调堵球剪切许用应力测试装置技术领域
本申请涉及石油开采领域，尤其涉及用于投球选注工艺的一种调堵球剪切许用应力测试
装置。
背景技术
投球选注工艺是一种通过选取不同直径与密度型号的调堵球，使调堵球在井下随水流自
由分配，选择性封堵高渗层对应炮眼的技术。通过投球选注工艺能够达到对一些特殊注水井
(例如套管损坏，套变严重，大井斜角等分注工具无法正常下入，导致无法机械分层类水井)
进行吸水剖面调整的目的。
期刊<油气井测试>第16卷，第2期“华北油田京11断块投球调剖技术应用”文章介
绍投球调剖工艺在华北油田应用情况如下：1、调堵球密度的大小，决定其在注入水中的位
置，要使调堵球既不会沉到井底，也不会上浮至井口，必须确保调堵球密度与注入水的密度
相近或一致，一般为0.999-1.098g/cm3。2、耐高温100℃以上，耐压40MPa以上。3、调堵
球直径主要根据注水井射孔炮眼直径设计，一般为10、12、14mm。该技术在华北油田得到有
效应用，在一定程度上解决了注水井吸水剖面调节问题。
由于不同注水井的井深与注入压力不同，导致井下目的层的压力也不同，那么调堵球坐
封在炮眼上后，受到注水压力与井筒液柱压力的双重作用，如果耐压强度不合格，势必造成
调堵球被压入炮眼或者发生剪切破坏，导致措施失效，所以有必要对调堵球耐压强度进行测
试，判断调堵球是否满足耐压强度，是决定投球措施是否有效的关键因素。
实用新型内容
鉴于以上技术问题，本申请有必要提供一种调堵球剪切许用应力测试装置，以便于判断
调堵球是否满足耐压强度，进而选取合格的调堵球进行封堵炮眼。
为达到上述目的，本申请提供一种调堵球选取方法，包括：
获取待封堵炮眼所在射孔段的结构及注入参数；
根据所述结构及注入参数计算调堵球在待封堵炮眼位置处的剪切力；
根据所述待封堵炮眼位置处的剪切力计算待选取调堵球的耐压强度；
测量所述待选取调堵球的剪切许用应力；
在所述剪切许用应力大于所述耐压强度时，选取所述待选取调堵球进行投球。
优选的，所述结构及注入参数包括待封堵炮眼所在射孔段的层数、吸水量、炮眼面积、
炮眼半径、射孔段长度、射孔密度、注入水密度、注水压力、射孔段深度。
优选的，所述计算剪切力步骤所采用的公式为：
其中，ρ为注入水密度，g/mm3；Ai为炮眼面积，m2；Qi为吸水量，m3；r为炮眼半径，
mm；n为射孔密度，孔/米；L为射孔段长度，m；P为注水压力，MPa；h为射孔段深度，
m；为炮眼直径，mm。
优选的，所述计算耐压强度步骤所采用的公式为：
其中，kσ为待选取调堵球的耐压强度，MPa；σ为待选取调堵球受到的剪切应力，MPa；
k为安全系数，常数；F为调堵球在待封堵炮眼位置处的剪切力，N；为待选取调堵球的
直径，mm；为炮眼直径，mm。
优选的，所述选取调堵球步骤包括：
选取具有初始直径的调堵球执行所述计算耐压强度步骤及所述测量剪切许用应力步骤；
在所述具有初始直径的调堵球的剪切许用应力大于其耐压强度时，选取所述具有初始直
径的调堵球进行投球；
在所述具有初始直径的调堵球的剪切许用应力小于其耐压强度时，则按照预定规则选取
直径大于所述初始直径的调堵球执行所述计算耐压强度步骤及所述测量剪切许用应力步骤，
直至测量出直径满足剪切许用应力大于其耐压强度的调堵球为止；选取所述直径满足剪切许
用应力大于其耐压强度的调堵球进行投球。
优选的，所述初始直径减去待封堵炮孔直径的差值不小于1mm；
所述按照预定规则选取调堵球步骤包括：
在所述初始直径为基础上以预定长度为直径增加单位逐个执行所述计算耐压强度步骤
及所述测量剪切许用应力步骤，直至测量出直径满足剪切许用应力大于其耐压强度的调堵球
为止；选取所述直径满足剪切许用应力大于其耐压强度的调堵球进行投球。
优选的，所述预定长度为2mm。
本申请还提供一种应用于如上所述调堵球选取方法的调堵球剪切许用应力测试装置，包
括：
主体，其具有腔室；所述主体上开设有与所述腔室相通的进压口及伸入口；
与所述主体可拆卸连接的安装套，其一端由所述伸入口伸入所述腔室内；
设于所述安装套内的球托，其与所述安装套的内壁密封接触；所述球托开设有通孔，所
述通孔靠近所述腔室的开口供调堵球落座。
优选的，所述安装套的另一端连接有底座，所述底座与所述球托之间形成容置空间；所
述底座开设有透气孔，以将套管内部与外界连通。
优选的，所述安装套的内壁设置有限位台阶，所述球托由所述限位台阶限位，且所述球
托的侧壁与所述安装套的内壁之间设有密封环。
优选的，所述球托的开口与所述进压口相正对。
借由以上技术方案可以看出，本申请所提供的调堵球剪切许用应力测试装置能够在分析
计算出调堵球在待封堵炮眼位置处所需的耐压强度的基础上，通过测量得出调堵球的剪切许
用应力，进而选用剪切许用应力大于耐压强度的调堵球，进而本申请所提供的调堵球剪切许
用应力测试装置能够便于判断调堵球是否满足耐压强度，进而选取合格的调堵球进行封堵炮
眼。
参照后文的说明和附图，详细公开了本实用新型的特定实施方式，指明了本实用新型的
原理可以被采用的方式。应该理解，本实用新型的实施方式在范围上并不因而受到限制。在
所附权利要求的精神和条款的范围内，本实用新型的实施方式包括许多改变、修改和等同。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它
实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不
排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有
技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用
新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根
据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请所提供的调堵球位于待封堵炮眼时受力分析图；
图2是本申请一种实施方式所提供的调堵球选取方法流程图；
图3是本申请一种实施方式所提供的调堵球剪切许用应力测试装置结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中
的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅
是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人
员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的
范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者
也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另
一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”
以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技
术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具
体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个
或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请首先参考图1，实用新型人在对待封堵炮眼100位置处的调堵球200坐封之后主要受
力情况分析后如图所示，根据材料力学理论可以看出影响调堵球200耐压能力的主要力来自
X方向力：
根据流体力学基本理论分析得出X方向力主要为：Fx＝ρQiVi+△PA1；其中：ρQiVi为
待封堵炮眼100所在射孔段吸水引起的冲击力，N；△PA1为井底流压引起的压差作用力，N。
而对于Y方向力主要包括：①、注入液粘度产生的摩擦力，N；②、注入液流动产生的冲刷
力，N；③、堵球浮重产生的力，N。由于Y方向力对于调堵球200耐压能力影响可以忽略不
计，此处不做详细介绍。
在上述式中， F x 1 = ρQ i V i = ρA i V i 2 ; V i = Q i πr 2 × L × n : F x 2 = ΔPA 1 ; ]]>式中：△P＝P+ρgh，
其为井底流压，MPa。
基于以上分析，请参阅图2，本申请的一个实施方式中提供一种调堵球选取方法，本实
施方式应用但不限于在投球选注工艺中选择耐压强度合格的调堵球进行投球。在本实施方式
中，所述调堵球选取方法包括以下步骤：
S1、获取待封堵炮眼所在射孔段的结构及注入参数。
所述结构及注入参数可以包括待封堵炮眼100所在射孔段的层数、吸水量、炮眼100面
积、炮眼100半径、射孔段长度、射孔密度、注入水密度、注水压力、射孔段深度。
S2、根据所述结构及注入参数计算调堵球200在待封堵炮眼100位置处的剪切力。
在本步骤中，所述计算剪切力所采用的公式可以为：
其中，ρ为注入水密度，g/mm3；Ai为炮眼100面积，m2；Qi为吸水量，m3；r为炮眼
100半径，mm；n为射孔密度，孔/米；L为射孔段长度，m；P为注水压力，MPa；h为射
孔段深度，m；为炮眼100直径，mm。
S3、根据所述待封堵炮眼位置处的剪切力计算待选取调堵球的耐压强度。
在本步骤中，所述计算耐压强度所采用的公式为：
其中，kσ为待选取调堵球200的耐压强度，MPa；σ为待选取调堵球200受到的剪切应
力，MPa；k为安全系数，常数；F为调堵球200在待封堵炮眼100位置处的剪切力，N；
为待选取调堵球200的直径，mm；为炮眼100直径，mm。k为安全系数，其数值大于1，
比如k可以为1.3。
S4、测量所述待选取调堵球的剪切许用应力。
测量材料的剪切许用应力需要模拟调堵球200位于待封堵炮眼100时的状态，在不断加
压状态下测出调堵球200在发生剪切破坏时的压力大小。其中，待选取调堵球200的直径可
以分为10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、20mm不同种类规格。
请参阅图3，鉴于本步骤需要，本实施方式还提供一种应用于该调堵球选取方法的调堵
球剪切许用应力测试装置，包括：主体1，其具有腔室12；所述主体1上开设有与所述腔室
12相通的进压口11及伸入口；与所述主体1可拆卸连接的安装套2，其一端由所述伸入口
伸入所述腔室12内；设于所述安装套2内的球托4，其与所述安装套2的内壁密封接触；所
述球托4开设有通孔，所述通孔靠近所述腔室12的开口41供调堵球200落座。
使用时，挑选与待封堵炮眼100同样规格的球托4，调堵球200落座于球托4的通孔的
开口41上，进而将球托4的通孔封堵。为方便起压，可以在调堵球200表面蘸上少量密封
胶，保证调堵球200的封堵效果。此时调堵球200位于腔室12内，此时进压口11可以连接
打压装置进行打压。为安全起见，可将整个测试装置投入地坑或水中进行保护，打液压
0-100MPa，初始打压大小可以较小，比如为10MPa，然后逐步提升打压强度，每次提升间隔
可以为1MPa至20MPa任意数值，直至调堵球200发生剪切破坏，此时记录当前打压值即可
得知调堵球200的剪切许用应力。
其中，所述安装套2的另一可以端连接有底座3，所述底座3与所述球托4之间形成容
置空间；所述底座3开设有透气孔，以将套管内部与外界连通。为避免当调堵球200发生剪
切破坏时在高压作用下，破碎的调堵球200在瞬时泄压情况下会飞出球托4，而球座可对所
破坏的调堵球200形成阻挡，使其留在底座3与球托4之间的容置空间里，防止破碎的调堵
球200飞出发生安全事故。
如图3所示，所述安装套2的一端伸入所述伸入口中与所述本体螺纹连接。所述安装套
2的内壁设置有限位台阶，所述球托4由所述限位台阶限位，且所述球托4的侧壁与所述安
装套2的内壁之间设有密封环。可以看出，所述球托4可更换的密封安装于所述安装套2内。
所述球托4安装于所述腔室12内时，所述球托4的开口41可以与所述进压口11相正对。
具体的，所述通孔的所述开口41直径可以为8毫米(mm)、10毫米、12毫米、14毫
米、或16毫米，从而形成不同规格的球托4。不同规格的球托4可以模拟不同的炮眼100，
进而在模拟不同规格的炮眼100时，只需更换球托4即可。
S5、在所述剪切许用应力大于所述耐压强度时，选取所述待选取调堵球进行投球。
本步骤S5中，所述选取调堵球步骤可以包括以下子步骤：
S51、选取具有初始直径的调堵球200执行所述计算耐压强度步骤及所述测量剪切许用
应力步骤；
S510、在所述具有初始直径的调堵球200的剪切许用应力大于其耐压强度时，选取所述
具有初始直径的调堵球200进行投球；
S520、在所述具有初始直径的调堵球200的剪切许用应力小于其耐压强度时，则按照预
定规则选取直径大于所述初始直径的调堵球200执行所述计算耐压强度步骤及所述测量剪切
许用应力步骤，直至测量出直径满足剪切许用应力大于其耐压强度的调堵球200为止；选取
所述直径满足剪切许用应力大于其耐压强度的调堵球200进行投球。
初始直径需大于待封堵炮眼100的直径，可以保证调堵球200会落座于待封堵炮眼100
上。其中，所述初始直径减去待封堵炮孔直径的差值不小于1mm。比如，初始直径可以大于
待封堵炮眼100直径2mm。
进一步的，所述按照预定规则选取调堵球步骤(所述步骤S520)可以包括以下子步骤：
S525、在所述初始直径为基础上以预定长度为直径增加单位逐个执行所述计算耐压强度
步骤及所述测量剪切许用应力步骤，直至测量出直径满足剪切许用应力大于其耐压强度的调
堵球200为止；选取所述直径满足剪切许用应力大于其耐压强度的调堵球200进行投球。
在实施方式中，所述预定长度可以为2mm。以预定长度为2mm、初始直径为14mm为例，
在测试14mm的调堵球200的剪切许用应力小于耐压强度时，则测试16mm的调堵球200是否
满足耐压强度，若16mm的调堵球200依然不满足耐压强度，则测试18mm的调堵球200是否
满足耐压强度，以此类推直至选出满足直径满足剪切许用应力大于其耐压强度的调堵球200
为止。
借由以上技术方案可以看出，本实施方式所提供的调堵球选取方法通过合理分析计算出
调堵球在待封堵炮眼位置处所需的耐压强度，再通过测量得出调堵球的剪切许用应力，进而
选用剪切许用应力大于耐压强度的调堵球，进而本实施方式所提供的调堵球选取方法能够有
效判断调堵球是否满足耐压强度，进而选取合格的调堵球进行封堵炮眼。
在一个具体的实施例中，以HN12-13井为例，获取该井目的层(待封堵炮眼100的射孔
段的结构及注入参数)井深3213米，注水压力为12.4MPa，炮眼100直径12mm，注入排量为
97方/天。按照上述步骤S2、S3计算14mm的调堵球200在目的层位置所受压力43.16MPa，
按照设计要求乘以1.3倍安全系数之后，调堵球200耐压强度需大于56MPa。根据上述步骤
S4按照调堵球200选取原则，采用直径14mm调堵球200进行耐压试验，通过测试调堵球200
发生剪切破坏的数值在76MPa左右，误差为正负2MPa，测试结果显示，直径14mm调堵球200
完全可以满足注水要求，无需选择更大直径调堵球200。
同时，将上述调堵球200的选取方法先后于辽河油田大斜度水井HN12-13、HN27-15、
HN11-9进行3井次试验，实施效果说明，应用该选取方法选取调堵球200之后，没有发生过
由于调堵球200耐压强度不够造成的措施失效及措施有效期短等问题，大大提高了投球选注
效率，同时，调堵球200措施有效周期较长。
本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的
所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述
了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到
80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到
68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、
0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可
能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。
除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大
约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大
约30”，至少包括指明的端点。
披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。
描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没
有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”
来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤
构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性
都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，
单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描
述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部
件或步骤。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在
所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因
此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要
求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公
告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不
是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的实用新型主题的
一部分。