一种带有歧管的煤矿用液压旋塞式投球器及方法与流程

本发明属于煤矿安全领域，涉及一种煤矿井下压裂中使用的投球装置及方法，可以在煤矿井下固井滑套压裂、油管滑套压裂等需要投球的压裂工况中进行应用。

背景技术：

1、投球器是石油、天然气及非常规油气压裂工程中常用设备，其主要功能是在需要投入暂堵球时，人工或机械的向管汇中投球。煤矿井下压裂是煤矿瓦斯抽采的大势所趋。随着煤矿井下压裂技术的发展，煤矿井下投球器的研发势在必行。应用于煤矿井下压裂的投球器，除了需要具备对压裂液压力影响小、可连续投球等较高的技术要求外，还需要小型化、本安化。现有的投球器有弹夹式、并联式、转盘式等，具体的：

2、(1)弹夹式投球器，是采用与手枪弹夹类似的原理，需要投球时，依次将最顶端的球顶入流体通道，是一种连续投球器。其具体实现投球的技术原理各有不同，可以使用往复运动的滑块将球送入管路，也可以使用张合式拦球器配合弹簧将球压入管路。但该投球器很难在煤矿井下使用，原因如下：①在投球瞬间容易对管汇压力造成影响；②多为电动，需要做一类防爆处理，目前无带ma证的产品。

3、(2)并联式投球装置，是采用多个并联管路，每个管路中放置一个暂堵球，同时由上端、下端两个阀门控制。其缺点是体积较大，阀门较多，如果进行远程操作，对液压泵站要求较高，成本较高。目前了解到的液控旋塞阀，其单个重量可达180kg，配套的液压泵站重量可达0.5t，按煤矿井下压裂单孔投球最少5个计算，液控旋塞阀、液压泵站、管路成套设备科重达1t以上，为煤矿井下施工带来极大的不便。

4、(3)转盘式投球器，是在转盘上设置球座，将球放置在转盘球座上，需要投球时可将相应的球转动至投球口进行投球，其结构较为复杂，转盘体积、重量较大，不适合井下使用。

5、因此，现有的投球器在煤矿井下使用不便，需要研发一种新的可远程控制的煤矿井下稳压连续投球装置。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种带有歧管的煤矿用液压旋塞式投球器及方法，以解决现有技术中投球器将暂堵球投入管路瞬间会引起管路压力波动、压裂时不停压难以连续投球、体积较大和成本较高不便于煤矿井下使用、煤矿井下使用本安化等问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

3、一种带有歧管的煤矿用液压旋塞式投球器，包括投球器本体、取球器、液压旋转机构和储球管；

4、所述投球器本体内开设：直通道、歧管、球形空间、旋转机构通道和储球管通道；所述直通道贯通投球器本体左右两端以使压裂液通过；所述歧管为直通道侧壁分支管道，且歧管两端进出口分别与直通道相连通；所述球形空间位于歧管上，且球形空间直径大于歧管内径；所述球形空间至歧管出口之间的歧管内径大于暂堵球直径；所述旋转机构通道连通球形空间和投球器本体上壁；所述储球管通道连通球形空间和投球器本体前壁；

5、所述取球器设在球形空间内，取球器为球形结构且取球器直径大于歧管内径；在取球器中部设有贯通孔，贯通孔直径大于暂堵球直径；

6、所述液压旋转机构的连杆穿过旋转机构通道并与取球器固连，且连杆与贯通孔垂直，液压旋转机构能带动取球器自转；

7、所述储球管能安装在所述储球管通道内，并在储球管内放置暂堵球；

8、所述取球器能转动至取球状态或投球状态；取球状态时，取球器的贯通孔与储球管相通以进行取球；投球状态时，取球器的贯通孔与两侧的歧管相通以通过歧管分流出的压裂液进行投球；取球器与球形空间之间填充密封层以使取球器能对歧管和储球管通道形成动密封，且贯通孔始终不会连通歧管与储球管通道，从而防止压裂液泄漏。

9、本发明还包括如下技术特征：

10、具体的，所述歧管包括相连通的歧管上段、歧管中段和歧管下段；球形空间位于歧管上段和歧管中段的连接处；取球器处于投球状态时，压裂液经直通道注入的同时，还能依次流经歧管进口、歧管上段、位于球形空间内的取球器的贯通孔、歧管中段、歧管下段、歧管出口和直通道进行投球；取球器处于取球状态时，贯通孔与储球管通道同轴连通。

11、具体的，所述歧管中段与直通道平行；取球器处于投球状态时，取球器的贯通孔与歧管中段平行；取球器从投球状态水平旋转90度时能切换至取球状态。

12、具体的，所述歧管上段与直通道夹角为θ1，歧管下段与直通道夹角为θ2；θ1不大于65°，θ2不大于70°。

13、具体的，所述歧管中段的直径不小于取球器的贯通孔直径，取球器的贯通孔直径不小于储球管内径。

14、具体的，所述储球管包括管体、挡片、弹簧和限位块；所述管体一端开口且另一端封口，储球管插入储球管通道时，管体开口端与取球器相对；所述弹簧和挡片设在管体内，弹簧一端与挡片相连，另一端固定在管体封口端，弹簧能沿管体轴向伸缩；限位块设在管体侧壁并能插入管体内。

15、具体的，所述限位块与管体封口端的距离为弹簧压缩状态的长度；当多个暂堵球依次装入管体内时能压缩挡片和弹簧，此时限位块插入管体内能卡在挡片前端以限制弹簧伸长；当限位块拔出管体后，弹簧伸长能带动挡片推动暂堵球向管体开口端移动从而进入取球器的贯通孔。

16、具体的，所述液压旋转机构包括活塞筒、活塞、斜齿轮和连杆；所述活塞筒设在投球器本体上，活塞筒内由活塞的活塞头分隔为上下两个密闭腔室，两个密闭腔室均设有液压油嘴，液压油嘴连接液压泵以驱动活塞上下移动；活塞的活塞杆下部向下伸出活塞筒，且活塞杆下部侧壁设有斜齿，活塞杆的斜齿与其旁的斜齿轮啮合，斜齿轮下端固定所述连杆，以通过活塞杆上下移动驱动斜齿轮转动进而带动连杆及其所连取球器转动。

17、具体的，所述液压泵为防爆液压泵。

18、所述的带有歧管的煤矿用液压旋塞式投球器的投球方法，包括以下步骤：

19、储球：将多个暂堵球依次装入管体内，暂堵球压缩弹簧，此时将限位块插入管体内能卡在挡片前端，将储球管装入储球管通道中；

20、取球：储球管装入储球管通道中并保持取球器的贯通孔与储球管同轴连通，此时拔出储球管侧壁的限位块，弹簧伸长能带动挡片推动暂堵球向管体开口端移动从而进入取球器的贯通孔；

21、投球：液压旋转机构带动连杆旋转90度以使取球器的贯通孔与歧管连通，压裂液自歧管进口端流入球形空间后推动暂堵球自歧管出口端流入直通道，从而完成投球动作；

22、液压旋转机构再次带动连杆旋转90度以使取球器的贯通孔与储球管连通，依次重复取球和投球动作完成全部投球动作。

23、本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

24、(1)本发明使用双通路结构，通过歧管的特殊设计，使得投球过程对管路压力的影响大幅降低，且歧管压裂液流速较低，对取球器磨损较小，可靠性高。

25、(2)本发明能实现远程连续投球，避免人工操作，安全性高。

26、(3)本发明投球器只有一个动作机构，缩小了尺寸便于煤矿井下使用。

27、(4)本发明投球器使用液压作为动力实现投球动作，配合煤矿专用防爆液压泵，即可实现本安化。