摘要：暫堵轉向工藝是多簇射孔簇開啟的有效方法，而投球器是實施暫堵轉向工藝的關鍵設備之一。現(xiàn)有頁巖氣開發(fā)采用的液動旋塞投球器無法多次定量精準投球，無法滿足當前現(xiàn)場需求。面對這個問題，研制了一種高壓遠程控制投球器，采用螺旋投球原理實現(xiàn)精確計數(shù)，采用側裝動力總成和分體式頂蓋總成便于拆裝，可實現(xiàn)140 MPa承壓能力、多次精準投球、裝球數(shù)量大，且操作簡單。暫堵轉向壓裂用遠程控制投球器經(jīng)廠內和現(xiàn)場測試，完全滿足140 MPa承壓能力、多次精準投球、裝球數(shù)量大。經(jīng)過多次現(xiàn)場應用，驗證了新型投球器具有密封可靠、精確投球、操作簡單、運行安全可靠等優(yōu)點，滿足了國內超高壓堵塞球分層壓裂工況的使用要求，可全面替代現(xiàn)有的液動旋塞閥投球器。

關鍵詞：暫堵轉向；遠程控制；螺旋輸送；高壓投球器

中圖分類號：TE934" " " " "文獻標志碼：B" " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.05.012

Development and Application of Romote Control Ball Injector for Temporary Blockage Steering and Fracturing

LIU Xiaoxu1，3 ，REN Yong2 ，ZHANG Hongqiao1，3，QI Tianjun2，WANG Zhixi2，WANG Degui1，3，WU Xiaoxiong1，3，WANG Qianmin1，3

（1.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji，721002，China ；2.Downhole Technology Operation Company of CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co.，Ltd.，Chengdu 610500，China；3.China National Oil and Gas Drilling

Equipment Engineering Technology Research Center Co.，Ltd.，Baoji 721002，China）

Abstract： The temporary plugging and turning process represents an effective methodology for the opening of multiple clusters of perforations. The ball injector constitutes a pivotal piece of equipment for the implementation of the aforementioned process. The existing hydraulic rotary plug ball injector utilized in shale gas development is unable to accurately and quantitatively throw balls on multiple occasions， which is inadequate to meet the demands of on-site operations. In response to this challenge， a high-pressure remote control ball injector has been developed， which employs the spiral ball injector principle to achieve precise counting. The apparatus is equipped with a side-mounted power assembly and a split-type top cover assembly， facilitating disassembly and assembly. It is capable of withstanding a pressure capacity of 140 MPa， and is designed with multiple precise ball injectors and a large number of balls to be loaded. The operation is simple， and the remote control ball injector for temporary blocking and turning fracturing has been tested in a controlled setting and in a real-world context. It has demonstrated the capacity to achieve a pressure of 140 MPa， facilitate multiple precise ball injections， and accommodate a substantial number of balls. Following a series of on-site trials， it has been demonstrated that the new ball injector model exhibits a number of advantages， including reliable sealing， precision， straightforward operation， and a high degree of safety and reliability. The new device meets the requirements of domestic ultra-high pressure blockage ball layered fracturing conditions and can fully replace the existing hydraulic plug valve ball injector.

Key words：" temporary blocking steering；remote control；screw conveyor；high-pressure injector

暫堵轉向工藝是多簇射孔簇開啟的有效方法，是在壓裂一段時間后，投入一定數(shù)量的暫堵球，封堵已壓開裂縫的射孔眼，從而使其他未起裂的射孔簇起裂和延伸新裂縫，進一步提升所有射孔簇改造均勻程度，而投球器是實施暫堵轉向工藝的關鍵設備之一［1］。暫堵工藝需要根據(jù)射孔孔眼尺寸、數(shù)量、施工壓力等參數(shù)確定暫堵球的尺寸、密度及數(shù)量［2-6］。投球器需要具有較大的球徑尺寸；需要具備精準投放各種密度暫堵球的能力；需要具備靈活選擇投球時機和改變投球數(shù)量的能力［7-9］。由于缺少專用投球器，深層頁巖氣開發(fā)普遍使用“液動旋塞閥+三通”做為投球裝置，配套液壓控制系統(tǒng)。該投球方法雖裝球方便，技術成熟，但存在的缺陷有：①控制系統(tǒng)體積大，控制距離有限；②投放順序不能靈活調整，僅能一次投球，無法多次定量精準投球，裝入后要么不投，要么全投；③不能投放低密度暫堵球；④平臺井需要安裝多個液壓旋塞閥進行投球，管線刺漏風險高，連接管線勞動強度大［10-15］。目前，投球器壓力級別普遍達不到140 MPa，迫切需要進行承壓140 MPa遠程控制投球器的研制。

1 技術分析

1） 投球器整體耐壓能力需達到140 MPa。在密封設計時，不僅需要考慮投球器在高壓下各連接處的靜密封，還需考慮輸出軸處的旋轉動密封。

2） 投球器裝球數(shù)量和球徑范圍需滿足現(xiàn)有工況?？紤]到國內實際工況，需保證投球器裝球數(shù)量≥120個，球徑范圍覆蓋？準13～？準22 mm，可投放密度1.25～2.18 g/cm3的暫堵球，并能實現(xiàn)裝球、回收球操作簡便。

3） 投球器需具備遠距離精準投送能力。投球器需要研究伺服電機的選用與精細控制，將投球誤差控制在合理范圍內，實現(xiàn)投球器多次定量精準投球，將高壓下摩擦扭矩控制在合理范圍內，確保電機輸出扭矩有安全余量。

4） 投球器需具有防砂卡、防銹蝕能力。投球器要滿足加砂壓裂和酸化壓裂施工工藝，要防止投球器在使用后出現(xiàn)砂卡、腐蝕的情況，進而出現(xiàn)轉不動、取不出、密封泄露等問題，因此需要考慮軸承及密封防砂卡，內部旋轉部件防銹蝕的問題。

1.1 結構原理

暫堵轉向壓裂用遠程控制投球器結構如圖1 所示。由機械本體、遙控器、防爆線纜和遠程控制箱四部分組成。機械本體由底座總成、球筒、頂蓋總成、動力總成等組成。底座總成是用于連接壓裂設備的三通；球筒內部采用螺旋輸送原理，將暫堵球輸送到底座三通；頂蓋總成用于裝球和保護球筒內部，采用中軸承外置的方式便于手動操作（可在意外情況下手動旋轉裝球、投球），頂蓋總成采用分體式結構便于拆裝；動力總成是一組防爆伺服電機，為機械本體的球筒提供旋轉動力。遙控器用于設備端直接操作，防爆線纜把動力總成和遠程控制箱連接起來。遠程控制箱控制動力總成的防爆伺服電機的啟停和正反轉，實現(xiàn)投球、退球等操作。

1.2 工作流程

投球工作壓裂施工前，將已在球筒內裝滿暫堵球的投球器本體通過高壓管線與管匯橇和壓裂車相連，遠程控制箱放在遠離施工高壓區(qū)域60 m以外的地方，接入220 V交流電源，并通過防爆線纜連接到投球器本體的防爆伺服電機上。投球工作流程圖如圖2所示。

需投暫堵球時，設置好總投球數(shù)后，按下（開始/停止）按鈕，電機帶動螺旋軸低速旋轉，設備自動投出設定數(shù)量的球后自動停止，暫堵球將連續(xù)、均勻地落入底座三通，隨壓裂液進入井中，同時，遠程控制箱會實時顯示已投的暫堵球數(shù)量。完成該段壓裂后，再次設定需投球數(shù)，完成設定數(shù)量的暫堵球投放。在施工間隙補充暫堵球，按照上面操作完成下次投球。

1.3 主要技術參數(shù)

暫堵轉向壓裂用遠程控制投球器主要技術參數(shù)如下所示：

接口形式 FIG2002（？準76.2 mm）

通徑 ？準76.2 mm

額定工作壓力 140 MPa

強度試驗壓力 210 MPa

球徑范圍 ？準13 mm～？準22 mm

裝球數(shù)量 " " " 156個（？準18 mm～？準22 mm）/

186 個（？準13 mm～？準18 mm）

材料級別 AA

性能級別 PR1

適用介質 壓裂液、攜砂液、酸等

最大流量 3.34 m3/min

防護等級 IP65

遠控距離 ≥60 m

自動投球速度 ≥120 個/min

1.4 技術特點

1） 承壓能力高，投球器可承壓140 MPa。

2） 投球精度高，可自動多次任意投放密度為1.25～2.18 g/cm3的暫堵球。

3） 裝球數(shù)量多，覆蓋球徑范圍廣。

4） 耐酸、堿能力強，防砂效果好，適應多介質作業(yè)。

5） 可自動裝球，頂蓋總成重量輕，勞動強度低。

2 室內測試

暫堵轉向壓裂用遠程控制投球器在組裝好后進行無線傳輸試驗、靜水壓強度試驗、靜水壓密封試驗、投球速度試驗、帶壓轉動試驗、投球精度試驗、高壓循環(huán)狀態(tài)投球試驗，試驗結果全部合格。經(jīng)檢測140 MPa暫堵轉向壓裂用遠程控制投球器性能良好。各室內試驗名稱及結果如表1所示。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 威204某平臺現(xiàn)場試驗

投球器在威204某平臺進行了第1次工業(yè)性試驗，該平臺采用“長段短簇+暫堵勻擴+控液增砂”壓裂模式。投球器安裝在井口爬坡管線之前，如圖3～4所示。投放暫堵球球徑為？準11 mm和？準13.5 mm兩種，合計89顆，該平臺完成共計4段的自動投放暫堵球的施工，現(xiàn)場最大施工壓力73 MPa，工作一切正常，無刺漏。對投球器的退球功能也進行了驗證，預留2顆暫堵球，施工結束后，進行退球操作，順利取出2顆暫堵球，證明投球計數(shù)準確，退球功能正常。

3.2 大安1H某平臺現(xiàn)場試驗

投球器在大安1H某平臺進行了第2次工業(yè)性試驗，該平臺使用可溶橋塞作為分段工具，采用電纜泵送橋塞+分簇射孔分段壓裂工藝。投球器安裝在壓裂車和管匯撬之間，如圖5～6所示，完成了6段的自動投放暫堵球的施工，投放暫堵球球徑為？準18 mm和？準22 mm兩種，合計57顆，現(xiàn)場最大施工壓力100 MPa，試驗過程中，偶遇大雨天氣，投球器在大雨的惡劣環(huán)境中仍然能正常運行，驗證了投球器的防護能力。

3.3 黃202某平臺現(xiàn)場試驗

投球器在黃202某平臺進行了工業(yè)性試驗，安裝在電驅撬和高低壓管匯撬之間，如圖7～8所示。投球器在該平臺完成了4段自動投放暫堵球的施工，投放暫堵球球徑為？準15 mm，合計68顆。現(xiàn)場最大施工壓力110 MPa左右，試驗過程中沒有出現(xiàn)泄露、刺漏等問題，各項功能均正常。在該平臺進行了投球器遠程遙控距離測試，將遙控器放置在距離投球器本體60 m以外的地方，無線信號連接正常，可通過遙控器正常操作投球器。

3.4 現(xiàn)場應用總結

投球器分別在威204某平臺、大安1H某平臺、黃202某平臺進行了工業(yè)性試驗，共作業(yè)14段，共投放暫堵球214顆，共投放？準11.5、？準15、？準19、？準22 mm四種規(guī)格暫堵球。在此期間投球器經(jīng)過了近30段壓裂，施工最高壓力110 MPa，密封無刺漏?，F(xiàn)場測試了投球器裝球、投球、退球、無線信號傳輸功能，各項功能均正常。

現(xiàn)場試驗表明該投球器自動化程度高，安全可靠。該裝置與常規(guī)液壓旋塞閥式投球器相比，可進行自動精確投球和退球。采用常規(guī)由壬連接，連接位置可選高低壓管匯撬與井口之間，也可接單泵與高低壓管匯撬之間，連接拆卸方便快捷，通用性強。

4 結論

1） 暫堵轉向壓裂用遠程控制投球器整體耐壓能力能達到140 MP，裝球數(shù)量≥120個，球徑范圍覆蓋？準13～？準22 mm，能自動投送任意數(shù)量和密度1.25～2.18 g/cm3的暫堵球，并能實現(xiàn)裝球、回收球操作簡便，同時具備遠距離精準投送能力，且具有防砂卡、防銹蝕能力。

2） 該投球器基于螺旋輸送原理，進行了投球器功能分析，開展了結構方案、遠程控制等方面的研究，解決了現(xiàn)有液動旋塞閥投球器難以高壓密封和多次定量精確計數(shù)的難題。工業(yè)試驗應用證明該投球器能全面替代現(xiàn)有的液動旋塞閥投球器，滿足140 MPa使用工況的要求，可實現(xiàn)不停泵遠程控制投球，投球精度高，自動化程度高，勞動強度低，適應多介質作業(yè)。

3） 該投球器通過了出廠試驗，且在威204某平臺、大安1H某平臺、黃202某平臺得到有效應用。應用結果表明，該投球器操作簡單、計數(shù)準確、安全可靠，滿足國內超高壓堵塞球分層壓裂工況的使用要求。

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基金項目： 中國石油集團油田技術服務有限公司科研攻關項目“深層頁巖氣體積壓裂關鍵技術研究與應用”（2022T-002-001）；中國石油天然氣集團有限公司科學研究與技術開發(fā)項目“大功率智能電驅壓裂裝備關鍵技術研究”"（2022DJ4507）。

作者簡介：劉曉旭（1979-），女，四川自貢人，工程師，現(xiàn)從事鉆井及作業(yè)工具研究，E-mail：liuxiaoxu999@cnpc.com.cn。