水平井分层压裂自动投球器技术领域
本实用新型涉及页岩气排采领域的井下压裂装备，尤其是一种通过井口投压裂球来实现水平井分段压裂的水平井分层压裂自动投球器。
背景技术
作为一种全新出现的清洁性能源，页岩气正逐渐成为全球的能源开发的热点。与普通的常规天然气相比，页岩气的资源开发潜力很有可能大于常规天然气，但是页岩气藏具有低饱和度、低渗透率等特征，气体阻力与常规天然气大相比要一些，所以一般情况下页岩气不能进行自产或者产量很低，其采收率很低，无法实现大规模地经济性开采。页岩气的气流阻力大，如果采用传统的开采方式，增加了页岩气储层的开发难度，因此页岩气储层都需要经过压裂改造才能实现经济性开采。页岩气的开采方式主要是以水平井和分段压裂结合的技术，这种压裂开采方式能将地层中既存的裂缝与压裂施工过程中形成的裂缝联通起来进而形成庞大的裂缝网络，在很大程度上提高了页岩气的采收率和开发效率。水平井分层压裂技术有很多种工艺技术，每种工艺技术都有与其相配套的压裂工具，投球压裂技术是水平井分段压裂的常见压裂技术，投球压裂技术依靠在井口投压裂球来完成压裂，因此井口投球器在水平井分段压裂中起到了很大的作用。
但是，目前我国投球器还存在很多不足的地方，具体体现在以下这几个方面：我国投球装置的结构过于复杂、不好操作，而且工人操作时费时费力；所投压裂球的数目有限，不能实现多段压裂；而且不能进行连续投球，使得压裂施工的工作效率很低；承受压力的能力较差，承受高温的能力也较差；国内的投球器大多不能进行自动投球，一般都需要机械式投球，国外研究出的自动投球器可以进行自动投球，减少工人的劳动强度，同时可以在恶劣的环境下进行远程操作；国内设计的有些投球器投球时需要泄压，打开投球器重新装球，不仅操作费时，泄压时也会引起安全隐患。
实用新型内容
本实用新型旨在解决背景技术中提到的问题，本实用新型提出了一种通过井口投压裂球来实现水平井分段压裂的水平井分层压裂自动投球器，可以代替现有的投球器，其采用的技术方案如下：
水平井分层压裂自动投球器，包括自动投球器和液压控制系统；所述自动投球器包括六角安装螺母、主体法兰盖、双头连接螺栓、压裂球、缸头固定螺钉、双头活塞杆、液压缸缸体、固定螺钉、前缸盖、后缸盖、前导向套、后导向套、投球器主体、导向套卡键、高压密封圈、前油口和后油口，其中投球器主体顶部和顶部为法兰结构，两侧开有相同数目的双头液压缸的安装螺纹孔和工作孔，中部开有通腔，其底端法兰通过双头连接螺栓和六角安装螺母与压裂井口树的液控旋塞阀连接，其顶部法兰通过双头连接螺栓和六角安装螺母与主体法兰盖连接，所述双头活塞杆、液压缸缸体、固定螺钉、前缸盖、后缸盖、前导向套、后导向套、导向套卡键、高压密封圈、前油口和后油口组成双头液压缸，其中液压缸缸体前端为法兰结构，并通过缸头固定螺钉和投球器主体两侧的安装螺纹孔将液压缸缸体安装在投球器主体两侧，液压缸缸体的前部和后部内侧开有安装槽并在安装槽中安装导向套卡键，前导向套利用固定螺钉、前缸盖和导向套卡键安装在液压缸缸体的前部，后导向套利用固定螺钉、后缸盖和导向套卡键安装在液压缸缸体的后部，前导向套和后导向套内侧和外侧均开有安装槽并在安装槽中安装高压密封圈，并在其内侧分别支撑双头活塞杆前端光杆区和后端光杆区，双头活塞杆中部外侧开有安装槽并在安装槽中安装高压密封圈，其前端光杆区通过投球器主体侧面的工作孔进入中部的通腔，前油口焊接在液压缸缸体前部，位于前导向套后端，后油口焊接在液压缸缸体后部，位于后导向套前端；
所述液压控制系统包括液控单向阀、三位四通电磁换向阀、二位四通电磁换向阀、单向节流阀和液压泵；液压缸缸体的左腔与油箱接通，液压缸缸体的右腔和液控单向阀连接，液控单向阀连接三位四通电磁换向阀和二位四通电磁换向阀，三位四通电磁换向阀连接单向节流阀；三位四通电磁换向阀和二位四通电磁换向阀连接液压泵。
进一步优化，压裂球按直径从小到大的顺序利用双头活塞杆从下到上依次放置在投球器主体中部的通腔的不同分段中；在使用本实用新型工作前，通过液压控制柜远程控制双头液压缸工作，完成压裂球的装载过程；在使用本实用新型工作时，通过液压控制柜远程控制双头液压缸工作，依次释放投球器主体中部的压裂球，之后压裂球依靠重力落到压裂井口中，然后随压裂液进入井中，到达要压裂的地层位置，打开投球压裂滑套，完成压裂。
在放球充压时，三位四通电磁换向阀的b端得电，实现电磁换向阀的右位机能。
液压缸缸体放球充压时，液压泵缓慢开启，高压油液通过液控单向阀进入到液压缸缸体的右腔，投球器处于泄压状态，投球器内的压力为常压，作用在液压缸缸体左腔的活塞杆的力为0，液压缸活塞向左运动。
液压缸缸体放球充压时，液压缸缸体的右腔的压力应达到p=16MPa。
投球器投球过程，三位四通电磁换向阀的a端得电，实现左位机能，同时二位四通换向阀得电，实现左位机能。
液控单向阀的控制油路与液压泵接通，液控单向阀的控制压力上升，接通液控单向阀的进出油口，经过液控单向阀的油液双向流动。
本实用新型具有如下优点：一次装球后就可以通过液压远程控制实现多次投球；提高压裂施工的安全性，同时易于操作，减轻工作强度，同时还能减小压裂生产成本，从而实现安全、高效、连续投球，对于提高页岩气产量、实现页岩气的经济性开采起到了至关重要的作用。
附图说明
图1：本实用新型水平井分层压裂自动投球器的内部结构图，
图2：本实用新型水平井分层压裂自动投球器的整体结构图，
图3：本实用新型水平井分层压裂自动投球器的双头液压缸内部结构图,
图4：本实用新型水平井分层压裂自动投球器的液压控制系统结构图。
1.六角安装螺母，2.主体法兰盖，3.双头连接螺栓，4.压裂球，5.缸头固定螺钉，6.双头活塞杆，7.液压缸缸体，8.固定螺钉，9.前缸盖，10.后缸盖，11.前导向套，12.后导向套，13.投球器主体，14.导向套卡键，15.高压密封圈，16.前油口，17.后油口，18.液控单向阀，19.三位四通电磁换向阀，20.二位四通电磁换向阀，21.单向节流阀，22.液压泵。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本实用新型作进一步说明：
如图1-图3所示，本实用新型水平井分层压裂自动投球器，包括六角安装螺母1、主体法兰盖2、双头连接螺栓3、压裂球4、缸头固定螺钉5、双头活塞杆6、液压缸缸体7、固定螺钉8、前缸盖9、后缸盖10、前导向套11、后导向套12、投球器主体13、导向套卡键14、高压密封圈15、前油口16和后油口17，其中投球器主体13顶部和顶部为法兰结构，两侧开有相同数目的双头液压缸的安装螺纹孔和工作孔，中部开有通腔，其底端法兰通过双头连接螺栓3和六角安装螺母1与压裂井口树的液控旋塞阀连接，其顶部法兰通过双头连接螺栓3和六角安装螺母1与主体法兰盖2连接，压裂球4按直径从小到大的顺序利用双头活塞杆6从下到上依次放置在投球器主体13中部的通腔的不同分段中，所述双头活塞杆6、液压缸缸体7、固定螺钉8、前缸盖9、后缸盖10、前导向套11、后导向套12、导向套卡键14、高压密封圈15、前油口16和后油口17组成双头液压缸，其中液压缸缸体7前端为法兰结构，并通过缸头固定螺钉5和投球器主体13两侧的安装螺纹孔将液压缸缸体7安装在投球器主体13两侧，液压缸缸体7的前部和后部内侧开有安装槽并在安装槽中安装导向套卡键14，前导向套11利用固定螺钉8、前缸盖9和导向套卡键14安装在液压缸缸体7的前部，后导向套12利用固定螺钉8、后缸盖10和导向套卡键14安装在液压缸缸体7的后部，前导向套11和后导向套12内侧和外侧均开有安装槽并在安装槽中安装高压密封圈15，并在其内侧分别支撑双头活塞杆6前端光杆区和后端光杆区，双头活塞杆6中部外侧开有安装槽并在安装槽中安装高压密封圈15，其前端光杆区通过投球器主体13侧面的工作孔进入中部的通腔，前油口16焊接在液压缸缸体7前部，位于前导向套11后端，后油口17焊接在液压缸缸体7后部，位于后导向套12前端。
在使用本实用新型工作前，关闭与投球器主体13下部连接的液控旋塞阀，取下主体法兰盖2，从小到大依次装载压裂球4到投球器主体13中部的通腔中，在装载压裂球4的过程中，通过液压控制柜远程控制双头液压缸工作，通过后油口17进高压油，前油口16出低压油，从而推动双头活塞杆6前行以分隔投球器主体13中部的通腔，使得不同分段从下到上依次存储从小到大不同口径的压裂球4，压裂球4装载完毕后利用六角安装螺母1和双头连接螺栓3固定好主体法兰盖2以实现封盖功能；在使用本实用新型工作时，打开与投球器主体13下部连接的液控旋塞阀，投球器主体13与井口压裂树接通，此时投球器主体13内部为高压工作环境，高压密封圈15起密封作用，防止投球器主体13内部的高压压裂液溢出，当需要投球时，通过液压控制柜远程控制双头液压缸工作，通过前油口16进高压油，后油口17出低压油，推动双头活塞杆6后行，从而从下到大依次释放投球器主体13中部的压裂球4，之后压裂球4依靠重力落到压裂井口中，然后随压裂液进入井中，到达要压裂的地层位置，打开投球压裂滑套，完成压裂；在双头活塞杆6运动过程中，前导向套11和后导向套12起导向作用，防止双头活塞杆6偏离运动轨道。
如图4所示，液压控制系统包括液控单向阀18、三位四通电磁换向阀19、二位四通电磁换向阀20、单向节流阀21和液压泵22；液压缸缸体7的左腔与油箱接通，液压缸缸体7的右腔和液控单向阀18连接，液控单向阀18连接三位四通电磁换向阀19和二位四通电磁换向阀20，三位四通电磁换向阀19连接单向节流阀21；三位四通电磁换向阀19和二位四通电磁换向阀20连接液压泵22。
当控制油路未接通压力油液时，和普通单向阀一样，压力油液经过液控单向阀18只能正常流动；当控制油路有压力油液输入时，可以接通液控单向阀18的进出油口，通过液控单向阀18的油液既可以正向流动，也可以反向流动，从而实现油液的双向流动。
放球充压阶段：
在放球充压时，三位四通电磁换向阀19的b端得电，实现三位四通电磁换向阀19的右位机能；液压缸缸体7放球充压时，液压缸缸体7的右腔的压力应达到p=16MPa液压缸缸体7放球充压时，液压泵22缓慢开启，高压油液通过液控单向阀18进入到液压缸缸体7的右腔，这时，投球器处于泄压状态，投球器内的压力为常压，作用在液压缸缸体7左腔的活塞杆的力为0，液压缸活塞会向左运动当活塞杆左行至最左端行程位置时，继续有压力油液进入液压缸缸体7的右腔室，直至右腔室压力达到16MPa当右腔压力达到16MPa之后，三位四通电磁换向阀19断电，恢复中位机能，液压缸缸体7的右腔不再进油，活塞向左运动结束；此时，打开投球器上端法兰进行放球，完成投球器的装球。
投球阶段：
投球器投球过程，三位四通电磁换向阀19的a端得电，实现左位机能，同时二位四通电磁换向阀20得电，实现左位机能。如图，液控单向阀18的控制油路与液压泵22接通，液控单向阀18的控制压力上升，接通液控单向阀18的进出油口，经过液控单向阀18的油液可以双向流动。
投球过程中，与投球器下部相连接的液控旋塞阀打开，此时，投球器与压裂井口相通，投球器内的压力为105MPa，液压缸左侧活塞杆受力FN=206.167kN，液压缸缸体7活塞向右运动，此时，液控单向阀18反向接通，液压缸缸体7右腔的油液通过液控单向阀18回到油箱，完成一个回路。在投球阶段中，液压缸缸体7的活塞向右运动，当活塞运动到行程位置时，二位四通电磁换向阀20失电，液控单向阀18控制油路没有压力油通过，液控单向阀18只能正向接通，液压缸活塞结束运动。