固井胶塞和应用其的固井方法以及分段压裂装置技术领域
本发明涉及石油完井领域，特别涉及一种固井胶塞和应用其固井的方法，以
及一种应用该固井胶塞的分段压裂装置。
背景技术
套管固井滑套分段压裂技术是一种针对渗透油气藏、页岩油(气)藏等非常
规油(气)藏开发的新型储层改造技术，对提高油气井单井产量具有明显技术优
势。其中，作为套管固井滑套配套的固井胶塞是确保工具入井后实施安全、高
效固井和后期压裂施工的保障。具体施工工艺流程为：具备一定球座级差或者
全通径固井滑套，按照储层改造要求随着套管一并下入井内并进行固井施工。
在进行顶替程序时，通过地面投入配套固井胶塞，固井胶塞通过套管内径、不
同直径滑套球座以及滑套变径内壁，同时对上述工具内壁或表面的残余水泥浆
进行刮削。当胶塞下行到井底碰压座处时，胶塞与碰压座配合实现密封，以完
成固井顶替、碰压程序。
而目前现有的固井胶塞为胶碗式，其受胶碗结构、胶碗尺寸、胶碗材料性
能等因素影响，难以在内径变化较大的管柱内(如5-1/2″滑套球座直径为53至
85mm，套管内径121mm，滑套最大内径155mm)对套管内壁、球座和滑套内壁
进行有效刮削，胶碗易发生磨损和断裂，降低了固井顶替效率，增加固井施工
风险。
针对上述技术存在的问题，在本领域中希望寻求一种新型固井胶塞，使其
能在内径变化较大的管柱内确保安全、高效、可靠固井作业，以解决现有技术
中的不足之处。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有固井胶塞难以在内径变化较大的管
柱内对套管内壁、滑套内壁进行有效刮削的难题，为了达到上述技术要求，本
发明提供了一种新型固井胶塞。
根据本发明提供的一种固井胶塞，该固井胶塞可通过内径变化的管柱并最终
与碰压座实现碰压。其中，固井胶塞包括芯体和至少部分均匀覆盖在芯体外表面
的弹性体，芯体用于支撑弹性体或用于使固井胶塞与碰压座固定，弹性体用于与
内径变化的管柱的内壁紧密接触并实现相对滑动。
本发明通过将固井胶塞设置为芯体外表面均匀覆盖有弹性体，其弹性体的外
表面与管柱内壁完全接触，使其区分现有技术中的固井胶塞中弹性体的胶碗式等
结构。本发明的固井胶塞在使用时一方面由于其弹性体自身的弹性材料具有良好
的伸缩性，使其能够顺利通过具有不同内径的管柱并最终与碰压座实现碰压，尤
其是能够顺利通过内径变化较大的管柱；另一方面由于弹性体可与管道内壁完全
地、紧密地接触，能够有效对管柱的内壁进行刮削，避免了现有技术中固井胶塞
的胶碗式结构易发生磨损和断裂的缺陷，提高了固井顶替效率，降低了固井施工
风险。另外，本发明可根据固井胶塞不同的使用状况来分别设计其自身的形状和
尺寸，以便更好地适应不同的管柱和碰压座。
在一些实施方案中，弹性体为圆柱状。圆柱状的弹性体与管柱的内壁完全接
触，利于其对管柱的内壁进行有效刮削。
在一些实施方案中，芯体包括被圆柱状弹性体覆盖的本体和延伸出圆柱状弹
性体的导向头。芯体中的本体用于支撑圆柱状弹性体，导向头用于在固井胶塞在
管柱内壁中行进时起导向作用，在导向头的作用下，固井胶塞可平稳地穿过内径
不同的管柱内壁并顺利到达碰压座的位置与其实现碰压。
在一些实施方案中，导向头上设置有用于与碰压座相连的防退环。当固井胶
塞与碰压座碰压后可能会承受较大的井底反向压力，因此通过设置防退环使固井
胶塞与碰压座连接在一起，该设置一方面可使碰压过程更稳固，另一方面还能够
使固井胶塞与碰压座实现更好的密封效果。
在一些实施方案中，弹性体朝向导向头的方向上设置有截面面积逐渐减小的
锥部，锥部的锥度范围优选为30°至50°。该锥部的设置用于与碰压座的碰压
斜面相配合，通过对该锥部设定一定的锥度范围来适应不同型号的碰压座，从而
实现固井胶塞与不同碰压座更好的密封效果。优选地，该锥部的锥度为45°。
在一些实施方案中，弹性体和芯体均为球状。具有球状弹性体的固井胶塞在
使用时其弹性体的内壁始终与管柱内壁紧密接触并相切，同样可以达到对管柱内
壁进行有效刮削的目的。同时，球状的固井胶塞在受压行进的过程中向前行进的
同时还可旋转，更有利于其对管柱内壁进行有效刮削。另外，球状的固井胶塞在
使用时较为灵活，可顺利通过内径不同的管柱内壁。
在一些实施方案中，固井胶塞由发泡高分子材料制成。选择该种材料可使固
井胶塞具有良好的伸缩能力，使其更好地适应不同的管柱内壁，从而完成其自身
的功能。
根据本发明提供的一种用于分段压裂的装置，包括：管套，与管套套接在一
起的固井滑套，设置在管套特定位置的碰压座，以及上述固井胶塞。其中，碰压
座包括用于与固井胶塞相切碰压的碰压斜面和用于与芯体相连的卡槽。上述固井
胶塞可与本装置中的管套、固井滑套和碰压座配合使用，本发明的固井胶塞在本
装置中尤其适合用于与球座式或全通径固井滑套配套。
根据本发明提供的一种使用上述固井胶塞固井的方法，包括以下步骤：
1)下入套管、固井滑套和碰压座，
2)投入并顶替固井胶塞，直至固井胶塞与碰压座碰压。
根据本发明，当固井胶塞与碰压座碰压后需要承受井底反向压力时，可选择
带有防退部件的具有圆柱状弹性体的固井胶塞；当固井胶塞与碰压座碰压后无需
承受井底反向压力时，可以选择使用通过性更好的具有球状弹性体的固井胶塞。
在一些实施方案中，在步骤2)中包括：当固井胶塞达到第一个固井滑套前
一特定位置时，降低泵注排量，继续顶替固井胶塞，直至固井胶塞与碰压座碰压。
通过这种设置可以有效避免固井施工时固井胶塞被刮拭破坏。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明提供的固井胶塞可在内径变化较大的管柱内对套管内壁和滑套内
壁进行有效刮削，尤其适用于与球座式和全通径式固井滑套配套使用。其芯体上
覆盖了规则形状的弹性体，克服了现有技术中固井胶塞胶碗易发生磨损和断裂等
缺陷，提高了固井顶替效率，降低了固井施工风险。
2)本发明提供的固井胶塞与配套碰压座实现碰压，由于在芯体上设计了防
退部件，使固井胶塞能够承受较大的反向压力，保证了其与碰压座碰压后的压紧
与密封，从而提高了固井质量。
3)本发明提供的固井胶塞结构简单，体积小，且固井胶塞体均采用高强度
弹性材料，在管内行进时不易发生遇卡和塞体碎裂事故，提高了施工可靠性。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1是根据本发明的第一实施例的固井胶塞的结构示意图；
图2是根据本发明的第二实施例的固井胶塞的结构示意图；
图3是根据本发明的用于分段压裂的装置的结构示意图；
图4是图3所示装置中的碰压座的结构示意图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘
制。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
这里所介绍的细节是示例性的，并仅用来对本发明的实施例进行例证性讨
论，它们的存在是为了提供被认为是对本发明的原理和概念方面的最有用和最
易理解的描述。关于这一点，这里并没有试图对本发明的结构细节作超出于基
本理解本发明所需的程度的介绍，本领域的技术人员通过说明书及其附图可以
清楚地理解如何在实践中实施本发明的几种形式。
根据本发明提供的一种固井胶塞，该固井胶塞可通过内径变化的管柱并最
终与碰压座实现碰压。其中，固井胶塞包括芯体和至少部分均匀覆盖在芯体外
表面的弹性体，芯体用于支撑弹性体或用于使固井胶塞与碰压座固定，弹性体
用于与内径变化的管柱的内壁紧密接触并实现相对滑动。
本发明通过将固井胶塞设置为芯体外表面均匀覆盖有弹性体，其弹性体的
外表面与管柱内壁完全接触，使其区分现有技术中的固井胶塞中弹性体的胶碗
式等结构。本发明的固井胶塞在使用时一方面由于其弹性体自身的弹性材料具
有良好的伸缩性，使其能够顺利通过具有不同内径的管柱并最终与碰压座实现
碰压，尤其是能够顺利通过内径变化较大的管柱；另一方面由于弹性体可与管
道内壁完全地、紧密地接触，能够有效对管柱的内壁进行刮削，避免了现有技
术中固井胶塞的胶碗式结构易发生磨损和断裂的缺陷，提高了固井顶替效率，
降低了固井施工风险。另外，本发明可根据固井胶塞不同的使用状况来分别设
计其自身的形状和尺寸，以便更好地适应不同的管柱和碰压座。
实施例一：
图1显示了根据本发明的第一实施例的固井胶塞100的结构示意图。如图1
所示，固井胶塞100的弹性体30为圆柱状弹性体31。该圆柱状的弹性体31与管
柱的内壁完全接触，利于其对管柱的内壁进行有效刮削。
根据本发明，芯体50包括被圆柱状弹性体31覆盖的本体51和延伸出圆柱
状弹性体31的导向头52。芯体50中的本体51用于支撑圆柱状弹性体30，导向
头52用于在固井胶塞100在管柱内壁中行进时起导向作用，在导向头的作用
下，固井胶塞100可平稳地穿过内径不同的管柱内壁并顺利到达碰压座400(如
图3所示)的位置与其实现碰压。优选地，本体51上可设置有多个凸起33，该
凸起33用于使本体51与弹性体30更方便有效地连接在一起。
优选地，导向头52上设置有用于与碰压座相连的防退环521。该防退环优选
为弹性卡环，其可与碰压座400相卡接，该卡接方式在后续说明书中再作阐述。
当固井胶塞与碰压座碰压后可能会承受较大的井底反向压力，因此通过设置防
退环521使固井胶塞100与碰压座连接在一起，该设置一方面可使碰压过程更稳
固，另一方面还能够使固井胶塞100与碰压座400实现更好的密封效果。还优选
地，导向头52上还设置有密封圈522，该密封圈522进一步使固井胶塞100与碰
压座实现更好的密封效果。
可以理解的是，弹性体30可以仅设置为圆柱状弹性体31，也可在该圆柱状
的基础上继续做出改进，如在圆柱状弹性体31上继续延伸出锥部32，如图1所
示的实施例中，圆柱状弹性体31朝向导向头52的方向上设置有截面面积逐渐减
小的锥部32，锥部32的锥度范围为30°至50°。该锥部32的设置用于与碰压
座的碰压斜面相配合，通过对该锥部32设定一定的锥度范围来适应不同型号的
碰压座，从而实现固井胶塞100与不同碰压座更好的密封效果。优选地，锥部32
的锥度为45°，还优选为35°。此外，还可在圆柱状弹性体31的端部设置倒
角，以增加实用性和美观性。
实施例二：
图2显示了根据本发明的第二实施例的固井胶塞100’的结构示意图。如图2
所示，固井胶塞100’包括球状的弹性体30’和球状的芯体50’。具有球状弹性体的
固井胶塞100’在使用时其弹性体的内壁始终与管柱内壁紧密接触并相切，同样可
以达到对管柱内壁进行有效刮削的目的。同时，球状的固井胶塞100’在受压行进
的过程中向前行进的同时还可旋转，更有利于其对管柱内壁进行有效刮削。另
外，球状的固井胶塞100’在使用时较为灵活，可顺利通过内径不同的管柱内壁。
根据本发明，固井胶塞由发泡高分子材料制成。选择该种材料可使固井胶
塞具有良好的伸缩能力，使其更好地适应不同的管柱内壁，从而完成其自身的
功能。
如图3所示的根据本发明提供的用于分段压裂的装置1000，包括：管套
200、与管套200套接在一起的固井滑套300、设置在管套200特定位置的碰压座
400以及上述固井胶塞。其中，如图4所示的实施例中，碰压座400包括用于与
固井胶塞相切碰压的碰压斜面401和用于与芯体相连的卡槽402。防退环521优
选的弹性卡环可与卡槽402相卡接，从而固定固井胶塞。上述固井胶塞可与本装
置中的管套200、固井滑套300和碰压座400配合使用，本发明的固井胶塞在本
装置中尤其适合与球座式或全通径固井滑套配套使用。
根据本发明提供的一种使用上述固井胶塞固井的方法，包括以下步骤：
1)下入套管、固井滑套和碰压座，
2)投入并顶替固井胶塞，直至固井胶塞与碰压座碰压。
在该使用方法中，当固井胶塞与碰压座碰压后需要承受井底反向压力时，
可选择带有防退部件的具有圆柱状弹性体的固井胶塞；当固井胶塞与碰压座碰
压后无需承受井底反向压力时，可以选择使用通过性更好的具有球状弹性体的
固井胶塞。
根据本发明，在步骤2)中包括：当固井胶塞达到第一个固井滑套前一特定
位置时，降低泵注排量，继续顶替固井胶塞，直至固井胶塞与碰压座碰压。通
过这种设置可以有效避免固井施工时固井胶塞被刮拭破坏。
优选地，投入所选固井胶塞后，按照既定的泵注程序进行顶替，当固井胶
塞达到第一个固井滑套前1m3/min左右，降低泵注排量至1m3/min左右，继续顶
替固井胶塞，直至固井胶塞与所述碰压座碰压。碰压结束后继续进行固井和压
裂后续施工作业。
本发明通过实验验证可通过内径变化范围为50至160mm的管柱内壁，并同
时能够很好地对套管内壁、球座和滑套内壁进行有效刮削，大大提高了固井顶
替效率。尤其是本发明可顺利通过由直径为53至85mm的滑套球座，内径为
121mm套管，最大内径为155mm滑套相配合的管道内壁，同时完成良好的刮削
顶替效果。
应注意的是，前面所述的例子仅以解释为目的，而不能认为是限制了本发
明。虽然已经根据示例性实施例对本发明进行了描述，然而应当理解，这里使
用的是描述性和说明性的语言，而不是限制性的语言。在当前所述的和修改的
所附权利要求的范围内，在不脱离本发明的范围和精神的范围中，可以对本发
明进行改变。尽管这里已经根据特定的方式、材料和实施例对本发明进行了描
述，但本发明并不仅限于这里公开的细节；相反，本发明可扩展到例如在所附
权利要求的范围内的所有等同功能的结构、方法和应用。