一種新型多級分段壓裂自動投球器

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（華東）機電工程學院

0 引言

頁巖氣在中國分布非常廣泛，開發潛力巨大[1-2]，目前探明儲量超過1×1012m3，已經進入規模開發階段[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產能[6]。投球壓裂技術是水平井分段壓裂改造常用的壓裂技術，依靠在井口投放壓裂球，在井底打開壓裂滑套的方式進行逐段壓裂。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、投球數量有限、結構過于復雜、適用性差等問題，不能滿足頁巖氣井大通徑、小間距壓裂作業的需求[8]。

筆者針對頁巖氣壓裂生產實際，提出了一種轉板式大通徑井口自動投球器設計方案，并結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作業，有利于提高頁巖氣田的采收率和保持長期穩產。

1 結構方案

1.1 技術參數

根據頁巖氣水平井分段壓裂需求，確定轉板式大通徑井口自動投球器的技術參數，如表1所示。

表1 井口自動投球器技術參數表

1.2 結構組成

轉板式大通徑井口自動投球器整體結構示意圖如圖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，防止球筒內部的高壓壓裂液溢出。球筒下端的底座內部布置投球機構，投球機構通過驅動電機進行驅動作業，具有逐個投球的功能。底座下端的下接頭與井口裝置進行連接，固定整個裝置。

圖1 投球器整體結構示意圖

投球機構內部結構如圖2所示，其中驅動電機通過電機架固定在底座下端，并通過鍵聯接與小齒輪同軸配合。轉盤邊緣是不完全輪齒，轉盤與小齒輪齒輪配合。轉盤邊緣均勻布置多個弧形限位軌道，限位柱在限位軌道內運動，實現轉盤的定心轉動。曲柄一端與轉盤邊緣柱同心配合，另一端與固定在轉板上的轉板柱同心配合，實現轉板定軸轉動。轉板中心具有凹球面，方便定位壓裂球，多塊轉板同時定軸轉動，可以形成不同大小的孔徑，從而投放不同尺寸的壓裂球。轉盤內部布置泄壓孔，實現上下接頭內部壓力平衡，防止投球機構工作受到壓差的影響。

圖2 投球機構內部結構示意圖

1.3 工作過程

投球機構工作過程如圖3所示，通過控制驅動電機轉動，便可以通過齒輪傳動驅動轉盤轉動（圖3-a），從而通過曲柄控制轉板轉動，多個轉板形成的中心孔孔徑逐漸增大（圖3-b、c），進而可以按照尺寸由小到大的順序依次投放多個壓裂球（圖3-d），完成水平井分段壓裂的投球工作。

2 碰撞分析

圖3 投球機構工作過程圖

由于在投球過程中，壓裂球與投球機構會產生碰撞，并且可能通過碰撞產生損傷，而井口投球器通常帶壓投球作業，一旦出現嚴重損傷，容易導致惡性事故，所以需要對投球機構進行碰撞分析，從而提高作業的安全性。

2.1 模型參數

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 ℃，抗壓強度超過70 MPa[9-10]。投球機構轉板材料選用42CrMo合金鋼，42CrMo是一種超高強度鋼，具有高強度和高硬度，韌性也較好，經過調質處理后其抗沖擊能力強，屈服強度超過930 MPa，是綜合性能較好的優質合金鋼[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模型，Johnson-Cook模型是一種常用的金屬材料本構模型，它綜合考慮了應變硬化、應變率強化和熱軟化效應，對于大量金屬材料的變形描述都是相當吻合的。Johnson-Cook模型的具體形式為[12]：

式中σ表示流動應力，分別表示等效塑性應變、加載應變率、參考應變率；分別表示實驗溫度、材料熔化溫度和環境溫度，℃；A、B、C、m、n表示材料參數，可由實驗確定。

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

2.2 仿真建模

利用ABAQUS軟件對投球碰撞過程進行仿真，首先進行仿真建模。考慮到投放最大尺寸壓裂球對投球機構的沖擊載荷最大，故設定壓裂球直徑為108 mm，從108 mm的高度跌落到投球機構的轉板上，轉板下方由底座進行支撐。投球碰撞分析仿真模型如圖4所示。由于主要分析轉板的受力狀況，為減小運算量，提高運算效率，將壓裂球和底座設置為剛體。

表2 42CrMo的Johnson-Cook本構模型參數表

圖4 投球碰撞分析仿真模型圖

2.3 運動分析

圖5 壓裂球運動曲線圖

由于壓裂球設置為剛體，在投球碰撞過程中，可以以壓裂球質心為研究對象進行分析，得到壓裂球的運動曲線如圖5所示。在重力的作用下，壓裂球首先自由落體產生向下的位移，在第0.15 s時到達最下端，并對投球機構產生第一次沖擊，此時下落高度為108 mm，符合仿真參數設置要求，向下的沖擊速度達到1 360 mm/s。第一次沖擊之后，壓裂球改變運動方向向上運動，并在第0.28 s到達位置－22.5 mm，此時改變運動方向繼續下落，但此時下落高度僅為85.5 mm，所以在第0.42 s產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構，但是下落高度逐漸降低，沖擊速度也越來越小，故應重點分析第一次沖擊對投球機構的影響。

2.4 應力應變分析

采用FEM（有限單元法）對投球過程進行碰撞分析，但網格單元發生嚴重扭曲，導致仿真結果出現較大偏差，故通過ALE（任意拉格朗日歐拉）網格自適應方法和耦合的FEM-SPH（SPH為光滑粒子流體動力學）對仿真結果進行修正。分別提取FEM模型[14-15]、ALE模型[16]和FEM-SPH模型[17-20]的仿真數據，得到不同模型仿真結果如表3所示。

表3 應力應變計算結果表

其中FEM模型的最大應力862 MPa，最大應變0.075，ALE模型的最大應力536 MPa，最大應變0.032，FEM-SPH模型最大應力634 MPa，最大應變0.040。以上數據表明，直接通過FEM方法得到的仿真結果具有較大的誤差，原因是碰撞過程中網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格畸變修正仿真結果，而且兩種修正方法得到的仿真結果比較接近，具有較好的一致性。投球碰撞產生的最大應力在600 MPa左右，小于42CrMo的屈服強度930 MPa，滿足強度要求，并且具有一定的安全余量，滿足現場工況要求。

3 精度分析

根據設計要求，壓裂球尺寸規格介于64～108 mm，級差為4 mm，控制精度要求較高。下面通過樣機試驗對投球器的控制精度進行分析。

3.1 樣機原理

圖6 樣機原理圖

樣機原理如圖6所示，現場人員通過觸摸屏控制整個系統，通過對電路板單片機系統編程，實現對電機運動的精確控制，進而控制投球機構工作。同時通過單片機采集傳感器數值，用于檢測是否投球成功，通過單片機采集位置開關數值，用于系統初始化復位。另外，可通過信號發射器將現場數據發送到技術管理部門，方便現場人員與技術人員進行通信交流。

3.2 樣機結構

按照投球器結構方案和樣機原理，完成投球器實物樣機的制作，投球器樣機結構如圖7所示。

圖7 樣機結構圖

選擇昆侖通態177.8 mm MCGS觸摸屏作為控制器，控制界面具有“投球”、“電機復位”和“清零”3個功能按鈕，同時可以顯示“當前投球數”和“投球狀態”（是否成功），滿足現場人員的使用要求。選擇J-5718HB6401型號步進電機進行驅動，扭矩3.6 N·m，電流4.0 A。同時選用57步進電機驅動器DM542，電流介于1.0～4.2 A，電壓介于24～50 V。為方便進行樣機試驗，外殼采用有機玻璃進行加工。

3.3 樣機試驗

使用尺寸規格為64～108 mm，級差為4 mm的壓裂球模型進行樣機試驗，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，然后啟動電源，通過控制觸摸屏功能按鈕，開始樣機試驗。

圖8 壓裂球模型照片

3.4 結果分析

在樣機試驗過程中，及時記錄實驗結果，樣機試驗結果如表4所示。

表4 樣機試驗結果表

通過試驗得出，該投球器設計方案可以實現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，同時該投球器運行平穩，較好地滿足現場使用要求。

鑒于目前壓裂球并沒有統一標準，各生產廠家生產的壓裂球尺寸規格不盡相同，嚴重影響井口自動投球器的設計和發展。而本方案通過編程控制電機的方式，實現壓裂球的投放，可根據壓裂球實際尺寸，對程序代碼進行適應性的調整，滿足不同的生產需求，具有更好的可調節性、通用性和適用性。

4 結論

1）針對頁巖氣壓裂生產實際，提出了一種轉板式大通徑井口自動投球器設計方案，并完成了整體方案和具體結構的設計。該方案投球直徑介于64～108 mm，可實現遠程控制連續帶壓投球，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行碰撞分析，直接通過FEM方法得到的仿真結果具有較大的誤差，通過ALE方法和FEM-SPH方法可以改善網格畸變、修正仿真結果，而且兩種修正方法得到的仿真結果比較接近，具有較好的一致性。結果表明，投球碰撞產生的最大應力在600 MPa左右，小于42CrMo的屈服強度930 MPa，滿足強度要求，并且具有一定的安全余量。

3）通過樣機試驗對該設計方案進行精度分析，該方案實物樣機操作方便，運行平穩，投球級差4 mm，成功完成了12級分段壓裂連續投球測試，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，對非常規氣田的壓裂生產提供了重要的參考。