CN113454311A - 顶坐封插塞及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于对井的套管(102)进行坐封的顶坐封插塞(410)。该插塞(410)包括：心轴(412)，其具有从顶端(412A)延伸到底端(412B)的通孔(413)；连接机构(414)，其位于心轴(412)的顶端(412A)处；密封元件(424)，其位于心轴(412)的周围，且被构造为朝向套管(102)的内壁推进；上楔(422)，其被构造为推动密封元件(424)以使密封元件抵靠套管(102)；以及滑环(426)，其被构造为在上楔(422)之上推动密封元件(424)，且还被构造为使套管的内壁与扣(428)接合，以防止插塞沿着套管滑动。

Description

顶坐封插塞及方法

背景技术

技术领域

本文公开的主题的实施例一般涉及用于射孔和/或压裂操作的井下工具，更具体地，涉及构造为从其顶部进行坐封的井下插塞。

背景技术讨论

在油气领域，如图1所示，一旦将井100钻凿到相对于地表110的期望深度H，并且保护井眼104的套管102已经安装并固定就位，就到了将井眼104连接到地下地层106以提取石油和/或天然气的时间。该将井眼连接到地下地层的过程可以包括利用插塞112隔离套管102的一段的步骤、利用射孔枪组件114对套管102进行射孔，以使得形成各种通道116以将地下地层连接到套管102内部的步骤、移除射孔枪组件的步骤以及压裂各种通道116的步骤。

这些步骤中的一些步骤需要将与射孔枪组件114电连接和机械连接的线缆118或等效工具下放到井100中，并且需要启动枪组件和/或附接到射孔枪组件的坐封工具120。坐封工具120被构造为在对段进行隔离之前保持插塞112并且对插塞进行坐封。图1示出了与插塞112断开连接的坐封工具120，表明插塞已经安装在套管内部。

图1示出了线缆118，线缆118包括至少一个电连接器，该电连接器连接到位于地面110上、在井100上方的控制接口122。控制接口的操作员可以将电信号发送到射孔枪组件和/或坐封工具，以用于(1)对插塞112进行坐封，以及(2)将坐封工具与插塞断开连接。流体124(例如，水、水和沙子、压裂液等)可以由泵送系统126泵送至井下，用于将射孔枪组件和坐封工具移动到期望的位置，例如，需要部署插塞112的位置，并且也用于压裂目的。

以上操作可以重复多次，以在与井的不同段对应的多个位置处对套管进行射孔和/或压裂。注意，在这种情况下，在射孔阶段和/或压裂阶段期间，可以使用多个插塞112和112'来将各个段彼此隔离。

这些完井操作可能需要串联运行的几个插塞或串联运行的几个不同的插塞类型。例如，在给定完井和/或生产活动中，一个井可能需要数百个插塞，取决于每个井的生产力、深度和地球物理特性。随后，从这些区域生产烃类化合物需要从井中移除顺序坐封的插塞。为了重新建立流过所存在的插塞的流动，操作员必须通过铣削或对插塞进行钻孔来移除和/或破坏该插塞。

用于这种操作的典型压裂插塞如图2所示，其包括多个元件。例如，压裂插塞200具有中心内部心轴202，所有其他元件都放置在该心轴上。心轴充当整个压裂插塞的支柱。通常在心轴202上添加以下元件：顶推环203、上滑环204、上楔206、弹性密封元件208、下楔210、下滑环212、底推环216和斜口管鞋(mule shoe)218。

当使用坐封工具300来坐封压裂插塞200时，如图3所示，坐封工具300在一侧的推环203上施加力F，并且从另一侧在底推环216上施加相反的力。由于这两个相反的力，插塞200的中间组件相互压抵，从而导致密封元件208径向弹性膨胀并将套管102密封。上楔206和下楔210不仅压在密封元件208上，而且还压在它们对应的滑环204和212上，从而将它们分成多个部分并且同时迫使滑环的分开的部分径向压靠套管。这样，滑环将密封元件维持在张紧状态，以将井的套管密封并防止弹性密封元件返回其初始位置。当上楔206和下楔210挤压弹性密封元件以密封套管时，弹性密封元件弹性变形并压抵套管的整个圆周。

传统上，坐封工具300具有主体301，坐封套筒304附接到该主体301，该坐封套筒304与压裂插塞200的上游端接触。坐封工具300的心轴306从主体301一直延伸穿过插塞200的孔201，直到心轴的远端306A离开斜口管鞋218。圆盘或螺母308附接到心轴306的远端306A。如果使用圆盘，则可以将螺母310附接到心轴306以将圆盘308保持就位。圆盘308的外径D被设计成与斜口管鞋218的孔201的内部相适应，但还大于剪切环216或可以用于与心轴接合的其他元件(例如，套爪(collet))的内径d。

因为心轴306延伸穿过整个压裂插塞200并且圆盘308在压裂插塞的底部(最靠近井趾的部分)上施加力，所以这种类型的插塞被称为底坐封插塞。这种插塞的一个缺点是，典型的底坐封插塞不允许进行本领域公知的“球就位(ball in place)”模式的操作，这意味着用于关闭压裂插塞200的孔201的球与插塞一起进入到井眼中。这种模式与传统模式相反，在传统模式中，首先设置压裂插塞200，从井中移除坐封工具300，然后将球从地表泵入井眼，以对压裂插塞200的孔201进行密封。这样的操作增加了用水量、成本并且操作效率低下。此外，图2中所示的压裂插塞具有需要装配在一起的许多部件，这增加了其成本。此外，当压裂操作完成时，需要移除压裂插塞，目前，这是通过对该压裂插塞进行铣削来实现的。这个过程进一步增加了井勘探的复杂性，并且还增加了石油开采成本，因为铣削操作既昂贵又耗时。

因此，需要一种简化的插塞设计，其具有更少的组件、能够制造成易于移除并且还能够执行球就位操作。

发明内容

根据一个实施例，提供了一种用于对井的套管进行密封的顶坐封插塞。该插塞包括：心轴，其具有从顶端延伸到底端的通孔；连接机构，其位于心轴的顶端，其中，该连接机构被构造为连接到坐封工具，并且该连接机构利用受剪构件附接到心轴；密封元件，其位于心轴的周围，且被构造为朝向套管的内壁推进；上楔，其被构造为推动密封元件以使其抵靠套管；以及滑环，其被构造为在上楔之上推动密封元件，且还被构造为使套管的内壁与扣接合，以防止插塞沿着套管滑动。受剪构件被制造成在心轴的任何其他部分之前断裂，以释放连接机构，并且不存在用来推动密封元件的下楔。

根据另一个实施例，提供了一种用于对井的套管进行密封的顶坐封插塞。插塞包括：心轴，其具有从顶端延伸到底端的通孔；连接机构，其被构造为连接到坐封工具，其中，该连接机构通过受剪构件附接到心轴；密封元件，其部分地位于心轴的周围且具有顶端和底端，其中，顶端被构造为朝向套管的内壁推进并充当密封件，而底端被构造为斜面；以及滑环，其被构造为将套管的内壁与扣接合，以防止插塞沿着套管滑动。密封元件的底端进入到滑环的孔中，并朝向套管的内壁径向向外推动滑环。受剪构件被制造成在心轴的任何其他部分之前断裂，以释放连接机构。

根据又一实施例，提供了一种用于在井中堵塞套管的方法。该方法包括：将坐封工具附接到压裂插塞的步骤，其中，球被放置在坐封工具内；将坐封工具、球和压裂插塞下放到井的套管中的期望深度的步骤；启动坐封工具以设置压裂插塞的步骤，其中，坐封工具与压裂插塞之间的连接位于压裂插塞的顶端；在坐封工具与压裂插塞之间的连接断裂之后移除坐封工具的步骤；以及对球加压以使其落座在形成在压裂插塞的心轴中的座件上的步骤。

附图说明

为了更全面地理解本发明，现在结合附图来参考以下描述，在附图中：

图1是其中已部署坐封工具和插塞的井的示意图；

图2是压裂插塞的示意图；

图3示出了在插塞底部处设置压裂插塞的坐封工具；

图4示出了顶坐封压裂插塞；

图5示出了具有落座在心轴内部深处的球以用于提供结构加固的顶坐封压裂插塞；

图6示出了启动用于对顶坐封插塞进行坐封的坐封工具；

图7示出了来自另一个顶坐封插塞的球与当前顶坐封插塞相互作用；

图8示出了顶坐封插塞的滑环的图案；

图9示出了顶坐封插塞的滑环的横截面；

图10示出了具有密封元件作为最顶部元件的另一个顶坐封插塞；

图11示出了在坐封工具已移除并且球落座在插塞内部之后的另一个顶坐封插塞；以及

图12是用于在井的套管中设置顶坐封插塞的方法的流程图。

具体实施方式

对实施例的以下描述参考附图。不同附图中相同的附图标记表示相同或相似的元件。以下详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求书限定。为简单起见，针对压裂插塞来讨论以下实施例。然而，接下来要讨论的实施例不限于压裂插塞，而是可以将它们应用于需要设置在狭窄管道中的其他类型的插塞或其他设备。

在整个说明书中提及的“一个实施例”或者“实施例”，意指结合实施例所描述的特定特征、结构或者特性包括在所公开主题的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中多个地方出现的短语“在一个实施例中”或者“在实施例中”不一定都是指代同一实施例。此外，特定特征、结构或者特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多个实施例中。

根据实施例，一种新型压裂插塞被构造为具有更少的部件并且被设置在顶部而不是如传统插塞那样设置在底部。在一个实施例中，压裂插塞的一个或更多个部件，甚至所有部件由可溶解材料制成，使得在给定段的压裂操作结束后不需要对插塞进行铣削。在一个实施例中，由于顶部设置操作，该新型压裂插塞能够以球就位模式使用。在又一个实施例中，压裂插塞的滑动部件被构造为锯齿形(zig-zag)图案以最大化与套管的夹持。锯齿形图案还可以防止滑动部件的指部在井中时断裂。对于给定的压裂插塞，根据其应用，上述特征可以以任何期望的方式组合。

根据图4所示的实施例，顶坐封插塞410被构造为设置在顶部。在本申请中，术语“顶部”和“底部”是相对于将插塞在竖直或水平井中的放置来定义的，其中顶部指向井的头部，底部指向井的趾部。因此，压裂插塞的顶部被明确定义为接触坐封工具的部分，而插塞的底部是面向井趾部且与坐封工具相对的部分。

顶坐封插塞410在图4中示出为系统400的一部分，该系统400还包括连接到顶坐封插塞410的坐封工具470。顶坐封插塞410放置在套管102内部并且具有心轴412，心轴412在其顶端412A处构造有连接机构414，使得连接机构414被构造为接触并连接到坐封工具470的内部套筒472。在一个实施例中，连接机构414是螺纹并且内部套筒472具有配合螺纹474。然而，在另一个实施例中，连接机构是易断引脚。本领域技术人员可以使用连接机构的其他实现方式。不管连接机构的实现方式如何，它都确保在将插塞下放到套管内部的期望位置时，插塞410固定地附接到坐封工具。

连接机构414通过受剪构件416附接到心轴412。受剪构件416附接到心轴412的扩口部分417。图4示出了心轴的扩口部分417的内部直径D1大于心轴其余部分的直径D2。扩口部分417构造为压抵上楔422，并朝向套管102的内壁推动上楔422，如在稍后进行讨论。受剪构件416可以由与心轴412和连接机构414相同的材料制成。然而，在一种应用中，这些元件可以由不同的材料制成并且作为单独的部件。在该实施例中，这三种元件被一体制成作为心轴的一部分。当需要将坐封工具470与插塞410分离时，将内部套筒472从插塞410拉开，直到受剪构件416断裂并释放坐封工具。应当注意，保持插塞410附接到坐封工具470的唯一部分是连接机构414。一旦受剪构件416断裂，则插塞从坐封工具释放。为此，受剪构件416制造成当向其施加期望的力时断裂。虽然受剪构件416在图4中被示出为实现为心轴412的较薄的部分，但是本领域技术人员应理解，受剪构件可以以不同的配置实现，例如，由比心轴和连接构件414的材料更弱的材料制成。受剪构件416成形和/或由一种在心轴的任何其他部分之前断裂的材料制成。

心轴412的底端412B被构造为例如通过螺纹420与引导构件418接合。可以使用其他机构将引导构件418附接到心轴412。引导构件418可以具有略微(例如，约10％至30％)小于套管102的内部直径的外部直径D，使得引导构件在将插塞下放到其期望位置时，在套管内部对插塞进行引导。

在引导构件418与连接机构414之间，以下元件沿着心轴412分布。从连接机构414开始，上楔422(或锥形或斜面或楔形体)围绕心轴分布并且被构造成沿径向向外推进密封环元件424。上楔422的斜面部分422A直接接触密封环元件424的下侧，并且当坐封工具470的外部套筒480推动上楔422时，朝向套管102推动密封环元件。上楔422可以包括一个或更多个密封件423，其被放置在上楔主体与心轴412之间，以防止井液移动通过上楔。密封环元件424还可以包括一个或更多个密封件425A和425B，其位于密封元件与套管和/或上楔422之间以进一步防止井液通过插塞410逸出。应当注意，插塞410的所有这些元件在图4中示出为彼此分离开相当大的距离，而实际上，该距离是无穷小的或不存在的，即，这些元件紧密地封装在一起。在该图中使用这些元件之间的大距离来更清楚地说明每个元件以及这些元件之间的关系。

插塞410还包括围绕心轴412设置的滑环426。在一个实施例中，插塞仅包括一个滑环。滑环426包括由硬质材料制成的一个或更多个扣(button)428，并且被构造为当对压裂插塞进行坐封时，与套管102直接接合。扣428与套管102之间的直接接触确保了当插塞暴露于上游压力时，插塞不会沿着井的纵向轴线X移动。

心轴412的孔413被构造为具有一个或两个座件(seat)。座件在本文中被定义为心轴的一部分，在孔中，其成形为接纳并与球440配合。例如，心轴412可以成形为具有大座件430或较小座件432。在一个实施例中，心轴412可以成形为具有这两种座件。大座件430为侧座，即其形成在心轴412的一侧。然而，较小座件432为内部座，即其形成在不在压裂侧的孔区域中。具有内部座的优点在于，当球440落座为抵靠这样的深处座件432时，如图5所示，球440在心轴412上施加力510(仅示出了一个力，尽管球在心轴412周围施加相同的力)，这在结构上支撑整个插塞410不被由井中的泵送流体所施加的压力沿着径向方向压缩。换句话说，由于球440落座于插塞410的深处，如图5所示，因此，深陷的球给予插塞附加的结构完整性，因为它阻止了滑件和楔的向内的径向运动，否则这些运动将使插塞在套管上的夹持松动。应当注意，如果插塞的一个或更多个元件朝向孔413的中心点径向向内移动，则密封环元件424与套管102之间的密封可能被削弱，这可能导致插塞塌陷以及井液冲刷越过插塞。

发明人已经发现，通过将插塞410构造为允许球440进入心轴412内部深处，即至少越过心轴的端部，实现了这种结构优势，例如，如图5所示，靠近心轴的中点。在一个实施例中，当球沿着纵向轴线X处于与密封环元件424或滑环426相同的位置时，认为球440进入了心轴412内部深处。应当注意，图5示出的是经坐封的压裂插塞410，即受剪元件416已经断裂，使得坐封工具470已经被释放和移除(尽管插塞的元件之间的空间以及插塞与套管之间的空间仍然被示出)。

返回到图4，坐封工具470被构造为携带球440，同时还附接到插塞410，即能够执行球就位模式。对于这种模式，球440被放置在坐封工具的内部套筒472内。当在井中移动坐封工具到需要设置插塞的期望位置时，为了防止球440意外移动，外部套筒480包括保留元件482，例如引脚，其防止球向上游移动。为了防止球沿下游方向移动，内部套筒472包括保持机构476，例如弹簧。当坐封工具下降到套管中时，球440被放置在保留元件482与保持机构476之间。随着坐封工具和球在套管中向下游移动，流体井需要通道来绕过这个串在一起的结构(tandem)。为此，可以将一个或更多个槽484制作到外部套筒480中。这样，流体井490能够穿过坐封工具470并穿过插塞410的孔413，如路径492所示。

保留元件482固定地附接到外部套筒480，允许其相对于内部心轴472移动，以推动球440越过保持机构476，这是由于槽473形成在内部心轴472的壁中。这样，当需要对插塞410进行坐封时，并且当启动了坐封工具470，以使得内部套筒472向上游移动而外部套筒480保持静止(或反过来)时，保留元件482实际上相对于内部套筒472向下游移动，并将球440推到保持机构476上。一旦球440移动越过保持机构476，由于泵在井口处施加的井压，球440移动直到落座在大座件430或深处座件432中，取决于其尺寸。应当注意，如果球440的尺寸为落座到大座件430，则它无法移动越过该座件而到达深处座件432。

图6示出了如下情况，坐封工具470已被启动，外部套筒480正阻止上楔422沿着轴向方向X移动，内部套筒472沿着与纵向方向X相反的相对于外部套筒480向上的方向移动，从而沿着相同的方向拉动心轴412。由于心轴412移动而上楔422静止，所以引导元件418已朝向上楔422移动，以将滑环426和密封环元件424压上楔元件422的斜面，使得密封环元件424压抵套管102，以对套管的孔进行有效地密封。

另外，如图所示，保持机构476也已朝向保留元件482移动，因此迫使球440移动越过保持机构476。现在球440被释放，并且当从地表对流体490加压并沿着方向492移动时，其将球440移动到大座件430或深处座件432中，取决于球的尺寸。应当注意，图6示出了坐封工具470被启动但尚未从心轴412释放。

图7示出了球440落座于深处座件432中，并且随着内部心轴将力施加到了插塞410上以及受剪构件416断裂，坐封工具470从插塞410释放。还应注意，心轴412已经与引导元件418一起相对于插塞410的其他构件移动，使得上楔422现在远离了大座件430。在图4中，上楔422或者直接接触大座件430，或者非常靠近它。

图7示出了一个或更多个槽434可以形成在心轴412的底端412B中，使得当来自前一压裂插塞的球440'接触底端412B时，井内的流体仍然能够从井的趾部朝向井的头部(例如，在回流操作期间)通过，并越过球和压裂插塞。图7还示出了落座于深处座件432中的球440如何为上楔422和滑环426提供结构支撑，以防止这些元件朝向心轴412的孔413径向向内移动。在一个实施例中，深处座件432形成在心轴中，以使得深处座件与滑环426相对于心轴直接相对。在另一实施例中，深处座件被制造成直接跨过上楔422来定位。在又一实施例中，深处座件被制造成跨过密封元件424来定位。本领域技术人员将从本公开中理解，深处座件432可以形成在心轴内部的任何地方以跨过任何元件以支撑它们。当向井液施加较大压力时，由于球440所施加的力，心轴412能够相对于密封元件424和上楔422滑动，如图5所示。由于心轴的扩口部分417，其能够为上楔422添加附加的支撑。

在一个实施例中，为了增强滑环426对套管102的粘附，将滑环426构造为具有环810和交替槽812，该槽围绕环810部分径向延伸以形成锯齿形图案，如图8所示。应当注意，扣428可以被构造为具有相对于套管倾斜的表面，以便在扣与套管之间获得更好的夹持。然后，这种锯齿形图案的滑件使夹持套管壁的表面积最大化，从而增加了轴向保持力。在其他实施例中，滑件可以由多个指部制成，这些指部由所有从环的一端延伸的槽来形成。交替槽812或锯齿形图案的滑件的优点在于，在坐封时，与单个指部相比，滑环426将具有保持完整的趋势。如果滑环的指部或部段分离，则它可能会与其他指部或部段脱离，从而削弱插塞对套管的粘附。滑环426的扣428“咬”入到套管102中并增加了插塞的轴向保持力。在上下文中，“轴向保持力”是指沿着井眼套管102的纵向轴线X的轴向移动的阻力。通常，该力表示为井眼压力(以磅/平方英寸(psi)为单位)乘以克服插塞对套管内壁的粘附并轴向移动该插塞所需的套管密封的内部面积。

图9中示出了滑环426的剖视图，连同图8中的两个横截面AA和BB。图9示出了环810和连接到该环810的指部814。指部814之间的槽812被示出为以第一配置定位，即朝向底端412B，然后在顶端412A处的那些。图9示出了两端处的槽以给定的角位移(例如90度)偏移。

在一个实施例中，插塞410的组件可以被制造为机械加工或模制的复合材料，或为可溶解材料或者两者的组合。在一种应用中，插塞410的所有部件都由可溶解材料制成。这意味着在针对给定段的压裂操作完成后，不是使用钻头来对插塞进行铣削，而是将井液或特殊流体泵入到井中，该井液或特殊流体在与插塞相互作用一给定时间后溶解插塞的组件。这是非常有利的，因为在井中下放钻井设备是耗时的，因此是昂贵的。

当将图2的传统插塞与图4的新型插塞410进行比较时，可以观察到插塞410具有更少的组件。例如，插塞410不具有上滑环204和上楔206。在一个实施例中，插塞410也不具有底推环216。由于这些特征，插塞410的体积可以从体积250in³(该体积对于现有压裂插塞是常规情况)减小到不到80in³。此外，在一个应用中，插塞410的减小的体积确保通过它的井液增加，这防止了插塞两端的大压差。

在另一实施例中，如图10所示，压裂插塞具有比上面讨论的插塞410甚至更少的组件。压裂插塞依靠其组件的结构完整性来承受其在井中使用期间施加的应力。现有可用插塞不使用球或限制性插塞元件来帮助在压裂操作期间对插塞进行支撑。因此，可用的插塞使用力支撑构件(斜面或楔)——这些构件可能会或可能不会被内部心轴支持——以保持整体结构完整性。然而，这种心轴的总内径仅小于约2.0”。这种设计通常会导致插塞长度大于18”，总体积超过250in³(在典型的5.5”套管应用中)。

这种配置限制了在井中推进时能够传输通过插塞的井液的量。因此，这种现有配置可能会在插塞两端造成大的压差。

此外，可用的插塞使用锥角或斜面相反的楔206和210，如图2所示，以将插塞的密封区域208或夹持区域212拉到其最终的坐封位置，抵靠套管壁。相反的斜面设计还需要附加的插塞长度，因为斜面的整个行程需要包括在型锻元件以及待膨胀元件(密封件)这两者中。

图10所示的新型插塞1010通过将密封元件1024放置在插塞的顶端来克服这些问题。这意味着在密封元件1024的上游不存在用于推到密封元件上的楔或环或其他元件，如现有压裂插塞那样的情况。另外，类似于插塞410，该插塞被构造为顶坐封插塞。密封元件1024被构造为具有两个功能：顶端部分1024A充当密封构件，而底端部分1024B成形并充当斜面，用于将滑环1026朝向套管102驱动。换句话说，密封元件1024的底端部分1024B充当上楔422。滑环1026可以具有扣1028，类似于滑环元件426。

内部心轴1012允许在附接在心轴顶端1012A处的坐封工具1070与位于心轴底端1012B处的引导元件1018之间进行载荷传递。在该实施例中，引导元件1018通过肩部1019附接到心轴1012，该肩部被构造为装配在形成于心轴1012的外壁中的对应凹槽1015中。在另一实施例中，引导元件1018可以利用螺纹来附接，如图4中的引导元件418。受益于本公开的本领域技术人员可以选择针对该元件的各种其他实现方式。类似于图4的坐封工具，坐封工具1070被构造为连接到心轴1012的上部，例如，通过连接到内部套筒1072的连接机构1014。在该图中，连接机构1014被实现为螺纹。然而，连接机构可以被实施为可断裂引脚等。在心轴1012上存在受剪构件1016，以允许在坐封工具已经设置了插塞之后将顶部断开。图10还示出了与密封构件1024直接接触的坐封工具的外部套筒1080。

压裂插塞1010还包括单件式滑件1026，其包括基环1027，基环1027带有滑件1029，滑件1029被机械加工为使得它们单独附接到每个几何滑件部段(geometric slipsection)的基部(base)。包括在滑件1026的外表面上的是硬化的插入件或扣1028。这种硬化的材料可以由陶瓷、碳化物、铸铁等组成。过渡密封(transitionary seal)1023可以位于心轴1012与密封元件1024之间。该过渡密封允许插塞在其整个运动范围内致动，同时保持压差完整性。该特征不是必需的，因为当工具处于其完全坐封状态并且由于井眼隔离压力而被向下冲程时，可以在心轴1012与主型锻体之间实现金属对金属密封。

一个或更多个凹槽1025可以形成在密封元件1024中，面向套管102，它们有助于在压裂插塞外径与下了套管的井眼的内径之间获得正金属对金属密封(positive metal tometal seal)。这些凹槽可以如图所示运行，或者可以在每个凹槽内添加嵌入的弹性密封元件。

如在本实施例中所讨论地构建的压裂插塞1010和坐封工具1070可以在从地表部署时携带球1040，因此能够实现球就位模式。在坐封工具1070被启动并从插塞移除之后，球1040进入插塞1010内部，并落座在深处座件1032上，如图11所示，因此对心轴1012的孔1013进行密封或封堵。深处座件1032位于密封元件1024下方，使得由井液1090施加到球1040上的力F在密封元件1024的内壁上部分径向向外传递，以增强密封的完整性并且进一步使密封元件压抵套管102的内壁。在一个实施例中，深处座件被构造为跨过滑环1026。虽然图11示出了球1040仅与形成在心轴1012中的深处座件1032相互作用，但是在一个实施例中，可以将插塞1010构造为使得球1040也直接接触密封元件1024。

现在相对于图12来讨论用于在井中堵塞套管以进行压裂操作的方法。该方法包括：步骤1200，将坐封工具附接到压裂插塞，其中，球被放置在坐封工具内；步骤1202，将坐封工具、球和压裂插塞下放到井的套管中的期望深度；步骤1204，启动坐封工具以对压裂插塞进行设置，其中，坐封工具与压裂插塞之间的连接位于压裂插塞的顶侧；步骤1206，在坐封工具与压裂插塞之间的顶部连接断裂后移除坐封工具；以及步骤1208，对球加压以使其落座于压裂插塞的心轴内、远离心轴顶端和底端的深处座件中，以为压裂插塞提供结构支撑。在一个应用中，压裂插塞具有单个楔，例如，上楔而无下楔。在另一个应用中，压裂插塞410仅具有图4中所示的元件，压裂插塞1010仅具有图10中所示的元件，即比现有插塞200少得多的元件。

所公开的实施例提供了一种在井中使用以用于将一段与另一段隔离的顶坐封插塞。该顶坐封插塞被构造成具有比现有可用插塞更少的部件。应当理解，该描述并非旨在限制本发明。相反，实施例旨在覆盖包括在由所附权利要求书进行限定的本发明精神和范围内的替代、修改和等同形式。此外，在实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对所要求保护发明的全面理解。然而，本领域技术人员应理解，可以在没有这种具体细节的情况下实践各种实施例。

尽管在实施例中以特定组合来描述了本实施例的特征和元件，但是每个特征或元件可以在没有实施例中其他特征和元件的情况下单独使用，或者可以在具有或不具有本文所公开的其他特征和元件的各种组合中使用。

该书面描述使用了所公开主题的示例，以使得本领域技术人员能够实践该主题，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合方法。该主题的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员可以想到的其他示例。这种其他示例旨在包括在权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种用于对井的套管(102)进行密封的顶坐封插塞(410)，所述插塞(410)包括：

心轴(412)，其具有从顶端(412A)延伸到底端(412B)的通孔(413)；

连接机构(414)，其位于所述心轴(412)的所述顶端(412A)处，其中，所述连接机构(414)被构造为连接到坐封工具(470)，并且所述连接机构(414)利用受剪构件(416)附接到所述心轴(412)；

密封元件(424)，其位于所述心轴(412)的周围，且被构造为朝向所述套管(102)的内壁推进；

上楔(422)，其被构造为推动所述密封元件(424)以使所述密封元件抵靠所述套管(102)；以及

滑环(426)，其被构造为在所述上楔(422)之上推动所述密封元件(424)，且还被构造为使所述套管的内壁与扣(428)接合，以防止所述插塞沿着所述套管滑动，

其中，所述受剪构件(416)被制造成在所述心轴的任何其他部分之前断裂，以释放所述连接机构(414)，并且

其中，不存在用来推动所述密封元件(424)的下楔。

2.根据权利要求1所述的插塞，其中，所述心轴具有远离所述心轴的顶端和底端而形成的深处座件(432)。

3.根据权利要求2所述的插塞，其中，所述深处座件形成为直接跨过所述滑环，或直接跨过所述上楔，或直接跨过所述密封元件。

4.根据权利要求1所述的插塞，其中，所述滑环是所述插塞的唯一滑环。

5.根据权利要求1所述的插塞，还包括：

第二座件(430)，其形成在所述心轴远离深处座件的一端。

6.根据权利要求1所述的插塞，其中，所述心轴具有形成在顶端的座件(430)。

7.根据权利要求1所述的插塞，其中，整个插塞由一种或更多种可溶解材料形成。

8.根据权利要求1所述的插塞，其中，所述心轴、所述密封元件、所述上楔和所述滑环中的至少一个由可溶解材料形成。

9.根据权利要求1所述的插塞，还包括：

引导元件(418)，其固定地附接到所述心轴的底端。

10.根据权利要求1所述的插塞，其中，所述心轴具有扩口部分(417)，所述扩口部分被构造为朝向所述密封元件推动所述上楔，并且还被构造为径向远离所述心轴的纵向轴线。

11.一种用于对井的套管(102)进行密封的顶坐封插塞(1010)，所述插塞(1010)包括：

心轴(1012)，其具有从顶端(1012A)延伸到底端(1012B)的通孔(113)；

连接机构(1014)，其被构造为连接到坐封工具(1070)，其中，所述连接机构(1014)通过受剪构件(1016)附接到所述心轴(1012)；

密封元件(1024)，其部分地位于所述心轴(1012)的周围且具有顶端(1024A)和底端(1024B)，其中，顶端(1024A)被构造为朝向所述套管(102)的内壁推进并充当密封件，而底端(1024B)被构造为斜面；以及

滑环(1026)，其被构造为将所述套管的内壁与扣(1028)接合，以防止所述插塞沿着所述套管滑动，

其中，所述密封元件(1024)的底端(1024B)进入到所述滑环(1026)的孔中，并朝向所述套管的内壁径向向外推动所述滑环(1026)，并且

其中，所述受剪构件(1016)被制造成在所述心轴的任何其他部分之前断裂，以释放所述连接机构(1014)。

12.根据权利要求11所述的插塞，其中，所述心轴具有远离所述心轴的顶端和底端而形成的深处座件(1032)。

13.根据权利要求12所述的插塞，其中，所述深处座件形成为直接跨过所述滑环。

14.根据权利要求12所述的插塞，其中，所述深处座件形成为直接跨过所述密封元件。

15.根据权利要求11所述的插塞，其中，整个插塞由一种或更多种可溶解材料形成。

16.根据权利要求11所述的插塞，其中，所述密封元件是所述插塞在所述插塞上游端处的第一元件。

17.根据权利要求11所述的插塞，还包括：

引导元件(1018)，其固定地附接到所述心轴底端。

18.一种用于在井中堵塞套管的方法，所述方法包括：

将坐封工具(470、1170)附接(1200)到压裂插塞(410、1010)，其中，球(440、1040)被放置在所述坐封工具内；

将所述坐封工具、所述球和所述压裂插塞下放(1202)到井的套管中的期望深度；

启动(1204)所述坐封工具以设置所述压裂插塞，其中，所述坐封工具与所述压裂插塞之间的连接位于所述压裂插塞的顶端；

在所述坐封工具与所述压裂插塞之间的连接断裂之后移除(1206)所述坐封工具；以及

对球加压(1208)以使其落座在形成在所述压裂插塞的心轴中的座件(430、432、1032)上。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述座件是深处座件，其远离所述心轴的顶端和底端定位，以向所述压裂插塞提供结构支撑。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述压裂插塞仅具有上楔且不具有下楔。

21.根据权利要求18所述的方法，其中，所述压裂插塞的一个或更多个元件由可溶解材料制成。

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