0 引 言

近年来，不动管柱分层压裂工艺技术^[1,2]已发展到每井次施工达10层以上，因没有满足这一要求的投球器，所以需停泵，通过开关高压阀门投球打滑套，从井口投球，这会带来极大安全风险；投球时要停止泵注，每次至少需要30 min以上，使井内形成一定的沉砂，造成砂堵。为保证连续压裂施工，加快施工进度，研制了连续分层压裂投球器。 该投球器驱动系统处于闭环状态，不会出现零点漂移；传动机构封闭在压力场内，通过丝杠的旋转运动大大减小了摩擦阻力，提高了传动效率；数字信号控制提高了驱动的准确性和可靠性；配套测球计数器，提高了投球的可靠性。

连续分层压裂投球器结构如图1所示。工作时，将要投入的一定数量的钢球或尼龙球按从小到大的方式置入储球筒中，滑板可根据钢球直径大小，按照由小到大的排列预装，保证钢球在现场施工高压管线的抖动下不发生错乱排列。投球时，将所投入钢球的直径分别存入远控箱的存储器中，每按远控箱上的按钮1次，伺服电机通过传动机构带动丝杠做直线运动，驱动开闭滑板移动相应的距离，当移动距离大于或等于钢球直径时，钢球在重力的作用下掉入井内；存在储球筒中的钢球因其直径大于开闭滑板的移动距离，所以不会掉入井内。如此反复按每个钢球直径的大小，移动钢球之间直径级差的距离，确保按照从小到大的排球方式将钢球从排球器内投入井内，完成投球工艺。

图1 投球器结构示意图 Fig.1 Structural schematic diagram of ball injector 1—高压堵头;2—储球筒;3—钢球;4—滑板;5—传动机构;6—丝杠;7—电机;8—螺栓;9—测球器;10—测球计数器;11—远程操作面板。

图选项

通径6 mm，密封压力105 MPa，投球压力70 MPa，20~75 mm钢球15个，15个位点程序设置，远程控制距离50 m，每次投1个球。

设计储球排球筒(见图2)时，必须保证投入的第1个球处于最下端及中心位置，再大一级的钢球须重叠在较小直径的球上面，球两侧不能有钢球从侧面相挤，确保钢球从小到大向上排列；排球杆应具有一定的强度，在筒内钢球重力的作用下不能变形，若变形则钢球会从2道扶球杆之间漏下，发生错乱，从而失去排球作用；增大投球器内径可增大排球器受力，将排球器设计为弧状梯形结构。

图2 储球排球筒结构示意图 Fig.2 Structural schematic diagram of ball storage and ranking mechanism 1—投球筒;2—滑块;3—排球杆;4—轨道;5—钢球;6—开闭滑杆。

图选项

5个钢球不发生错乱，一个压一个排列时，只要将直径不大于投球筒直径的钢球进行排列，就可以达到排球要求，而直径大于投球筒内径的钢球不需投球器的排列也不会发生错乱现象。直径不大于投球筒内径的钢球共有8个，直径最小20 mm，最大38 mm。根据等差数列求和公式可知8个钢球的高度为232 mm；开闭滑杆距储球排球筒管壁的最大距离为56 mm；根据勾股定理可知，排球杆长度为239 mm。排球杆顶部排列的钢球最大直径为38 mm，只要2根杆将钢球扶正在它们的中间即可，故两者的距离不大于38 mm。排球杆下部与开闭滑杆之间、上部与滑块之间采用铰连方式连接，确保相互之间灵活转动。

投球器采用伺服电机驱动，保持转矩4 N·m，通过数控系统对伺服电机进行闭环控制，使投球滑板的开度变化实现投球。电机与滑板之间采用丝杠螺母传动机构^[3]，丝杠螺母精度6级。

投球控制流程如图3所示。投球前，将要投钢球个数及直径输入到控制模块中，控制模块自动将投球器的开度打开到略小于第1个钢球直径1 mm；投球时，控制模块将投球器的开度开到略大于该钢球直径1 mm；此时，若钢球检测器检测到投入1个钢球的信号，测球计数器显示“=1”，则投入第1个钢球的程序结束；若没有检测到信号，测球计数器显示“＜1”，说明钢球没有被投入井内，将投球器开度再增大1 mm，若检测到钢球投入的信号并且是1个钢球时，则投球结束；当检测到投入2个钢球时，则发出报警信号，说明发生了误投情况，这时要停止施工，采取必要的措施进行补救。

图3 投球控制流程 Fig.3 Control procedure of ball injecting

图选项

为了使投球管道承受超高压力及减小检测误差，选择钛合金作为投球管道的材料。在钛金属管道外加一恒定磁场，当钢球通过磁场时，钛合金管道内的磁通量增大。为了检测到这一变化，在钛合金管道外壁上缠绕线圈，通过芯片采集线圈的电压变化，即可检测到钢球是否存在^[4]。将2块钕铁硼磁铁作为稳恒磁场源，设计3 000匝高密度线圈检测钢球。线圈信号经放大后由DSP芯片检测。

(1)利用与投球筒内壁相切的梯队弧板，对球从小到大进行排列，解决了各种钢球错乱排列问题，突破了小直径钢球在大直径投球筒中的排列技术。

(2)投球器控制电机为伺服电机，增加编码器，可使整个驱动系统处于闭环状态；采用遥控的方式操作，避免工人在井口投球的风险^[5]。

(3)传动机构封闭在压力场内，通过小直径丝杠的旋转运动，带动高压腔内连杆往复运动，精确调节投球器的开门尺寸；大大减小了摩擦阻力及高压下形成的推力，消除了螺纹变形误差，提高了传动效率，达到了精确控制的要求。

(4)采用电磁检测技术对所投入的钢球进行检测，防止多投或没投而造成重大工程失误。

(5)数字信号控制大大提高了驱动的准确性和可靠性，同时提高了系统的集成度。

连续分层压裂投球器共在现场应用6口井，应用情况见表1。按照预定的程序，投球器顺利在每层压裂作业时准确投球，测球计球无误，完成了压裂作业中投球这一环节。

(1)连续分层压裂投球器解决了现场投球存在安全风险大，停泵投球造成的打滑套分层压裂成功率低的问题，可实现16级分层压裂工艺；可不停泵投球进行持续的压裂施工，防止砂液沉降在球座上，避免施工中滑套打不开而造成施工失败。

(2)下一步计划对该投球器进行改进升级，使其能适用于套管滑套分层压裂，最大投球直径达到89 mm；由于打滑套的球有可能是尼龙球或复合材料，所以投入探测技术还需要进一步优化。