，電流介于1.0～4.2 A，電壓介于24～50 V。為方便進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，外殼采用有機(jī)玻璃進(jìn)行加工。

3.3 樣機(jī)試驗(yàn)

使用尺寸規(guī)格為64～108 mm，級差為4 mm的壓裂球模型進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，壓裂球模型如圖8所示。按照尺寸由小到大的順序依次把壓裂球裝入球筒，然后啟動(dòng)電源，通過控制觸摸屏功能按鈕，開始樣機(jī)試驗(yàn)。

圖8 壓裂球模型照片

3.4 結(jié)果分析

在樣機(jī)試驗(yàn)過程中，及時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表

通過試驗(yàn)得出，該投球器設(shè)計(jì)方案可以實(shí)現(xiàn)12級級差為4 mm的壓裂球投放，而目前液控式投球器投球級差6.35 mm，控制精度有了較大的提高，同時(shí)該投球器運(yùn)行平穩(wěn)，較好地滿足現(xiàn)場使用要求。

鑒于目前壓裂球并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的壓裂球尺寸規(guī)格不盡相同，嚴(yán)重影響井口自動(dòng)投球器的設(shè)計(jì)和發(fā)展。而本方案通過編程控制電機(jī)的方式，實(shí)現(xiàn)壓裂球的投放，可根據(jù)壓裂球?qū)嶋H尺寸，對程序代碼進(jìn)行適應(yīng)性的調(diào)整，滿足不同的生產(chǎn)需求，具有更好的可調(diào)節(jié)性、通用性和適用性。

4 結(jié)論

1）針對頁巖氣壓裂生產(chǎn)實(shí)際，提出了一種轉(zhuǎn)板式大通徑井口自動(dòng)投球器設(shè)計(jì)方案，并完成了整體方案和具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。該方案投球直徑介于64～108 mm，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制連續(xù)帶壓投球，有效滿足頁巖氣大通徑、小間距的壓裂需求。

2）通過仿真模擬對該方案進(jìn)行碰撞分析，直接通過FEM方法得到的仿真結(jié)果具有較大的誤差，通過ALE方法和FEM-SPH方法可以改善網(wǎng)格畸變、修正仿真結(jié)果，而且兩種修正方法得到的仿真結(jié)果比較接近，具有較好的一致性。結(jié)果表明，投球碰撞產(chǎn)生的最大應(yīng)力在600 MPa左右，小于42CrMo的屈服強(qiáng)度930 MPa，滿足強(qiáng)度要求，并且具有一定的安全余量。

3）通過樣機(jī)試驗(yàn)對該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行精度分析，該方案實(shí)物樣機(jī)操作方便，運(yùn)行平穩(wěn)，投球級差4 mm，成功完成了12級分段壓裂連續(xù)投球測試，且操作簡單、檢修方便、適用性廣，有效滿足頁巖氣水平井多級分段壓裂工藝需要，對非常規(guī)氣田的壓裂生產(chǎn)提供了重要的參考。