壓裂投球保溫裝置及過球監控裝置的研制與應用

林春來 陳超 周廣龍 佟繼波 趙慧

摘要： 隨著壓裂技術高速發展，我公司年施工能力達到3000層1100井次，平均每井次2.7層，目前施工井分層多采用投球器投擲鋼球分層，在投球過程中采用人工在井口管線監聽方式以確定投球是否成功，存在高壓危險，尤其是陜北地區近10月入冬以來，天氣轉涼造成施工過程在投球器內形成一層厚厚白色固體，阻礙了鋼球下落造成投球失敗，浪費了大量投球液以及施工時間，長時間在高壓管線監聽鋼球增加了高壓風險，因此急需研發一款便攜式壓裂投球分層過球監測以及投球器保溫裝置。

關鍵詞： 壓裂液;投球分層;保溫;過球監聽;人為因素

一、國內外現狀

壓裂施工現場分層壓裂一般采用投球分層，國內外的投球器都沒有恒溫裝置，氣溫零度以下容易結冰導致球不能正常投擲，而且需要人在高壓區監聽，危險系數極高。

二、關鍵技術問題分析

1、壓裂投球保溫裝置的研制

施工現場用安全電壓為24V或12V，如何能獲得穩定的電壓輸出是關鍵。

2、壓裂投球過球監測裝置的研制。

（1）壓裂投球過球監測裝置硬件研制。

（2）優選出的傳感器要對不同波段的音頻有采集放大功能，需要經過大量的現場試驗，以增加可靠性。

（3）壓裂投球保溫裝置及過球監控裝置軟件編寫，實現投球器溫度監控、投球狀態監測。

三、壓裂投球保溫及過球監控裝置組成

壓裂投球器保溫裝置由三部分組成，分別是大功率電源、控制芯片、加熱保溫部分。通過大量實驗優選出24V低壓大功率穩壓電源，滿足施工現場安全用電及保溫裝置需求，配合40A大功率繼電器使用，通過兩路溫度傳感器實時反饋當前溫度，確保保溫裝置恒溫在20攝氏度左右。加熱部分采用防爆型加熱帶，環形纏繞，工作電流小于10A，終端采用防爆隔離裝置，通過防火型隔熱保溫棉組成桶型保溫裝置。

過球監控裝置采用0-20ma模擬量信號的音頻傳感器、通過高精度變送器與采集芯片相連接，采集芯片通過有線方式連接在投球器保溫裝置上，滿足供電和數據實時傳輸需求。壓裂施工現場設備較多、存在多種信號干擾，傳統WIFi信號傳輸受到很大影響，壓裂投球保溫及過球監控裝置，在信號傳輸方式上做了很多實驗，傳統有線方式連接布線復雜，不利于推廣，無線WIFi信號受施工現場的車輛設備等影響、信號不穩定。因此我們優選出LoRa無線通訊技術，既能保證信號穩定傳輸、還能解決信號傳輸距離問題，滿足了遠距離，抗干擾通訊需求。

傳輸距離：城鎮可達2-5 Km， 郊區可達15Km。

工作頻率：ISM 頻段 433

標準：IEEE 802.15.4g

調制方式：基于擴頻技術，線性調制擴頻（CSS）的一個變種，具有前向糾錯（FEC）能力，semtech公司私有專利技術。

容量：一個LoRa網關可以連接上千上萬個LoRa節點。

安全：AES128加密。

傳輸速率：幾百到幾十Kbps，速率越低傳輸距離越長，這很像一個人挑東西，挑的多走不太遠，少了可以走遠。

五、上位機監控軟件

上位機軟件通過E語言開發，適用于所有WINDOWS操作系統，上位機通過WIFI信號與LoRa網關相連接，可同時采集8個通道數據，數據名稱、采集頻率可通過軟件進行設置，同時以數據庫文件格式進行存儲記錄，便于數據回放、導出等相關操作。軟件功能具有投球器溫度上限、下限范圍設置，手動啟停保溫裝置，動態顯示溫度及聲波曲線等功能，投球器溫度及過球狀態一目了然。

六、成果應用前景

壓裂投球過球監測應用三井次，監控準確率100%，網絡延時小于500毫秒。壓裂投球保溫裝置恒溫20攝氏度，溫差2攝氏度，確保鋼球順利入井，每口井可節省送球液30方，為后續壓裂施工提供了可靠的保證，縮短了施工時間，降低了勞動強度。

現場通過投球分層的施工井可采用此裝置，不僅能增加低溫環境下的投球可靠性，不需要施工人員在高壓區監聽球是否入井，增加了施工安全性，因此具有很大的應用前景。

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