压裂投球保温装置及过球监控装置的研制与应用

林春来 陈超 周广龙 佟继波 赵慧

摘要： 随着压裂技术高速发展，我公司年施工能力达到3000层1100井次，平均每井次2.7层，目前施工井分层多采用投球器投掷钢球分层，在投球过程中采用人工在井口管线监听方式以确定投球是否成功，存在高压危险，尤其是陕北地区近10月入冬以来，天气转凉造成施工过程在投球器内形成一层厚厚白色固体，阻碍了钢球下落造成投球失败，浪费了大量投球液以及施工时间，长时间在高压管线监听钢球增加了高压风险，因此急需研发一款便携式压裂投球分层过球监测以及投球器保温装置。

关键词： 压裂液;投球分层;保温;过球监听;人为因素

一、国内外现状

压裂施工现场分层压裂一般采用投球分层，国内外的投球器都没有恒温装置，气温零度以下容易结冰导致球不能正常投掷，而且需要人在高压区监听，危险系数极高。

二、关键技术问题分析

1、压裂投球保温装置的研制

施工现场用安全电压为24V或12V，如何能获得稳定的电压输出是关键。

2、压裂投球过球监测装置的研制。

（1）压裂投球过球监测装置硬件研制。

（2）优选出的传感器要对不同波段的音频有采集放大功能，需要经过大量的现场试验，以增加可靠性。

（3）压裂投球保温装置及过球监控装置软件编写，实现投球器温度监控、投球状态监測。

三、压裂投球保温及过球监控装置组成

压裂投球器保温装置由三部分组成，分别是大功率电源、控制芯片、加热保温部分。通过大量实验优选出24V低压大功率稳压电源，满足施工现场安全用电及保温装置需求，配合40A大功率继电器使用，通过两路温度传感器实时反馈当前温度，确保保温装置恒温在20摄氏度左右。加热部分采用防爆型加热带，环形缠绕，工作电流小于10A，终端采用防爆隔离装置，通过防火型隔热保温棉组成桶型保温装置。

过球监控装置采用0-20ma模拟量信号的音频传感器、通过高精度变送器与采集芯片相连接，采集芯片通过有线方式连接在投球器保温装置上，满足供电和数据实时传输需求。压裂施工现场设备较多、存在多种信号干扰，传统WIFi信号传输受到很大影响，压裂投球保温及过球监控装置，在信号传输方式上做了很多实验，传统有线方式连接布线复杂，不利于推广，无线WIFi信号受施工现场的车辆设备等影响、信号不稳定。因此我们优选出LoRa无线通讯技术，既能保证信号稳定传输、还能解决信号传输距离问题，满足了远距离，抗干扰通讯需求。

传输距离：城镇可达2-5 Km， 郊区可达15Km。

工作频率：ISM 频段 433

标准：IEEE 802.15.4g

调制方式：基于扩频技术，线性调制扩频（CSS）的一个变种，具有前向纠错（FEC）能力，semtech公司私有专利技术。

容量：一个LoRa网关可以连接上千上万个LoRa节点。

安全：AES128加密。

传输速率：几百到几十Kbps，速率越低传输距离越长，这很像一个人挑东西，挑的多走不太远，少了可以走远。

五、上位机监控软件

上位机软件通过E语言开发，适用于所有WINDOWS操作系统，上位机通过WIFI信号与LoRa网关相连接，可同时采集8个通道数据，数据名称、采集频率可通过软件进行设置，同时以数据库文件格式进行存储记录，便于数据回放、导出等相关操作。软件功能具有投球器温度上限、下限范围设置，手动启停保温装置，动态显示温度及声波曲线等功能，投球器温度及过球状态一目了然。

六、成果应用前景

压裂投球过球监测应用三井次，监控准确率100%，网络延时小于500毫秒。压裂投球保温装置恒温20摄氏度，温差2摄氏度，确保钢球顺利入井，每口井可节省送球液30方，为后续压裂施工提供了可靠的保证，缩短了施工时间，降低了劳动强度。

现场通过投球分层的施工井可采用此装置，不仅能增加低温环境下的投球可靠性，不需要施工人员在高压区监听球是否入井，增加了施工安全性，因此具有很大的应用前景。

参考文献

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