本發(fā)明涉及石油完井領(lǐng)域，特別涉及一種固井膠塞和應(yīng)用其固井的方法，以及一種應(yīng)用該固井膠塞的分段壓裂裝置。

背景技術(shù)：

套管固井滑套分段壓裂技術(shù)是一種針對(duì)滲透油氣藏、頁巖油(氣)藏等非常規(guī)油(氣)藏開發(fā)的新型儲(chǔ)層改造技術(shù)，對(duì)提高油氣井單井產(chǎn)量具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)。其中，作為套管固井滑套配套的固井膠塞是確保工具入井后實(shí)施安全、高效固井和后期壓裂施工的保障。具體施工工藝流程為：具備一定球座級(jí)差或者全通徑固井滑套，按照儲(chǔ)層改造要求隨著套管一并下入井內(nèi)并進(jìn)行固井施工。在進(jìn)行頂替程序時(shí)，通過地面投入配套固井膠塞，固井膠塞通過套管內(nèi)徑、不同直徑滑套球座以及滑套變徑內(nèi)壁，同時(shí)對(duì)上述工具內(nèi)壁或表面的殘余水泥漿進(jìn)行刮削。當(dāng)膠塞下行到井底碰壓座處時(shí)，膠塞與碰壓座配合實(shí)現(xiàn)密封，以完成固井頂替、碰壓程序。

而目前現(xiàn)有的固井膠塞為膠碗式，其受膠碗結(jié)構(gòu)、膠碗尺寸、膠碗材料性能等因素影響，難以在內(nèi)徑變化較大的管柱內(nèi)(如5-1/2″滑套球座直徑為53至85mm，套管內(nèi)徑121mm，滑套最大內(nèi)徑155mm)對(duì)套管內(nèi)壁、球座和滑套內(nèi)壁進(jìn)行有效刮削，膠碗易發(fā)生磨損和斷裂，降低了固井頂替效率，增加固井施工風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)上述技術(shù)存在的問題，在本領(lǐng)域中希望尋求一種新型固井膠塞，使其能在內(nèi)徑變化較大的管柱內(nèi)確保安全、高效、可靠固井作業(yè)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有固井膠塞難以在內(nèi)徑變化較大的管 柱內(nèi)對(duì)套管內(nèi)壁、滑套內(nèi)壁進(jìn)行有效刮削的難題，為了達(dá)到上述技術(shù)要求，本發(fā)明提供了一種新型固井膠塞。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種固井膠塞，該固井膠塞可通過內(nèi)徑變化的管柱并最終與碰壓座實(shí)現(xiàn)碰壓。其中，固井膠塞包括芯體和至少部分均勻覆蓋在芯體外表面的彈性體，芯體用于支撐彈性體或用于使固井膠塞與碰壓座固定，彈性體用于與內(nèi)徑變化的管柱的內(nèi)壁緊密接觸并實(shí)現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)。

本發(fā)明通過將固井膠塞設(shè)置為芯體外表面均勻覆蓋有彈性體，其彈性體的外表面與管柱內(nèi)壁完全接觸，使其區(qū)分現(xiàn)有技術(shù)中的固井膠塞中彈性體的膠碗式等結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的固井膠塞在使用時(shí)一方面由于其彈性體自身的彈性材料具有良好的伸縮性，使其能夠順利通過具有不同內(nèi)徑的管柱并最終與碰壓座實(shí)現(xiàn)碰壓，尤其是能夠順利通過內(nèi)徑變化較大的管柱；另一方面由于彈性體可與管道內(nèi)壁完全地、緊密地接觸，能夠有效對(duì)管柱的內(nèi)壁進(jìn)行刮削，避免了現(xiàn)有技術(shù)中固井膠塞的膠碗式結(jié)構(gòu)易發(fā)生磨損和斷裂的缺陷，提高了固井頂替效率，降低了固井施工風(fēng)險(xiǎn)。另外，本發(fā)明可根據(jù)固井膠塞不同的使用狀況來分別設(shè)計(jì)其自身的形狀和尺寸，以便更好地適應(yīng)不同的管柱和碰壓座。

在一些實(shí)施方案中，彈性體為圓柱狀。圓柱狀的彈性體與管柱的內(nèi)壁完全接觸，利于其對(duì)管柱的內(nèi)壁進(jìn)行有效刮削。

在一些實(shí)施方案中，芯體包括被圓柱狀彈性體覆蓋的本體和延伸出圓柱狀彈性體的導(dǎo)向頭。芯體中的本體用于支撐圓柱狀彈性體，導(dǎo)向頭用于在固井膠塞在管柱內(nèi)壁中行進(jìn)時(shí)起導(dǎo)向作用，在導(dǎo)向頭的作用下，固井膠塞可平穩(wěn)地穿過內(nèi)徑不同的管柱內(nèi)壁并順利到達(dá)碰壓座的位置與其實(shí)現(xiàn)碰壓。

在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)向頭上設(shè)置有用于與碰壓座相連的防退環(huán)。當(dāng)固井膠塞與碰壓座碰壓后可能會(huì)承受較大的井底反向壓力，因此通過設(shè)置防退環(huán)使固井膠塞與碰壓座連接在一起，該設(shè)置一方面可使碰壓過程更穩(wěn)固，另一方面還能夠使固井膠塞與碰壓座實(shí)現(xiàn)更好的密封效果。

在一些實(shí)施方案中，彈性體朝向?qū)蝾^的方向上設(shè)置有截面面積逐漸減小的錐部，錐部的錐度范圍優(yōu)選為30°至50°。該錐部的設(shè)置用于與碰壓座的碰壓斜面相配合，通過對(duì)該錐部設(shè)定一定的錐度范圍來適應(yīng)不同型號(hào)的碰壓座，從而實(shí)現(xiàn)固井膠塞與不同碰壓座更好的密封效果。優(yōu)選地，該錐部的錐度為45°。

在一些實(shí)施方案中，彈性體和芯體均為球狀。具有球狀彈性體的固井膠塞在 使用時(shí)其彈性體的內(nèi)壁始終與管柱內(nèi)壁緊密接觸并相切，同樣可以達(dá)到對(duì)管柱內(nèi)壁進(jìn)行有效刮削的目的。同時(shí)，球狀的固井膠塞在受壓行進(jìn)的過程中向前行進(jìn)的同時(shí)還可旋轉(zhuǎn)，更有利于其對(duì)管柱內(nèi)壁進(jìn)行有效刮削。另外，球狀的固井膠塞在使用時(shí)較為靈活，可順利通過內(nèi)徑不同的管柱內(nèi)壁。

在一些實(shí)施方案中，固井膠塞由發(fā)泡高分子材料制成。選擇該種材料可使固井膠塞具有良好的伸縮能力，使其更好地適應(yīng)不同的管柱內(nèi)壁，從而完成其自身的功能。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種用于分段壓裂的裝置，包括：管套，與管套套接在一起的固井滑套，設(shè)置在管套特定位置的碰壓座，以及上述固井膠塞。其中，碰壓座包括用于與固井膠塞相切碰壓的碰壓斜面和用于與芯體相連的卡槽。上述固井膠塞可與本裝置中的管套、固井滑套和碰壓座配合使用，本發(fā)明的固井膠塞在本裝置中尤其適合用于與球座式或全通徑固井滑套配套。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種使用上述固井膠塞固井的方法，包括以下步驟：

1)下入套管、固井滑套和碰壓座，

2)投入并頂替固井膠塞，直至固井膠塞與碰壓座碰壓。

根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)固井膠塞與碰壓座碰壓后需要承受井底反向壓力時(shí)，可選擇帶有防退部件的具有圓柱狀彈性體的固井膠塞；當(dāng)固井膠塞與碰壓座碰壓后無需承受井底反向壓力時(shí)，可以選擇使用通過性更好的具有球狀彈性體的固井膠塞。

在一些實(shí)施方案中，在步驟2)中包括：當(dāng)固井膠塞達(dá)到第一個(gè)固井滑套前一特定位置時(shí)，降低泵注排量，繼續(xù)頂替固井膠塞，直至固井膠塞與碰壓座碰壓。通過這種設(shè)置可以有效避免固井施工時(shí)固井膠塞被刮拭破壞。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明提供的固井膠塞可在內(nèi)徑變化較大的管柱內(nèi)對(duì)套管內(nèi)壁和滑套內(nèi)壁進(jìn)行有效刮削，尤其適用于與球座式和全通徑式固井滑套配套使用。其芯體上覆蓋了規(guī)則形狀的彈性體，克服了現(xiàn)有技術(shù)中固井膠塞膠碗易發(fā)生磨損和斷裂等缺陷，提高了固井頂替效率，降低了固井施工風(fēng)險(xiǎn)。

2)本發(fā)明提供的固井膠塞與配套碰壓座實(shí)現(xiàn)碰壓，由于在芯體上設(shè)計(jì)了防退部件，使固井膠塞能夠承受較大的反向壓力，保證了其與碰壓座碰壓后的壓緊與密封，從而提高了固井質(zhì)量。

3)本發(fā)明提供的固井膠塞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，且固井膠塞體均采用高強(qiáng)度 彈性材料，在管內(nèi)行進(jìn)時(shí)不易發(fā)生遇卡和塞體碎裂事故，提高了施工可靠性。

附圖說明

在下文中將基于實(shí)施例并參考附圖來對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的固井膠塞的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的固井膠塞的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的用于分段壓裂的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖3所示裝置中的碰壓座的結(jié)構(gòu)示意圖。

在附圖中，相同的部件使用相同的附圖標(biāo)記。附圖并未按照實(shí)際的比例繪制。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

這里所介紹的細(xì)節(jié)是示例性的，并僅用來對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行例證性討論，它們的存在是為了提供被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的原理和概念方面的最有用和最易理解的描述。關(guān)于這一點(diǎn)，這里并沒有試圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)作超出于基本理解本發(fā)明所需的程度的介紹，本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過說明書及其附圖可以清楚地理解如何在實(shí)踐中實(shí)施本發(fā)明的幾種形式。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種固井膠塞，該固井膠塞可通過內(nèi)徑變化的管柱并最終與碰壓座實(shí)現(xiàn)碰壓。其中，固井膠塞包括芯體和至少部分均勻覆蓋在芯體外表面的彈性體，芯體用于支撐彈性體或用于使固井膠塞與碰壓座固定，彈性體用于與內(nèi)徑變化的管柱的內(nèi)壁緊密接觸并實(shí)現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)。

本發(fā)明通過將固井膠塞設(shè)置為芯體外表面均勻覆蓋有彈性體，其彈性體的外表面與管柱內(nèi)壁完全接觸，使其區(qū)分現(xiàn)有技術(shù)中的固井膠塞中彈性體的膠碗式等結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的固井膠塞在使用時(shí)一方面由于其彈性體自身的彈性材料具有良好的伸縮性，使其能夠順利通過具有不同內(nèi)徑的管柱并最終與碰壓座實(shí)現(xiàn)碰壓，尤其是能夠順利通過內(nèi)徑變化較大的管柱；另一方面由于彈性體可與管道內(nèi)壁完全地、緊密地接觸，能夠有效對(duì)管柱的內(nèi)壁進(jìn)行刮削，避免了現(xiàn)有技術(shù)中固井膠塞的膠碗式結(jié)構(gòu)易發(fā)生磨損和斷裂的缺陷，提高了固井頂替效率，降低了固井施工風(fēng)險(xiǎn)。另外，本發(fā)明可根據(jù)固井膠塞不同的使用狀況來分別設(shè) 計(jì)其自身的形狀和尺寸，以便更好地適應(yīng)不同的管柱和碰壓座。

實(shí)施例一：

圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的固井膠塞100的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，固井膠塞100的彈性體30為圓柱狀彈性體31。該圓柱狀的彈性體31與管柱的內(nèi)壁完全接觸，利于其對(duì)管柱的內(nèi)壁進(jìn)行有效刮削。

根據(jù)本發(fā)明，芯體50包括被圓柱狀彈性體31覆蓋的本體51和延伸出圓柱狀彈性體31的導(dǎo)向頭52。芯體50中的本體51用于支撐圓柱狀彈性體30，導(dǎo)向頭52用于在固井膠塞100在管柱內(nèi)壁中行進(jìn)時(shí)起導(dǎo)向作用，在導(dǎo)向頭的作用下，固井膠塞100可平穩(wěn)地穿過內(nèi)徑不同的管柱內(nèi)壁并順利到達(dá)碰壓座400(如圖3所示)的位置與其實(shí)現(xiàn)碰壓。優(yōu)選地，本體51上可設(shè)置有多個(gè)凸起33，該凸起33用于使本體51與彈性體30更方便有效地連接在一起。

優(yōu)選地，導(dǎo)向頭52上設(shè)置有用于與碰壓座相連的防退環(huán)521。該防退環(huán)優(yōu)選為彈性卡環(huán)，其可與碰壓座400相卡接，該卡接方式在后續(xù)說明書中再作闡述。當(dāng)固井膠塞與碰壓座碰壓后可能會(huì)承受較大的井底反向壓力，因此通過設(shè)置防退環(huán)521使固井膠塞100與碰壓座連接在一起，該設(shè)置一方面可使碰壓過程更穩(wěn)固，另一方面還能夠使固井膠塞100與碰壓座400實(shí)現(xiàn)更好的密封效果。還優(yōu)選地，導(dǎo)向頭52上還設(shè)置有密封圈522，該密封圈522進(jìn)一步使固井膠塞100與碰壓座實(shí)現(xiàn)更好的密封效果。

可以理解的是，彈性體30可以僅設(shè)置為圓柱狀彈性體31，也可在該圓柱狀的基礎(chǔ)上繼續(xù)做出改進(jìn)，如在圓柱狀彈性體31上繼續(xù)延伸出錐部32，如圖1所示的實(shí)施例中，圓柱狀彈性體31朝向?qū)蝾^52的方向上設(shè)置有截面面積逐漸減小的錐部32，錐部32的錐度范圍為30°至50°。該錐部32的設(shè)置用于與碰壓座的碰壓斜面相配合，通過對(duì)該錐部32設(shè)定一定的錐度范圍來適應(yīng)不同型號(hào)的碰壓座，從而實(shí)現(xiàn)固井膠塞100與不同碰壓座更好的密封效果。優(yōu)選地，錐部32的錐度為45°，還優(yōu)選為35°。此外，還可在圓柱狀彈性體31的端部設(shè)置倒角，以增加實(shí)用性和美觀性。

實(shí)施例二：

圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的固井膠塞100’的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，固井膠塞100’包括球狀的彈性體30’和球狀的芯體50’。具有球狀彈性體的固井膠塞100’在使用時(shí)其彈性體的內(nèi)壁始終與管柱內(nèi)壁緊密接觸并相切，同樣可 以達(dá)到對(duì)管柱內(nèi)壁進(jìn)行有效刮削的目的。同時(shí)，球狀的固井膠塞100’在受壓行進(jìn)的過程中向前行進(jìn)的同時(shí)還可旋轉(zhuǎn)，更有利于其對(duì)管柱內(nèi)壁進(jìn)行有效刮削。另外，球狀的固井膠塞100’在使用時(shí)較為靈活，可順利通過內(nèi)徑不同的管柱內(nèi)壁。

根據(jù)本發(fā)明，固井膠塞由發(fā)泡高分子材料制成。選擇該種材料可使固井膠塞具有良好的伸縮能力，使其更好地適應(yīng)不同的管柱內(nèi)壁，從而完成其自身的功能。

如圖3所示的根據(jù)本發(fā)明提供的用于分段壓裂的裝置1000，包括：管套200、與管套200套接在一起的固井滑套300、設(shè)置在管套200特定位置的碰壓座400以及上述固井膠塞。其中，如圖4所示的實(shí)施例中，碰壓座400包括用于與固井膠塞相切碰壓的碰壓斜面401和用于與芯體相連的卡槽402。防退環(huán)521優(yōu)選的彈性卡環(huán)可與卡槽402相卡接，從而固定固井膠塞。上述固井膠塞可與本裝置中的管套200、固井滑套300和碰壓座400配合使用，本發(fā)明的固井膠塞在本裝置中尤其適合與球座式或全通徑固井滑套配套使用。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種使用上述固井膠塞固井的方法，包括以下步驟：

1)下入套管、固井滑套和碰壓座，

2)投入并頂替固井膠塞，直至固井膠塞與碰壓座碰壓。

在該使用方法中，當(dāng)固井膠塞與碰壓座碰壓后需要承受井底反向壓力時(shí)，可選擇帶有防退部件的具有圓柱狀彈性體的固井膠塞；當(dāng)固井膠塞與碰壓座碰壓后無需承受井底反向壓力時(shí)，可以選擇使用通過性更好的具有球狀彈性體的固井膠塞。

根據(jù)本發(fā)明，在步驟2)中包括：當(dāng)固井膠塞達(dá)到第一個(gè)固井滑套前一特定位置時(shí)，降低泵注排量，繼續(xù)頂替固井膠塞，直至固井膠塞與碰壓座碰壓。通過這種設(shè)置可以有效避免固井施工時(shí)固井膠塞被刮拭破壞。

優(yōu)選地，投入所選固井膠塞后，按照既定的泵注程序進(jìn)行頂替，當(dāng)固井膠塞達(dá)到第一個(gè)固井滑套前1m³/min左右，降低泵注排量至1m³/min左右，繼續(xù)頂替固井膠塞，直至固井膠塞與所述碰壓座碰壓。碰壓結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)行固井和壓裂后續(xù)施工作業(yè)。

本發(fā)明通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可通過內(nèi)徑變化范圍為50至160mm的管柱內(nèi)壁，并同時(shí)能夠很好地對(duì)套管內(nèi)壁、球座和滑套內(nèi)壁進(jìn)行有效刮削，大大提高了固井頂替效率。尤其是本發(fā)明可順利通過由直徑為53至85mm的滑套球座，內(nèi)徑為 121mm套管，最大內(nèi)徑為155mm滑套相配合的管道內(nèi)壁，同時(shí)完成良好的刮削頂替效果。

應(yīng)注意的是，前面所述的例子僅以解釋為目的，而不能認(rèn)為是限制了本發(fā)明。雖然已經(jīng)根據(jù)示例性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，然而應(yīng)當(dāng)理解，這里使用的是描述性和說明性的語言，而不是限制性的語言。在當(dāng)前所述的和修改的所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的范圍中，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行改變。盡管這里已經(jīng)根據(jù)特定的方式、材料和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本發(fā)明并不僅限于這里公開的細(xì)節(jié)；相反，本發(fā)明可擴(kuò)展到例如在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有等同功能的結(jié)構(gòu)、方法和應(yīng)用。