RU13967U1

RU13967U1 - Downhole device for the formation of directional cracks

Info

Publication number: RU13967U1
Application number: RU99126910/20U
Authority: RU
Inventors: Н.Г. Кю; В.А. Усков; А.М. Фрейдин; О.И. Чернов
Original assignee: Институт горного дела - научно-исследовательское учреждение СО РАН
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2000-06-20

Abstract

1. Скважинное устройство для образования направленных трещин, включающее две трубы, связанные между собой посредством резьбового соединения, на односторонних торцах которых выполнены кольцевые упоры, герметизирующую втулку, выполненную из монолитного материала, переходящего под действием внешней нагрузки в сыпучее состояние, и винт, установленный в одной из труб, отличающееся тем, что на внутреннюю трубу между кольцевым упором и герметизирующей втулкой последовательно нанизаны тарельчатая пружина с диаметром большим, чем у скважины, и кольцо, при этом основание тарельчатой пружины обращено к кольцевому упору внутренней трубы, а винт установлен во внешней трубе.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в тарельчатой пружине со стороны наибольшей окружности выполнены радиальные надрезы.1. A downhole device for the formation of directional cracks, including two pipes interconnected by means of a threaded joint, on one side of which there are ring stops, a sealing sleeve made of a monolithic material, which under the influence of an external load becomes loose, and a screw installed in one of the pipes, characterized in that a disk spring with a diameter larger than that of the well is sequentially strung on the inner pipe between the annular stop and the sealing sleeve; ring, while the base of the cup spring is facing the annular stop of the inner pipe, and the screw is installed in the outer pipe. 2. The device according to claim 1, characterized in that radial cuts are made in the cup spring from the side of the largest circumference.

Description

Скважинное устройство для образования направленных трещинDownhole device for the formation of directional cracks

Предполагаемое изобретение относится к горномг/ делу и может быть использовано для образования трещин в скважинах с целью отделения блоков от массивов, добычи ценного кристаллического сырья и строительного камня.The alleged invention relates to mining / business and can be used to form cracks in wells in order to separate blocks from massifs, to extract valuable crystalline raw materials and building stone.

Ичвссшо скважинное устройство для образования направленных трещин по авторскому свидетельству СССР № 1714123, кл. Е21С 37Х)4, опубл. в БИ № 7, 92 г., включающее две связанные между собой резьбой с возможностью продольного перемещения одна относительно другой коаксиальные трубы с кольцевыми упорами на односторонних торцах. На конце внутренней трубы под кольцевым упором наружной трубы установлены кольцевой герметизатор и распорное кольцо из эластичного материала. Устройство содержит систему нагнетания жидкости во внутреннюю трубу и узел вращения труб одна относительно другой. При этом раснорное кольцо выполнено из связанных между собой с номощью пружины секторов с выточками на внутренних поверхностях, образующих конусный кольцевой паз. Котцевой упор внутренней трубы выполнен в виде раструба, установленного в кольцевом пазу.Ichvssho downhole device for the formation of directed cracks according to the author's certificate of the USSR No. 1714123, class. E21C 37X) 4, publ. in BI No. 7, 92, which includes two coaxial tubes connected with each other with the possibility of longitudinal movement relative to one another, coaxial pipes with annular stops on one-sided ends. At the end of the inner pipe, under the annular stop of the outer pipe, an annular sealant and an expansion ring of elastic material are installed. The device comprises a system for pumping liquid into the inner tube and a tube rotation unit, one relative to the other. In this case, the razorny ring is made of sectors connected with each other with the help of a spring with recesses on the inner surfaces forming a conical annular groove. The kottsovy emphasis of the inner pipe is made in the form of a socket mounted in an annular groove.

Эю устройство имеет относительно сложную конструкцию., не предназначено для экспл атации при низкой отрицательной температуре (теряется требуемая эластичность кольцевого герметизатора), разрушение с eix) помощью горньгх пород возможно лишь при наличии инициирующей щели (3 зацепления за шшциирующую щель устройство под действием высокого давления жидкости вьщавливается из скважины). СовокупностьThis device has a relatively complex structure. It is not intended for operation at low negative temperatures (the required elasticity of the ring sealant is lost), destruction with eix) using rock formations is possible only if there is an initiating gap (3 hooks to the splinting device under high liquid pressure extruded from the well). Totality

МПК6: Е21С37Х)4 MPK6: E21S37X) 4

отмеченных недостатжов обусловливает сравнительно низкую эффективность работы устройства.These shortcomings leads to a relatively low efficiency of the device.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является скважинное устройство для образования направленных трещин но патенту РФ № 1806265, кл. Е 21 С 37Х)4, опубл. в БИ № 12, 93 г., включающее две коаксиашло установленные трубы, связанные между собой посредством резьбового соединения, на торцах которых выполнены конические упоры с вершинами, обращенными друг к другу, и узел вращения труб. Между упорами размещена герметизирующая втулка, которая выполнена из монолитного материала, переходящего под действием внещней нафузки в сыпучее состояние. Во внутренней трубе находится порщень, контактирующий с винтом.The closest in technical essence and the achieved result is a downhole device for the formation of directed cracks but RF patent No. 1806265, class. E 21 C 37X) 4, publ. in BI No. 12, 93, which includes two coaxial mounted pipes connected to each other by means of a threaded connection, at the ends of which there are conical stops with vertices facing each other, and a tube rotation unit. Between the stops there is a sealing sleeve, which is made of a monolithic material, which passes under the action of external external forging into a loose state. In the inner tube there is a piston in contact with the screw.

Работа этого устройства предполагает наличие инициирующей щели. Для извлечения его из скважины необходимо удалять материал герметизирующей втулки. нагнетаемого в трещину флюида при од11о| мзовой заправке ограничивается сравнительно небольщим диаметром внутренней трубы. Все это обусловливает его относительно низкую эффективность работы гфи образовании направленной трещины.The operation of this device requires the presence of an initiating gap. To extract it from the well, it is necessary to remove the material of the sealing sleeve. fluid injected into the fracture at od11o | Short refueling is limited by the relatively small diameter of the inner pipe. All this leads to its relatively low efficiency of the work of the formation of a directed crack.

Техническая задача, решаемая предполагаемым изобретением, заключается в повыщении ;к|х|)ективности работы устройства за счет возможности извлечения его из скважины без удаления материала герметизирующей втулки, образования направленной трещины без инициирующей щели, увеличения объёма нагнетаемого ф.шоида при одноразовой заправке.The technical problem solved by the proposed invention is to increase the efficiency of the device due to the possibility of removing it from the well without removing the material of the sealing sleeve, the formation of a directed crack without an initiating gap, and an increase in the volume of injected fshoid during a single refueling.

Задача рещается тем, что в скважинном устройстве для образования направленных трещин, включающем две трубы, связанные между собой посредством резьбового соединения, на односторонних торцах которых выполнены кольцевые упоры, герметизирующую втулку, выполненную из монолитного материала, переходяп1его под действием внещней нагрузки вThe problem is solved in that in the downhole device for the formation of directional cracks, including two pipes connected by a threaded connection, on one side of which there are ring stops, a sealing sleeve made of a monolithic material, which under the influence of an external load

сыпучее состояние, и винт, установленный в одной из труб, согласно прсдчагаемому техническому решению, на внутреннюю трубу между кольцевым упором и герметизирующей втулкой последовательно нанизаны тарельчатая пружина с диаметром большим, чем у скважины, и кольцо, при эюм основание тарельчатой пружины обращено к кольцевому упору внутренней трубы, а винт установлен во внешней трубе.loose state, and a screw installed in one of the pipes, according to the technical solution provided, a disk spring with a diameter larger than that of the well is sequentially strung between the ring stop and the sealing sleeve, and the ring, when the base of the disk spring is facing the ring stop the inner pipe, and the screw is installed in the outer pipe.

Использование тарельчатой пружины с диаметром большим, чем у скважины, позволяет обходиться без инициирующей щели и удаления материала герметизирующей втужи для извлечения устройства из скважины. Обусловлено это тем, что тарельчатая пружина по линии котггакта с горной породой концентрирует напряжения и, тем самым, заменяет инициирующук щель. Она также удерживает от вращения ви феннюю трубу. Поэтому внутреннюю трубу не нужно выводить за предел i скважины. Это позволяет сделать её короткой и не извлекать из скважины вместе с устройством, что и обеспечивает отсутствие необходимости удаления материала герметизирующей втулки. Кроме этого, тарельчатая пружина предотвращает выталкивание устройства из скважины под действием давления нагнетаемого флюида и ъращснис внутренней трубы в период герметизации скважины. Размещение винта во внешней трубе делает возможным увеличение объема подаваемого флюида при одноразовой заправке и, следовательно, размеров создаваемой трещины.The use of a Belleville spring with a diameter larger than that of the well allows dispensing with the initiating gap and removing the material of the sealing sleeve to remove the device from the well. This is due to the fact that the Belleville spring along the line of the cottage with the rock concentrates stresses and, thereby, replaces the initiating gap. It also keeps the fenny tube from rotating. Therefore, the inner pipe does not need to be taken outside the limit i of the well. This allows you to make it short and not to remove from the well with the device, which ensures that there is no need to remove the material of the sealing sleeve. In addition, the Belleville spring prevents the device from being pushed out of the well under the influence of the pressure of the injected fluid and the internal pipe rotation during the well sealing period. The placement of the screw in the outer pipe makes it possible to increase the volume of the supplied fluid during a one-time refueling and, consequently, the size of the created crack.

()даря кольцу тарельчатая прумтш при движении устройства по сккажине не имеет непосредствен1юго контакта с герметизирующей В1улкой. Поэтому она способна уменьшать внешний диаметр и перемещаться по скважине. Кроме этого, кольцо придавливает тарельчатую пружину к кольцевому упору внутренней трубы, затрудняя тем самым их BiaHMHoe вращение.() When giving the ring, the dish-shaped drum is not in direct contact with the sealant B1 during the movement of the device along the sidewall. Therefore, it is able to reduce the outer diameter and move along the well. In addition, the ring presses the Belleville spring against the annular stop of the inner pipe, thereby making their BiaHMHoe difficult to rotate.

Таким образом, совокупность отмеченных признаков в сравнении с выбранным прототипом позволяет существенно повысить эффективность работы устройства.Thus, the combination of the marked features in comparison with the selected prototype can significantly improve the efficiency of the device.

Целесообразно в тарельчатой пружине со стороны наибольшей окр лшости выполнить радиальные надрезы. Благодаря радиальным надрезам тарельчатая пружина легче деформируется. От этого устройство способно перемещаться в направлении забоя скважины при сравнительно небольших усилиях подачи, что также способствует повышению явности его работы.It is advisable to make radial cuts in the disk spring from the side of the greatest circumference. Thanks to the radial cuts, the Belleville spring is more easily deformed. From this, the device is able to move in the direction of the bottom of the well with a relatively small supply effort, which also helps to increase the visibility of its work.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами.The essence of the technical solution is illustrated by an example of a specific design and drawings.

Па фиг. 1 показано скважиниое устройство для образования направленных трещин в исходном состоянии, продольный разрез; на фиг. 2 то же в момент образования трещины, продольный разрез; на фиг. 3 тарельчатая пружина, вид в плане.Pa fig. 1 shows a borehole device for the formation of directed cracks in the initial state, a longitudinal section; in FIG. 2 the same at the time of crack formation, longitudinal section; in FIG. 3 Belleville spring, plan view.

Скиажинное устройство для образования направленных трещин (фиг. 1, 2) состоит из внешней трубы (корпуса) 1 с кольцевым выступом 2 на . Во внешнюю трубу I со стороны кольцевого выступа 2 ввинчена внутренняя труба 3 с кольцевым выступом 4. На внутреннюю трубу 3 её кольцевым выступом 4 и кольцевым выступом 2 внешней трубы 1 последовательно нанизаны тарельчатая пружина 5, кольцо 6 и герме изирующая втулка 7 из монолитного материала, переходящего под действием внешней нагрузки в сыпучее состояние. На противоположном кольцевому выступу 2 конце внешней трубы I установлен стакан 8, в котором выполнено центральное отверстие 9 с резьбой. В отверстие 9 ввинчен винт 10с рукояткой 11. Б стенках стакана 8 выполнены сквозные радиальные отверстия 12, в которые вставлены рукоятки 13. На торце внутренней трубы 3 со стороны кольцевого выступа 4 выполнены радиальные прорези 14. Внешняя 1 и внутренняя 3 трубы заполненыBorehole device for the formation of directed cracks (Fig. 1, 2) consists of an external pipe (body) 1 with an annular protrusion 2 on. An inner pipe 3 with an annular protrusion 4 is screwed into the outer pipe I from the side of the annular projection 2. A disk spring 5, ring 6 and the sealing sleeve 7 are made of monolithic material sequentially threaded onto the inner pipe 3 by its annular protrusion 4 and the annular protrusion 2 of the outer pipe 1. passing under the influence of an external load into a loose state. On the opposite annular protrusion 2, the end of the outer pipe I has a glass 8 in which a central hole 9 with a thread is made. A screw 10 with a handle 11 is screwed into the hole 9. Radial holes 12 are made through the walls of the glass 8, into which the handles 13 are inserted. Radial slots 14 are made at the end of the inner pipe 3 from the side of the annular projection 4. The outer 1 and inner 3 pipes are filled

пласшчньш флюидом (неньютоновской жидаостью, которая на фигурах не показана для наглядности конструкции устройства).fluid (non-Newtonian fluid, which is not shown in the figures for clarity of the design of the device).

Параметры тарельчатой пружины 5 задаются из условия возможности сС перемещения по скважине 15 в направлении забоя и создания требуемой концентрации напряжения по линии её контакта с горной породой в момент возникновения трс 1цины 16. Изготавливают её из плоской круглой шайбы с О1верстием 17 (фиг. 3) под диаметр внутренней трубы 3 путем выполнения радиальных надрезов 18с образованием лепестков 19 и сгибанием их под прессом таким образом, чтобы лепестки 19 нахлестывались друг на друга.The parameters of the Belleville spring 5 are set based on the condition that the SS can be moved along the borehole 15 in the direction of the bottomhole and create the required stress concentration along the line of its contact with the rock at the moment of emergence of the sheath 1cina 16. It is made of a flat round washer with O1 hole 17 (Fig. 3) the diameter of the inner pipe 3 by making radial cuts 18 with the formation of the petals 19 and bending them under a press so that the petals 19 overlap each other.

Герметизирующую втулку 7 изготавливают в специальной форме из смеси песка и связующего его вещества. При навинчивании внешней трубы 1 на внутреннюю трубу 3 под давлением кольцевого выстзпа 2 и кольца 6, а затем и тарельчатой пружины 5 герметизирующая втулка 7 рассыпается на составляющие её частицы. Частицы песка, обладая высокой прочностью, внедряются в стенки скважины 15, а частиды связующего песок вещества заполняют пространство между частицами песка. В результате между внутренней трубой 3 и стенками скважи1да 15 образуется кольцевая пробка, которая с одной стороны вместе с тарельчатой пружиной 5 надёжно удерживает устройство от продольного перемещения, ибо имеет сильное сцепление с горной породой, а с другой - не пропускает флюид, так как пространство между частицами песка забито непроницаемым веществом.The sealing sleeve 7 is made in a special form from a mixture of sand and its binder. When screwing the outer pipe 1 onto the inner pipe 3 under the pressure of the annular protrusion 2 and the ring 6, and then the cup spring 5, the sealing sleeve 7 is scattered into its constituent particles. Particles of sand, having high strength, are embedded in the walls of the borehole 15, and particles of a binder of sand substance fill the space between the particles of sand. As a result, an annular plug is formed between the inner pipe 3 and the walls of well 15, which, on the one hand, together with the Belleville spring 5 reliably keeps the device from longitudinal movement, because it has strong adhesion to the rock, and on the other, it does not pass fluid, since the space between particles of sand clogged with an impenetrable substance.

я применения устройства предусматривают использование специпдьного флюида, обладающего больишм сопротивлением движению по трещине 16. Связано это с тем, что создаваемая трещина 16 на определённой стадии отделения горной массы от массива выходит на свободную поверхгюсть. Если использовать жидкость, то она через вьтходящую на поверхность трещшту 16 будет свободно вытекать наружу. От этого давление в жидкости резко снизится и процесс разрыва горной породы прекратится. Нуж1ю создать такие условия, чтобы возникал эффект The applications of the device involve the use of a special fluid that has a great resistance to movement along the crack 16. This is due to the fact that the created crack 16 at a certain stage of separation of the rock mass from the massif reaches the free surface. If liquid is used, then it will freely flow out through the crack 16 entering the surface. From this, the pressure in the liquid will sharply decrease and the process of rock fracture will stop. It is necessary to create such conditions so that an effect occurs

внедряющегося клина, когда, несмотря на наличие впереди свободного пространства, новерхности трещины 16 при подаче в неё флюида раздвигались. Эти условия обеспечиваются применением пластичных масс, в частности, пластилина. Пластичные массы типа оласти1шна, как показали эксперименты, не продавливаются через винтовую пару при давлении, д(х;таточном для разрущения горной породы любой прочности. Поэтому в трубе 1 устанавливать поршень нет необходимости, что существенно упрощает изготовление устройства.penetrating wedge, when, despite the presence of free space in front, the surfaces of the crack 16, when the fluid was fed into it, moved apart. These conditions are ensured by the use of plastic masses, in particular plasticine. As shown by experiments, plastic masses of the type olivation are not forced through a screw pair at a pressure d (x; sufficient to crush the rock of any strength. Therefore, there is no need to install a piston in pipe 1, which greatly simplifies the manufacture of the device.

Работа устройства осуществляется следующим образом.The operation of the device is as follows.

Устройство со стороны кольцевого выступа 4 внутренней трубы 3 подают в скважину 15 до упора в забой. До подачи устройства в скважину 15 диаметр тарельчатой пружины 5 больще, чем у скважины 15. Поэтому в скважине 15 тарельчатая пружина 5, находясь в сжатом состоянии, упирается в е€ стенки и не позволяет вн туюнней трубе 3 соверщать в тщательное движение. Используя рукоятки 13, вращают внещнюю трубу 1 и, тем самым, навинчивают её на внутреннюю трубу 3. При этом кот1ьцевые выступы 2 и 4 сблияшются, от чего герметизирзтощая втулка 7 раз;и1 вливается и материал, из которого она выполнена, переходит из монолитного в сыпучее состояние. Сыпучий материал герметизирует скважину 15 и давит на тарельчатую пружину 5, которая это давление усиливает и передаёт горной породе в радиальном направлении. В рсз) пространство между забоем скважины 15 и герметизирующей втллкой 7 оказывается герметизированным, а по линии контакта тарельчатой пружины 5 со стенками скважинь 15 концентрируются напряжения. Затем вращением рукоятки 11 ввинчивают винт 10 во внешнюю трубу 1. Винт 10 вытесняет пластичный флюид из устройства через радиальные прорези 14 в герметизированное пространство скважины 15 и создаёт в нем давление, Давление флюида передаётся тарельчатой пружине 5, которая с ещё больщим усилием стремится внедриться в горнуюThe device from the side of the annular protrusion 4 of the inner pipe 3 is fed into the well 15 until it stops in the face. Before the device is fed into the well 15, the diameter of the belleville spring 5 is larger than that of the well 15. Therefore, in the well 15, the belleville spring 5, being in a compressed state, abuts against its walls and does not allow the inlaid pipe 3 to be carefully moved. Using the handles 13, the external pipe 1 is rotated and, thereby, screwed onto the internal pipe 3. At this, the protrusions 2 and 4 come together, from which the hermetically sealed sleeve 7 times; and1 flows in and the material from which it is made passes from monolithic to loose condition. Bulk material seals the well 15 and presses on a Belleville spring 5, which strengthens this pressure and transfers the rock in a radial direction. In RSZ) the space between the bottom of the well 15 and the sealing sleeve 7 is sealed, and stresses are concentrated along the contact line of the spring disk 5 with the walls of the wells 15. Then, by turning the handle 11, screw 10 is screwed into the outer pipe 1. Screw 10 displaces the plastic fluid from the device through the radial slots 14 into the sealed space of the well 15 and creates pressure in it. The fluid pressure is transmitted to the disk spring 5, which tends to penetrate the mountain spring with even greater effort

породу. Когда напряжение по линии контакта тарельчатой пружины 5 со сченкой скважины 15 достигает предела прочности горной породы, образуется трещина 16. В трещину 16 поступает флюид и развивает её. Рост трещины 16 продолжается до тех пор, пока в неё нагнетают флюид. Создав трещину 16 нужных размеров, прекрапщют вращение винта 10. С помощью рукояток 13 свинчивают внешнюю трубу 1 с внутренней трубы 3 и извлекают её из скважины 15. Затем внешнюю трубу 1 заполняют новой гюрцией пластичного флюида, а в торец со стороны кольцевого выступа 2 ввинчивают собранный на специализированном участке другой узел из в|гутренней трубы 3, тарельчатой пружины 5, кольца 6 и герметизирующей втулки 7. После этого устройство подают в следующую скважину 15 для образования ещё одной трещины 16.the breed. When the stress along the contact line of the Belleville spring 5 with the section of the well 15 reaches the rock strength, a crack 16 is formed. A fluid 16 enters the crack 16 and develops it. Fracture 16 continues to grow until fluid is injected into it. Having created a crack 16 of the required size, the rotation of the screw 10 is stopped. Using the handles 13, the outer pipe 1 is screwed from the inner pipe 3 and removed from the well 15. Then, the outer pipe 1 is filled with a new gurtium of plastic fluid, and the assembled screw is screwed into the end face from the ring ledge 2 in a specialized area, another node from the inner pipe 3, the Belleville spring 5, the ring 6 and the sealing sleeve 7. After that, the device is fed into the next well 15 to form another crack 16.

Оставшуюся в скважине 15 внутреннюю трубу 3 вместе с тарельчатой пружиной 5 и кольцом 6 после отделения блока горной породы от массива выбивают в сторону свободной поверхности Извлечённые и пригодные для использования детали отправляют на специализированный участок, где из If их собирают узль для образования очередньге трещин. Стоимость изготовления внутренней трубы 3, тарельчатой пружины 5 и кольца 6 в расходах по созданию трещины 16 несугцественна. Поэтому в ряде случаев, например, на объекте, где отсутствует специализированггый участок, извлеченные детали вторитео не используют. Возможность быстрой смены О1дсл1. узлов в ус1ройстве и, тем самым, обеспечения малых перерывов в технологическом цикле по сравнению с известными рещениями образования трещин поперек скважины не только повышает производительность, но и снижает себестоимость готовой продукции.The inner pipe 3 remaining in the borehole 15 together with the Belleville spring 5 and ring 6 is knocked out towards the free surface after the rock block is separated from the massif. The parts that have been extracted and suitable for use are sent to a specialized section, where an assembly is made from If to form another crack. The cost of manufacturing the inner tube 3, the Belleville spring 5 and the ring 6 in the cost of creating a crack 16 is not ordinary. Therefore, in a number of cases, for example, at an object where there is no specialized area, the extracted parts are not reused. Possibility of quick change O1dsl1. nodes in the device and, thereby, ensuring small breaks in the technological cycle in comparison with the known solutions of crack formation across the well not only increases productivity, but also reduces the cost of finished products.

Устройство можно использовать при добыче кристаллического сырья, блочного камня; строительстве туннелей и дорог в гористой местности; разборке старых сооружений и завалов; раскальгеагдаи негабаритов. Оно не 1ребует дополнительных механизмов и простотой эксплуатации, эффеетивностью источников энергии, отличается и надёжностью в работе.The device can be used in the extraction of crystalline raw materials, block stone; the construction of tunnels and roads in mountainous terrain; dismantling of old structures and rubble; raskalgeagdai oversized. It does not require additional mechanisms and ease of operation, the efficiency of energy sources, and is distinguished by its reliability.

Claims

1. A downhole device for the formation of directional cracks, including two pipes interconnected by means of a threaded joint, on one side of which there are ring stops, a sealing sleeve made of a monolithic material, which under the influence of an external load becomes loose, and a screw installed in one of the pipes, characterized in that a disk spring with a diameter larger than that of the well is sequentially strung on the inner pipe between the annular stop and the sealing sleeve; ring, while the base of the cup spring is facing the annular stop of the inner pipe, and the screw is installed in the outer pipe.

2. The device according to claim 1, characterized in that radial cuts are made in the cup spring from the side of the largest circumference.