RU2081314C1 - Устройство для образования направленных трещин в скважинах - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для образования трещин в скважинах с целью дегазации угольных и соляных пластов, отделения блоков от массивов, добычи ценного кристаллического сырья и строительного камня. Оно позволяет повысить эффективность образования трещин путем одновременного воздействия на горную породу клиньями и гидростатическим давлением. Для этого в корпус с кольцевым коническим выступом, центральным каналом подвода и радиальными отверстиями для выхода рабочей жидкости, отверстием для подачи рабочей жидкости и отверстием на торце ввинчена переходная втулка, к которой прикреплена камера с эллиптическим поперечным сечением и из материала с эффектом памяти формы. На поверхности камеры в плоскости большой оси ее поперечного сечения закреплены клинья. К камере подсоединена трубка, которая пропущена через полость корпуса вдоль его оси и подвешена к штуцеру, ввинченному в отверстие. На корпус насажена эластичная трубка, прижатая с одного конца к корпусу втулкой с внутренней конической поверхностью посредством гайки и другим концом прилегающая к кольцевому коническому выступу. Устройство снабжено штуцером с прокладкой. Устройство устанавливают в скважине на требуемой глубине и с заданной ориентацией. Через штуцер подают высоковязкую рабочую жидкость, в результате чего образуется направленная трещина. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для образования трещин в скважинах с целью дегазации угольных и соляных пластов, отделения блоков от массивов, добычи ценного кристаллического сырья и строительного камня.

Известно устройство для образования направленных трещин в скважинах, включающее цилиндрический корпус со щелями, в которых расположены распирающие пластины с твердосплавными сегментами, взаимодействующие через упругие металлические полосы с эластичным баллоном, снабженным штуцером и помещенным в полости корпуса (а.с. СССР N 901522, кл. E 21 C 37/02).

Это устройство не позволяет герметизировать скважину и подавать в нее жидкость для разрыва горной породы, что существенно ограничивает размеры формируемой трещины.

В качестве прототипа принято "Устройство для образования направленных трещин в скважинах", включающее полый цилиндрический корпус с торцевым каналом подвода и радиальными отверстиями для выхода рабочей жидкости и с кольцевым коническим выступом со стороны торцевого канала подвода рабочей жидкости, кольцевой герметизатор, примыкающий к кольцевому коническому выступу, запорный клапан на свободном конце, эластичный рукав, установленный соосно корпусу между герметизатором и запорным клапаном, накладки, прижатые к эластичному рукаву упругими кольцами и снабженные рабочими органами в виде клиньев, при этом клапан связан с накладками зацепами с возможностью расцепления при раздвижении последних (а.с. СССР N 1222837, кл. E 21 C 37/06).

Это устройство имеет сравнительно сложную конструкцию и не позволяет подавать жидкость в зону формирования трещины до внедрения клиньев в стенки скважины, что существенно затрудняет образование направленных трещин в крепких горных породах (гранит, сиенит, диабаз).

Техническая задача, решаемая в изобретении, заключается в повышении эффективности образования трещин путем одновременного воздействия на горную породу клиньями и гидростатическим давлением.

Задача решается тем, что на конце устройства, противоположном каналу подвода рабочей жидкости, установлена камера с эллиптическим поперечным сечением, к которой подсоединена трубка, при этом клинья закреплены на наружной поверхности камеры в плоскости большой оси ее поперечного сечения, а трубка пропущена через полость коппуса вдоль его оси.

За счет камеры с эллиптическим поперечным сечением и клиньями на ее наружной поверхности удается при подаче в скважину жидкости под давлением в горной породе создавать такое напряжение состояние, когда максимальные сжимающие силы действуют по линии контакта вершин клиньев со стенками скважины, а максимальные растягивающие силы перпендикулярны плоскости большой оси поперечного сечения камеры. При этом в камере благодаря подсоединенной к ней трубке можно создавать требуемое давление, что позволяет исключить возможность ее механического повреждения от высокого внешнего давления жидкости, подаваемой в скважину для разрыва горной породы. Камеру с клиньями на наружной поверхности целесообразно использовать также в качестве якоря, который удерживает устройство от выталкивания из скважины давлением рабочей жидкости.

Благодаря применению высоковязкой рабочей жидкости удается повысить надежность и одновременно упростить конструкцию герметизатора, например, выполнить его в виде соосной корпусу трубки, один конец которой со стороны канала подвода рабочей жидкости прижат к поверхности корпуса накидной гайкой с внутренней конической поверхностью, а другой конец прилегает к кольцевому коническому выступу.

Камеру желательно выполнять из материала с эффектом памяти, что позволяет, во-первых, поддавливать клинья к горной породе до нагнетания в скважину рабочей жидкости (изменением температуры) и тем самым якорить устройство, во-вторых, благодаря способности отмеченного материала выдерживать большое число циклов изменения формы, повысить долговечность и надежность работы устройства, особенно для условий существенных различий (разбросов) диаметров скважин.

Для того чтобы устройство можно было подавать с усилием в скважину при условии, когда расстояние между вершинами клиньев в исходном состоянии больше диаметра скважины, клинья в сторону свободного конца следует выполнять скошенными.

На фиг. 1 показано устройство для образования направленных трещин в скважинах, продольный разрез; на фиг. 2 разрез А-А; на фиг. 3 поперечный разрез устройства в период формирования трещины.

Устройство состоит из корпуса 1 с кольцевым коническим выступом 2, центральным каналом 3 подвода и радиальными отверстиями 4 для вывода рабочей жидкости, отверстиями 5 для подачи рабочей жидкости и отверстием 6 на торце. В корпус 1 ввинчена переходная втулка 7, к которой прикреплена камера 8 с эллиптическим поперечным сечением и из материала с эффектом памяти формы. На поверхности камеры 8 в плоскости большой оси ее поперечного сечения закреплены клинья 9. К камере 8 для подачи в нее жидкости подсоединена трубка 10, которая пропущена через полость корпуса 1 вдоль его оси и подведена к штуцеру 11, ввинченному в отверстие 6. Для герметизации скважины 12 на период формирования трещины 13 на корпус 1 насажена эластичная трубка 14, прижата с одного торца к корпусу 1 втулкой 15 с внутренней конической поверхностью посредством гайки 16, а другим концом прилегающая к кольцевому коническому выступу 2. Для подсоединения устройства к системе нагнетания рабочей жидкости оно снабжено втулкой 17 с прокладкой 18.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

В исходном состоянии расстояние между вершинами противоположных клиньев 9 больше диаметра скважины 12. При этом подача устройства в скважину 12 в зависимости от ее длины и свойств горных пород осуществляют одним из трех вариантов. В первом варианте устройство подают в скважину 12 с усилием. В этом случае расстояние между вершинами противоположных клиньев 9 благодаря их скосам в сторону перемещения и упругости камеры 8 при входе устройства в скважину 12 становится и затем остается равным диаметру последней. Во втором варианте через трубку 10 подают жидкость под давлением в камеру 8 до тех пор, пока большая ось ее поперечного сечения не уменьшится на величину, при которой расстояние между вершинами противоположных клиньев 9 становится меньше диаметра скважины 12. В третьем варианте в камеру 8 подают с температурой большей, чем температура мартенситного превращения в материале, из которого она выполнена. Камера 8 термоциклирована таким образом, что при температуре выше температуры мартенситного превращения большая ось ее поперечного сечения уменьшается на величину, достаточную для беспрепятственного прохождения устройства по скважине 12. Первый вариант применяют для крепких горных пород, в которые клинья 9 в период перемещения по скважине практически не внедряются, и при наличии средств подачи устройства с усилием. Второй вариант используют при наличии высоконапорных шлангов и насоса, а также необходимости подачи устройства на значительную глубину (3-4 м). Третий вариант имеет предпочтение перед вторым в том случае, если имеет возможность подавать в камеру 8 горячую жидкость и поддерживать ее температуру до установки устройства в нужном месте скважины 12 и с требуемой ориентацией клиньев 9. Если подачу устройства производят по второму варианту, то после ее установки в скважине 12 давление жидкости в камере 8 сбрасывают, отчего клинья 9 придавливаются (за счет упругости материала камеры) к горной породе. После выполнения операций по установке устройства через штуцер 17 подают высоковязкую рабочую жидкость с температурой существенно меньшей, чем температура мартенситного превращения в материале камеры 8. Благодаря большой вязкости рабочей жидкости в направлении ее течения возникает высокий градиент давления. Поэтому в период нагнетания рабочей жидкости ее давление, передаваемое через эластичную трубку 14 на горную породу, на уровне радиальных отверстий 4 выше, чем на уровне кольцевого конического выступа 2 или камеры 8. Последнее обстоятельство обеспечивает надежную герметизацию скважины, ибо жидкость не в состоянии течь в направлении большего давления. Кольцевой конический выступ 2 создает дополнительное сопротивление вытеканию рабочей жидкости из зазора между корпусом 1 и эластичной трубкой 14, способствуя тем самым более плотному прижатию последней к стенке скважины 12. Заполнив зону, ограниченную герметизатором (трубкой 14) и забоем скважины 12, рабочая жидкость воздействует одновременно и на горную породу и на наружную поверхность камеры 8. Под действием внешнего давления камера 8 стремится уменьшить свой объем в основном за счет уменьшения площади поперечного сечения, причем путем уменьшения малой и увеличения большой осей. При этом клинья 9 сильнее придавливаются к горной породе и, пытаясь в нее внедриться (иногда внедряются, образуя начальную трещину), повышают по линии их контакта со стенкой скважины 12 концентрацию напряжения. В результате в горной породе создается такое напряженное состояние, когда максимальные сжимающие силы действуют по линии контакта вершин клиньев со стенками скважины, а максимальные растягивающие силы перпендикулярны плоскости большой оси поперечного сечения камеры. Поэтому с дальнейшим повышением давления рабочей жидкости в плоскости расположения клиньев 9 происходит разрыв горной породы с образованием трещины 13. Таким образом, подачей высоковязкой рабочей жидкости совмещают операции герметизации скважины, внедрения (придавливание) клиньев 9 в горную породу, формирования трещины 13. Причем необходимые усилия прижатия герметизатора и клиньев 9 к стенке скважины благодаря их зависимости от давления рабочей жидкости обеспечиваются автоматически. Когда трещина 13 достигает требуемых размеров, подачу рабочей жидкости прекращают. Если устройство применяют для разрыва весьма прочных горных пород, когда требуется давление рабочей жидкости, превышающее допустимую нагрузку на камеру 8, то в последнюю через трубку 10 подают жидкость под соответствующим давлением, исключающим возможность ее механического повреждения. Устройство предлагается использовать для отделения блоков камня от массива и раскалывания их на отдельные части. При этом поверхности трещины 13 в конце ее формирования расходятся, что позволяет свободно извлекать устройство из скважины 12. Для придания герметизатору исходного диаметра его после извлечения устройства из скважины 12 пропускают через специальные валики, выдавливая тем самым из зазора между корпусом 1 и эластичной трубкой 14 оставшуюся после формирования трещины жидкость.

Отметим, что камера 8 с клиньями 9 выполняет также роль якоря, предотвращающего выталкивание устройства из скважины под действием давления рабочей жидкости.

Очевидно, что если расстояние между вершинами противоположных клиньев 9 в исходном состоянии не превышает диаметра скважины 12, то установка устройства в рабочее положение существенно упрощается и сводится к его подаче в скважину на требуемую глубину без нагнетания в камеру 8 жидкости (под давлением или с соответствующей температурой). Такую установку устройства выполняют в скважинах с ровными стенками, с незначительным разбросом по диаметру (пробуренных станком с алмазной коронкой) и для нетрещиноватых горных пород (монолитных гранитов, диабазов). В других случаях желательно осуществлять предварительное поджатие клиньев 9 к горной породе до подачи в скважину 12 рабочей жидкости. Обусловлено это возможностью, во-первых, создания по заданной линии более высокой концентрации напряжения, снижающей давление жидкости, необходимое для разрыва горной породы; во-вторых, в непрочных породах со значительной трещиноватостью (ракушечник) образования исходной трещины путем внедрения в нее клиньев 9, повышая тем самым вероятность разрыва в заданной плоскости; в-третьих, использования одного и того же устройства для формирования трещин в скважинах со значительным разбросом по диаметру; в-четвертых, более сильного зацепления за горную породу, снижая при этом вероятность выброса устройства из скважины под действием давления рабочей жидкости.

Максимальная эффективность образования трещин с помощью предлагаемого устройства достигается при полном использовании его существенных отличий. Вместе с тем в нем содержатся два элемента, а именно герметизатор и камера 8 с клиньями 9, которые могут быть использованы по своему назначению и в составе других устройств или способов. Например, камеру 8 с клиньями 9 можно подать в скважину, в которой находится еще не отвердевшее НРС (невзрывчатое разрушающее средство). В этом случае при расширении НРС образуется трещина в плоскости расположения клиньев 9. Предложенный герметизатор может быть применен практически во всех устройствах, предназначенных для разрыва горных пород флюидами (жидкостями), обладающими большой вязкостью, например, пластилином.

Камера 8 выполнена из материала с эффектом памяти главным образом для того, чтобы благодаря способности отмеченного материала выдерживать большое число циклов изменение формы, повысить долговечность и надежность устройства, особенно для условия существенных различий (разбросов) диаметров скважин.

Отметим, что камера 8 с клиньями 9 может быть расположена и поперек скважины 12. При этом она будет иметь дискообразную форму.

Claims (4)

1. Устройство для образования направленных трещин в скважинах, включающее полый цилиндрический корпус с кольцевым коническим выступом, центральным каналом подвода и радиальными отверстиями для выхода рабочей жидкости, кольцевой герметизатор, установленный на корпусе, рабочие органы в виде клиньев на наружной поверхности, отличающееся тем, что на его конце, противоположном каналу подвода рабочей жидкости, установлена камера с эллиптическим поперечным сечением, к которой подсоединена трубка, при этом клинья закреплены на наружной поверхности камеры в плоскости большой оси ее поперечного сечения, а трубка пропущена через полость корпуса вдоль его оси.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что герметизатор выполнен в виде соосной с корпусом трубки, один конец которой со стороны канала подвода рабочей жидкости прижат к поверхности корпуса накидной гайкой с внутренней конической поверхностью, а другой конец прилегает к кольцевому коническому выступу.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что камера выполнена из материала с эффектом памяти формы.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что клинья в сторону свободного конца выполнены скошенными.

Images