RU2167295C1

RU2167295C1 - Downhole device for formation of directed fractures

Info

Publication number: RU2167295C1
Application number: RU2000105565A
Authority: RU
Inventors: Н.Г. Кю; А.М. Фрейдин; О.И. Чернов
Original assignee: Институт горного дела-Научно-исследовательское учреждение СО РАН
Priority date: 2000-03-06
Filing date: 2000-03-06
Publication date: 2001-05-20

Abstract

FIELD: mining. SUBSTANCE: device may be used for formation of fractures in boreholes for separation of blocks from rock mass, cutting of valuable crystalline raw materials and building stone. Downhole device includes tube, sealing bushing fitted on tube end, unit for rotation of tube relative to sealing bushing, rod accommodated in tube for longitudinal motion, vibrator attached to rod end, pipe union for forcing working fluid into tube. Tube end on side of sealing bushing has conical thread, and tube other end has fitted-on sleeve with central hole in bottom. Rod is passed through tube and central hole in sleeve bottom and has circular stop abut sleeve bottom from inside and circular protrusion on end free of vibrator. Helical groove is made over entire length of circular protrusion side surface. Sealing bushing is made of elastoplastic material. Pipe union for forcing of working fluid is installed on tube between circular stop and rod circular protrusion. EFFECT: higher reliability of device due to its simplified design. 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к горному делу и может быть использовано для образования трещин в скважинах с целью отделения блоков от массивов, добычи ценного кристаллического сырья и строительного камня. The present invention relates to mining and can be used for the formation of cracks in the wells in order to separate the blocks from the massifs, the extraction of valuable crystalline raw materials and building stone.

Известно устройство для образования направленных трещин в скважинах по авторскому свидетельству СССР N 1222837, кл. E 21 C 37/06, E 21 B 43/25, опубл. в БИ N 13, 1986 г. Оно включает полый цилиндрический корпус с торцевым каналом подвода рабочей жидкости; соосный корпусу эластичный рукав с накладками с рабочими органами в виде клиньев на наружной поверхности; обжимные кольца, связывающие накладки между собой и с эластичным рукавом; кольцевой герметизатор, установленный на корпусе со стороны канала подвода рабочей жидкости, запорный клапан, установленный на противоположной стороне корпуса с возможностью продольного перемещения, и фиксатор положения клапана. Эластичный рукав установлен на корпусе между кольцевым герметизатором и запорным клапаном и жестко связан с ним своими торцами. В стенках корпуса выполнены отверстия, сообщающие его полость с пространством под эластичным рукавом и запорным клапаном. Фиксатор положения клапана выполнен в виде зацепов, связанных с накладками жестко, а с клапаном - с возможностью расцепления при раздвигании накладок. A device for the formation of directed cracks in wells according to the author's certificate of the USSR N 1222837, class. E 21 C 37/06, E 21 B 43/25, publ. in BI N 13, 1986. It includes a hollow cylindrical body with an end channel for supplying a working fluid; an elastic sleeve coaxial to the body with overlays with working bodies in the form of wedges on the outer surface; crimp rings connecting the pads between themselves and with an elastic sleeve; an annular sealant mounted on the housing from the side of the fluid supply channel, a shut-off valve mounted on the opposite side of the housing with the possibility of longitudinal movement, and a valve position lock. An elastic sleeve is mounted on the housing between the annular sealant and the shutoff valve and is rigidly connected to it by its ends. Holes are made in the walls of the body, communicating its cavity with a space under the elastic sleeve and a shutoff valve. The valve position lock is made in the form of hooks connected rigidly to the plates, and with the valve, with the possibility of disengagement when the plates are spread apart.

Это устройство имеет относительно сложную конструкцию, не предназначено для образования трещины непосредственно у забоя скважины. На ориентацию трещины оказывает влияние находящийся под высоким давлением жидкости сравнительно большой участок скважины между ее забоем и герметизатором. До внедрения в горную породу клиньев подача жидкости в герметизируемое пространство не представляется возможной. Совокупность отмеченных недостатков обуславливает сравнительно узкую область применения, низкую эффективность и надежность работы устройства. This device has a relatively complex structure, not intended to form a crack directly at the bottom of the well. The orientation of the fracture is influenced by a relatively large portion of the well under high fluid pressure between its bottom and the sealant. Before wedges are introduced into the rock, it is not possible to supply fluid to the space to be sealed. The totality of these shortcomings leads to a relatively narrow scope, low efficiency and reliability of the device.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является скважинное устройство для образования направленных трещин по патенту СССР N 1806266, кл. E 21 C 37/04, опубл. в БИ N 12 за 1993 г., включающее коаксиальные наружную и внутреннюю трубы, связанные между собой посредством резьбового соединения и выполненные с кольцевыми упорами на торцах, герметизирующую втулку, установленную между кольцевыми упорами, узел вращения труб относительно друг друга, шток, размещенный во внутренней трубе с возможностью продольного перемещения, вибратор, обратный клапан, штуцер для нагнетания жидкости во внутреннюю трубу и шпонки. При этом шток выполнен со сквозным осевым каналом, обратный клапан установлен в канале штока со стороны герметизирующей втулки, вибратор закреплен на свободном торце штока, внутренняя труба выполнена с продольными прорезями на боковой поверхности, а шпонки закреплены на боковой поверхности штока и установлены в прорезях. The closest in technical essence and the achieved result is a downhole device for the formation of directed cracks according to USSR patent N 1806266, class. E 21 C 37/04, publ. in BI N 12 for 1993, including coaxial outer and inner pipes connected by a threaded connection and made with ring stops at the ends, a sealing sleeve installed between the ring stops, a tube rotation unit relative to each other, a rod located in the inner pipe with the possibility of longitudinal movement, vibrator, check valve, fitting for pumping fluid into the inner pipe and keys. In this case, the rod is made with a through axial channel, the check valve is installed in the rod channel from the side of the sealing sleeve, the vibrator is mounted on the free end of the rod, the inner pipe is made with longitudinal slots on the side surface, and the dowels are fixed on the side surface of the rod and installed in the slots.

Это устройство имеет сравнительно сложную конструкцию. Ударная нагрузка через шток и штуцер передается шлангу, который подсоединяют к устройству для подачи рабочей жидкости. Все это обуславливает относительно низкую надежность устройства. This device has a relatively complex structure. The shock load is transmitted through the rod and the nozzle to the hose, which is connected to the device for supplying the working fluid. All this leads to a relatively low reliability of the device.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении надежности устройства путем упрощения его конструкции. The technical problem solved by the invention is to increase the reliability of the device by simplifying its design.

Задача решается тем, что в скважинном устройстве для образования направленных трещин, включающем трубу, герметизирующую втулку, надетую на конец трубы, узел вращения трубы относительно герметизирующей втулки шток, размещенный в трубе с возможностью продольно перемещения, вибратор, закрепленный на конце штока, штуцер для нагнетания рабочей жидкости в трубу, согласно предлагаемому техническому решению, на конце трубы со стороны герметизирующей втулки выполнена коническая резьба, а на другой ее конце надет стакан с центральным отверстием в дне, через трубу и центральное отверстие в дне стакана пропущен шток, выполненный с кольцевым упором в дно стакана изнутри и кольцевым выступом на свободном от вибратора конце, при этом по всей длине боковой поверхности кольцевого выступа выполнена винтовая канавка, герметизирующая втулка выполнена из упругопластичного материала, а штуцер для нагнетания рабочей жидкости установлен на трубе между кольцевым упором и кольцевым выступом штока. The problem is solved in that in the downhole device for the formation of directed cracks, including a pipe, a sealing sleeve, worn on the end of the pipe, a tube rotation unit relative to the sealing sleeve, a rod placed in the pipe with the possibility of longitudinal movement, a vibrator mounted on the end of the rod, a discharge fitting the working fluid into the pipe, according to the proposed technical solution, a tapered thread is made at the end of the pipe from the side of the sealing sleeve, and a glass with a central hole is put on its other end in the bottom, through the pipe and the central hole in the bottom of the glass, a rod is made, made with an annular stop in the bottom of the glass from the inside and with an annular protrusion at the end free from the vibrator, while a helical groove is made along the entire length of the side surface of the annular protrusion, the sealing sleeve is made of an elastoplastic material and the fitting for pumping the working fluid is installed on the pipe between the annular stop and the annular protrusion of the rod.

По сравнению с прототипом в предлагаемом техническом решении за счет взаимодействия конической резьбы на конце трубы и втулки из упругопластичного материала удается осуществлять герметизацию скважины без дополнительной внутренней трубы, узла вращения труб относительно друг друга и шпонок на боковой поверхности штока, что существенно упрощает конструкцию устройства. Кроме этого, выполнение конической резьбы на конце трубы позволяет путем ее ввинчивания в герметизирующую втулку из упругопластичного материала более простыми действиями герметизировать скважину и после образования трещины не требует специальных мер по устранению герметизирующего материала с целью извлечения устройства из скважины. Compared with the prototype in the proposed technical solution, due to the interaction of the tapered thread at the end of the pipe and the sleeve of an elastoplastic material, it is possible to seal the well without an additional internal pipe, a pipe rotation unit relative to each other and dowels on the side surface of the rod, which greatly simplifies the design of the device. In addition, the implementation of a tapered thread at the end of the pipe allows screwing the well into the sealing sleeve of an elastoplastic material by simpler steps and after cracking does not require special measures to eliminate the sealing material in order to remove the device from the well.

Кольцевой упор и кольцевой выступ штока обеспечивают его центровку и зазор между штоком и трубой. Это позволяет выполнять шток без сквозного осевого канала, а шланг и штуцер для нагнетания рабочей жидкости подсоединять к трубе, которая не подвержена ударным нагрузкам, что повышает надежность работы устройства. An annular stop and an annular protrusion of the rod provide its alignment and the gap between the rod and the pipe. This allows the rod to be made without a through axial channel, and to connect the hose and nozzle for pumping the working fluid to a pipe that is not subject to shock loads, which increases the reliability of the device.

Винтовая канавка на боковой поверхности кольцевого выступа штока, обеспечивающая практически беспрепятственное протекание в герметизированный участок скважины рабочей жидкости, нагнетаемой в статическом режиме, оказывает существенное сопротивление прохождению гидравлических импульсов, что позволяет обходиться без запорного клапана. The helical groove on the lateral surface of the annular protrusion of the rod, which ensures almost unhindered flow of the working fluid injected in the static mode into the sealed section of the well, provides significant resistance to the passage of hydraulic pulses, which allows you to do without a shutoff valve.

Таким образом, совокупность указанных признаков в сравнении с выбранным прототипом позволяет существенно упростить конструкцию устройства и, следовательно, повысить его надежность. Thus, the combination of these features in comparison with the selected prototype can significantly simplify the design of the device and, therefore, increase its reliability.

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

На чертеже показано скважинное устройство для образования направленных трещин, продольный разрез. The drawing shows a downhole device for the formation of directed cracks, a longitudinal section.

Скважинное устройство для образования направленных трещин (см. чертеж) представляет собой трубу 1 (полый цилиндрический корпус) с конической резьбой 2 на конце. На другом конце трубы 1 надет стакан 3 с центральным отверстием в дне. Стакан 3 связан с трубой 1 резьбовым соединением. В трубу 1 вставлен шток 4 с кольцевым упором 5 в дно стакана 3 изнутри и кольцевым выступом 6 на свободном от вибратора конце. По всей длине боковой поверхности кольцевого выступа 6 штока 4 выполнена винтовая канавка 7. На конце штока 4 установлен вибратор 8. Труба 1 через коническую резьбу 2 связана с герметизирующей втулкой 9 из упругопластичного материала. Для ввинчивания трубы 1 в герметизирующую втулку 9 в боковой поверхности стакана 3 выполнены радиальные отверстия с резьбой, в которые ввинчены рукоятки 10. Чтобы при вывинчивании трубы 1 из герметизирующей втулки 9 исключить возможность скручивания с нее стакана 3, в трубе 1 выполнены углубления (поз. не обозначены), в которые заходят концы рукояток 10. На трубе 1 установлен штуцер 11 для нагнетания рабочей жидкости, к которому подсоединяют шланг. На боковой поверхности центрального отверстия в дне стакана 3 сделан кольцевой паз, в который вставлено уплотнительное кольцо 12. Между трубой 1 и дном стакана 3 изнутри установлена уплотнительная шайба 13. Устройство установлено в скважине 14, через которую создают направленную трещину 15. The downhole device for the formation of directional cracks (see drawing) is a pipe 1 (hollow cylindrical body) with a tapered thread 2 at the end. At the other end of the pipe 1, a glass 3 is put on with a central hole in the bottom. The glass 3 is connected to the pipe 1 by a threaded connection. A rod 4 is inserted into the pipe 1 with an annular stop 5 in the bottom of the glass 3 from the inside and an annular protrusion 6 at the end free from the vibrator. Along the entire length of the lateral surface of the annular projection 6 of the rod 4, a helical groove 7 is made. A vibrator 8 is installed at the end of the rod 4. The pipe 1 is connected through a tapered thread 2 to a sealing sleeve 9 of an elastoplastic material. To screw the pipe 1 into the sealing sleeve 9 in the lateral surface of the glass 3, there are threaded radial holes in which the handles are screwed 10. In order to exclude the possibility of twisting the glass 3 from the sealing sleeve 9, the grooves in the pipe 1 are made (pos. not indicated), into which the ends of the handles go 10. On the pipe 1 there is a fitting 11 for pumping the working fluid to which the hose is connected. An annular groove is made on the side surface of the central hole in the bottom of the cup 3, into which a sealing ring 12 is inserted. A sealing washer 13 is installed from the inside of the pipe 1 to the bottom of the cup 3. The device is installed in the well 14 through which a directed crack 15 is created.

Уплотнительное кольцо 12 и уплотнительная шайба 13 предотвращают утечку рабочей жидкости из устройства, минуя герметизированный участок скважины 14. The sealing ring 12 and the sealing washer 13 prevent the leakage of the working fluid from the device, bypassing the sealed section of the well 14.

Кольцевой упор 5 делают на таком расстоянии от торца штока 4, чтобы при упоре кольцевого выступа 6 в забой скважины 14 вибратор 8 не имел непосредственного контакта со стаканом 3. An annular stop 5 is made at such a distance from the end face of the rod 4 that, when the annular protrusion 6 rests in the bottom of the well 14, the vibrator 8 does not have direct contact with the glass 3.

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

Устройство со стороны герметизирующей втулки 9 подают в скважину 14 до упора в забой. Вращением рукояток 10 ввинчивают трубу 1 в герметизирующую втулку 9. При этом за счет того, что резьба на конце трубы 1 является конической, происходит расширение герметизирующей втулки 9 и герметизация скважины 14. После этого к штуцеру 11 для нагнетания рабочей жидкости подсоединяют шланг (на чертеже не показан) от гидросистемы и подают рабочую жидкость, которая вначале через зазор между трубой 1 и штоком 4, а затем через винтовую канавку 7 попадает в герметизированное пространство. Под давлением рабочей жидкости шток 4 отходит от забоя скважины 14 до контакта кольцевого упора 5 с дном стакана 3 изнутри. Затем включают вибратор 8 в режиме одиночных ударных импульсов. Благодаря ударным импульсам в герметизированном пространстве периодически возрастает давление рабочей жидкости до величины, превышающей прочность горной породы. В результате в плоскости забоя скважины 14 возникает и развивается трещина 15. Создав трещину 15 нужных размеров, выключают вибратор 8 и прекращают нагнетание рабочей жидкости, от штуцера 11 для нагнетания рабочей жидкости отсоединяют шланг, с помощью рукояток 10 вывинчивают трубу 1 из герметизирующей втулки 9 и устройство извлекают из скважины 14. The device from the side of the sealing sleeve 9 is fed into the well 14 until it stops in the face. By rotating the handles 10, screw the pipe 1 into the sealing sleeve 9. At the same time, due to the conical thread 1, the sealing sleeve 9 expands and the well 14 is sealed. After that, a hose is connected to the nozzle 11 for pumping the working fluid (in the drawing not shown) from the hydraulic system and serves the working fluid, which first through the gap between the pipe 1 and the rod 4, and then through the screw groove 7 enters the sealed space. Under pressure of the working fluid, the rod 4 departs from the bottom of the well 14 to the contact of the annular stop 5 with the bottom of the glass 3 from the inside. Then turn on the vibrator 8 in the mode of single shock pulses. Due to shock pulses in a sealed space, the pressure of the working fluid periodically increases to a value exceeding the strength of the rock. As a result, a crack 15 arises and develops in the bottom face of the well 14. Having created a crack 15 of the required size, turn off the vibrator 8 and stop pumping the working fluid, disconnect the hose from the nozzle 11 for pumping the working fluid, use the handles 10 to unscrew the pipe 1 from the sealing sleeve 9 and the device is removed from the well 14.

Герметизирующая втулка 9 при ввинчивании в нее трубы 1 не должна проворачиваться в скважине 14. Для этого до подачи устройства в скважину 14 герметизирующую втулку 9 навинчивают на коническую резьбу 2 таким образом, чтобы с одной стороны устройство сравнительно легко перемещалось по скважине 14 в направлении забоя, а с другой стороны, чтобы между герметизирующей втулкой 9 и стенками скважины 14 создавалось необходимое трение. Механизм установки герметизирующей втулки 9 в скважине 14 аналогичен закреплению в стенке шурупа с помощью дюбеля, который вместе с шурупом вставляют в предварительно просверленное в стене отверстие. В устройстве предлагается использование одноразовых герметизирующих втулок 9, которые в зависимости от условий образования направленной трещины 15 изготавливают от различных упругопластичных материалов, например пластмассы или мягкого металла (алюминия, меди). When screwing the pipe 1 into it, the sealing sleeve 9 should not be rotated in the well 14. For this, before the device is fed into the well 14, the sealing sleeve 9 is screwed onto the tapered thread 2 so that on one side the device moves relatively easily along the well 14 in the direction of the bottom hole, and on the other hand, to create the necessary friction between the sealing sleeve 9 and the walls of the well 14. The installation mechanism of the sealing sleeve 9 in the well 14 is similar to fastening in the wall of the screw with a dowel, which together with the screw is inserted into a hole pre-drilled in the wall. The device proposes the use of disposable sealing sleeves 9, which, depending on the conditions for the formation of a directed crack 15, are made from various elastoplastic materials, for example, plastic or soft metal (aluminum, copper).

Изменением режима работы вибратора 8 и нагнетания жидкости можно обеспечить различные виды нагрузок на горную породу, например, статическую (при выключенном вибраторе 8), в виде гармонических колебаний (шток 4 перемещается между дном стакана 3 и забоем скважины 14 по синусоидальному закону) и ударную с различным уровнем статического подпора. By changing the operating mode of the vibrator 8 and pumping the liquid, it is possible to provide various types of loads on the rock, for example, static (with the vibrator 8 turned off), in the form of harmonic oscillations (the rod 4 moves between the bottom of the glass 3 and the bottom of the well 14 according to a sinusoidal law) and shock with different levels of static backwater.

Устройство разработано для работы на карьерах по добыче блочного камня на основе ориентированного флюидоразрыва горных пород. С его помощью можно разрушать блоки любой прочности и практически неограниченных размеров. The device is designed to work in quarries for the production of block stone based on oriented fluid fracturing of rocks. With it, you can destroy blocks of any strength and almost unlimited sizes.

Claims

A downhole device for the formation of directional cracks, including a pipe, a sealing sleeve, worn on the end of the pipe, a pipe rotation unit relative to the sealing sleeve, a rod placed in the pipe with the possibility of longitudinal movement, a vibrator mounted on the end of the rod, a fitting for pumping the working fluid into the pipe, characterized in that a conical thread is made at the end of the pipe from the side of the sealing sleeve, and a glass with a central hole in the bottom is put on at the other end, through the pipe and the central hole in the bottom of the cup, a rod is made, made with an annular stop in the bottom of the cup from the inside and an annular protrusion at the end free from the vibrator, while along the entire length of the side surface of the annular protrusion a helical groove is made, the sealing sleeve is made of an elastoplastic material, and the fitting for pumping the working fluid is mounted on the pipe between the annular stop and the annular protrusion of the rod.