RU2168018C1

RU2168018C1 - Device for formation of directed fractures in boreholes

Info

Publication number: RU2168018C1
Application number: RU99125808A
Authority: RU
Inventors: Н.Г. Кю; Ю.М. Леконцев; А.М. Фрейдин; О.И. Чернов
Original assignee: Институт горного дела - научно-исследовательское учреждение СО РАН
Priority date: 1999-12-02
Filing date: 1999-12-02
Publication date: 2001-05-27

Abstract

FIELD: mining; applicable in separation of blocks from rock mass, cutting of valuable crystalline raw materials and building stone. SUBSTANCE: device has a cylindrical body with circular projection and working members in the form of wedges on external surface. According to the invention, at least one longitudinal slot is made in the body which ring of flexible material is installed with outer diameter larger than that of borehole. EFFECT: higher reliability of device due to simplification of its design. 4 cl, 2 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, опубл. в БИ N 13, 1986 г. , включающее 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. При этом 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, причем 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, publ. in BI N 13, 1986, including 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 plates to each other and with the 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. In this case, an elastic sleeve is mounted on the housing between the annular sealant and the shutoff valve and is rigidly connected with it by its ends. Holes are made in the walls of the body, communicating its cavity with a space under the elastic sleeve and the shutoff valve, the valve position lock being made in the form of hooks connected rigidly to the plates, and with the valve being able to disengage when the plates are opened.

Это устройство имеет 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). This device has a complex structure and does not allow fluid to be fed into the crack formation zone before wedges are introduced into the well walls, which significantly complicates the formation of directed cracks in strong rocks (granite, syenite, diabase).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для образования направленных трещин в скважинах по патенту РФ N 2081314, кл. E 21 C 37/06, 37/02, опубл. в БИ N 16, 1997 г., включающее полый цилиндрический корпус с кольцевым коническим выступом, центральным каналом подвода и радиальными отверстиями для выхода рабочей жидкости, кольцевой герметизатор, установленный на корпусе, и рабочие органы в виде клиньев на наружной поверхности. 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. The closest in technical essence and the achieved result is a device for the formation of directed cracks in wells according to the patent of the Russian Federation N 2081314, class. E 21 C 37/06, 37/02, publ. in BI N 16, 1997, including a hollow cylindrical body with an annular conical protrusion, a central supply channel and radial openings for the outlet of the working fluid, an annular sealant mounted on the body, and working bodies in the form of wedges on the outer surface. At its end, opposite the fluid supply channel, a chamber is installed with an elliptical cross-section, to which the tube is connected, while wedges are fixed on the outer surface of the chamber in the plane of the major axis of its cross-section, and the tube is passed through the body cavity along its axis.

Это устройство имеет относительно сложную конструкцию. На прокачку через него высоковязкого флюида типа пластилина требуется дополнительное сравнительно высокое давление. Устройство способно работать только при статическом режиме нагнетания флюида, что обуславливает необходимость полной герметизации скважины и, следовательно, наличия специального герметизатора. Все это обуславливает относительно низкую надежность устройства. This device has a relatively complex structure. The pumping through it of a highly viscous plasticine-type fluid requires an additional comparatively high pressure. The device is able to work only with a static mode of fluid injection, which necessitates the complete sealing of the well and, therefore, the presence of a special sealant. 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 устройстве для образования направленных трещин в скважинах, включающем цилиндрический корпус с кольцевым выступом и рабочие органы в виде клиньев на наружной поверхности, согласно предлагаемому техническому решению, в корпусе выполнена по крайней мере одна продольная прорезь, в которой установлено кольцо из упругого материала с внешним диаметром большим, чем диаметр скважины. Использование упругих колец в сравнении с выбранным прототипом позволяет обойтись без камеры с эллиптическим поперечным сечением, подсоединенной к ней трубки, системы подачи в камеру жидкости и клиньев, что упрощает конструкцию. The problem is solved in that in the device for the formation of directed cracks in the wells, including a cylindrical body with an annular protrusion and working bodies in the form of wedges on the outer surface, according to the proposed technical solution, at least one longitudinal slot is made in the body, in which a ring of elastic material with an external diameter larger than the diameter of the well. The use of elastic rings in comparison with the selected prototype eliminates the need for a chamber with an elliptical cross section, a tube connected to it, a fluid supply system and wedges into the chamber, which simplifies the design.

Целесообразно в корпусе, перпендикулярно продольным прорезям выполнить отверстия, в которые вставить стержни с диаметром, меньшим внутреннего диаметра колец, таким образом, чтобы они проходили сквозь кольца. Благодаря стержням нагрузка на кольца осуществляется со стороны их внутренней окружности, от чего кольца в скважину не вдавливаются, как это имело бы место при отсутствии стержней, а втягиваются. Поэтому кольца в скважину вводятся с наименьшим усилием, следовательно, наименьшей нагрузкой. Кроме этого, стрежни удерживают кольца в прорезях при транспортировании устройства. Из-за того, что диаметр стержней меньше внутреннего диаметра колец, между ними образуется кольцевой зазор, обеспечивающий возможность кольцам сжиматься и проникать в скважину. It is advisable in the housing, perpendicular to the longitudinal slots, to make holes in which to insert rods with a diameter smaller than the inner diameter of the rings, so that they pass through the rings. Thanks to the rods, the load on the rings is carried out from the side of their inner circumference, from which the rings are not pressed into the well, as would be the case in the absence of rods, but are retracted. Therefore, the rings are inserted into the well with the least effort, therefore, the least load. In addition, rods hold the rings in the slots when transporting the device. Due to the fact that the diameter of the rods is less than the inner diameter of the rings, an annular gap is formed between them, which allows the rings to compress and penetrate into the well.

Устройство целесообразно снабдить ударным механизмом, который устанавливают на его торце. Наличие ударного механизма позволяет обойтись без установки для нагнетания пластичного флюида под высоким давлением, существенно снижает требование к герметизации скважины, позволяет использовать серийно выпускаемое и имеющееся на горных предприятиях оборудование, например перфораторы для бурения, в том числе ручные. The device should be equipped with a percussion mechanism, which is installed on its end. The presence of a percussion mechanism eliminates the need for an installation for injecting plastic fluid under high pressure, significantly reduces the requirement for well sealing, and allows the use of commercially available and available equipment at mining enterprises, such as perforating drills, including manual ones.

Свободный конец корпуса целесообразно выполнить заостренным, например, в виде конуса. Заострение конца корпуса облегчает внедрение устройства во флюид, а также подачу флюида в развивающуюся трещину. Выполнение конца корпуса в виде конуса является наиболее простым примером реализации. The free end of the housing, it is advisable to make pointed, for example, in the form of a cone. The sharpening of the end of the housing facilitates the introduction of the device into the fluid, as well as the flow of fluid into the developing fracture. The implementation of the end of the body in the form of a cone is the simplest example of implementation.

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.

В исходном состоянии внешний диаметр упругих колец больше диаметра скважины. Поэтому при подаче устройства в скважину кольца сжимаются и по линии их контакта с горной породой концентрируются напряжения. От этого при создании на стенках скважины давления, превышающего прочность горной породы на растяжение, например, высоковязким флюидом, образуется трещина в плоскости расположения колец. In the initial state, the outer diameter of the elastic rings is larger than the diameter of the well. Therefore, when the device is fed into the well, the rings are compressed and stresses are concentrated along the line of their contact with the rock. From this, when a pressure is created on the walls of the well that exceeds the tensile strength of the rock, for example, with a highly viscous fluid, a crack forms in the plane of the arrangement of the rings.

Давление на горную породу достигается внедрением корпуса устройства в высоковязкий флюид, которым предварительно заполняют скважину. Чтобы создать давление достаточное для разрыва горной породы без проведения специальных операций по герметизации скважины, устройство во флюид внедряют в импульсном режиме, а на его корпусе выполнен кольцевой выступ, который используется одновременно в качестве уплотнительного элемента и поршня. Для подачи устройства в скважину в импульсном режиме на торце его корпуса установлен ударный механизм. Pressure on the rock is achieved by introducing the device into a highly viscous fluid, which pre-fill the well. In order to create sufficient pressure to break the rock without performing special operations to seal the well, the device is introduced into the fluid in a pulsed mode, and an annular protrusion is made on its body, which is used simultaneously as a sealing element and piston. To feed the device into the well in a pulsed mode, an impact mechanism is installed at the end of its body.

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.

На фиг. 1 показано устройство для образования направленных трещин в скважинах, продольный разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1 в период формирования трещины. In FIG. 1 shows a device for the formation of directed cracks in wells, a longitudinal section; in FIG. 2 is a section AA in FIG. 1 during crack formation.

Устройство (фиг. 1, 2) состоит из корпуса 1 с кольцевым выступом 2, продольными прорезями 3 и отверстиями 4, выполненными перпендикулярно продольным прорезям 3. В продольных прорезях 3 установлены кольца 5 из упругого материала с внешним диаметром большим, чем у скважины. Через отверстия 4 и кольца 5 пропущены стержни 6. Стержни 6 в корпусе 1 удерживаются в отверстиях 4 из-за плотного контакта. Свободный конец корпуса 1 устройства выполнен заостренным в виде конуса 7. На торце корпуса 1 устройства установлен ударный механизм 8. Устройство предназначено для работы в скважине 9, заполненной высоковязким флюидом 10, в стенках которой образуются бороздки 11 и трещина 12. The device (Fig. 1, 2) consists of a housing 1 with an annular protrusion 2, longitudinal slots 3 and holes 4 made perpendicular to the longitudinal slots 3. In the longitudinal slots 3, rings 5 are made of elastic material with an external diameter larger than that of the well. Rods 6 are passed through holes 4 and rings 5. Rods 6 in housing 1 are held in holes 4 due to tight contact. The free end of the housing 1 of the device is made pointed in the form of a cone 7. At the end of the housing 1 of the device there is an impact mechanism 8. The device is designed to work in a well 9 filled with a highly viscous fluid 10, in the walls of which grooves 11 and a crack 12 are formed.

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

Устройство со стороны конуса 7 подают в скважину 9, которую предварительно заполняют высоковязким флюидом 10. Включают ударный механизм 8. Под действием ударных импульсов кольца 5, проникая в скважину 9, сжимаются, от чего на их контакте с горной породой возникают напряжения. Кроме этого, от перемещения колец 5 по скважине 9 на ее стенках образуются бороздки 11, в которых также концентрируются напряжения. Двигаясь в направлении забоя скважины 9, корпус 1 устройства вытесняет флюид 10. Вытеканию флюида 10 за пределы скважины 9 препятствует кольцевой выступ 2. От этого в момент действия ударной нагрузки в зоне нахождения колец 5 создается давление флюида 10 на стенки скважины 9. В результате сочетания давления флюида 10, наличия бороздок 11 и направленного воздействия колец 5 на стенки скважины 9, происходит ориентированный разрыв горной породы с образованием трещины 12 (фиг. 2). Плоскость трещины 12 совпадает с плоскостью расположения колец 5. При дальнейшем перемещении устройства в сторону забоя скважины 9 флюид 10 выдавливается в трещину 12 и развивает ее. Заполнение скважины 9 флюидом 10 и подачу в нее устройства осуществляют многократно до тех пор, пока размеры трещины 12 не достигнут требуемых размеров. The device from the cone 7 side is fed into the well 9, which is pre-filled with a highly viscous fluid 10. The shock mechanism 8 is turned on. Under the action of shock pulses, the rings 5 are penetrated into the well 9 and are compressed, which causes stresses on their contact with the rock. In addition, from the movement of the rings 5 along the well 9, grooves 11 are formed on its walls, in which stresses are also concentrated. Moving in the direction of well bottom 9, the device body 1 displaces fluid 10. The outflow of fluid 10 is prevented by the annular protrusion 2. From this, at the moment of shock loading in the zone of rings 5, pressure of fluid 10 is created on the walls of the well 9. As a result of the combination the pressure of the fluid 10, the presence of grooves 11 and the directed action of the rings 5 on the walls of the well 9, an oriented fracture of the rock occurs with the formation of a crack 12 (Fig. 2). The plane of the fracture 12 coincides with the plane of the arrangement of the rings 5. With further movement of the device toward the bottom of the well 9, the fluid 10 is squeezed into the fracture 12 and develops it. The well 9 is filled with fluid 10 and the device is fed into it repeatedly until the size of the crack 12 reaches the required dimensions.

Из механики горных пород известно, что трещина образуется в плоскости растягивающих и развивается в направлении сжимающих напряжений. Растягивающие усилия в горной породе возникают от давления флюида 10 на стенки скважины 9. Происходит это в момент импульсного воздействия на корпус 1 ударным механизмом 8. За счет кольцевого выступа 2 и конуса 7 максимальное давление флюида 10 создается в зоне расположения колец 5. Сжимающие напряжения в горной породе обеспечиваются силовым воздействием колец 5 на стенки скважины 9. Кроме этого, в бороздках 11, образованных перемещением колец 5 по скважине 9, концентрируются напряжения. Сочетание трех этих факторов обуславливает формирование поля напряжений, которое обеспечивает разрыв горной породы в плоскости расположения колец 5 с образованием трещины 12. Дальнейшее развитие трещины 12 происходит в результате вытеснения в нее флюида 10 из скважины 9 корпусом 1 при продольном перемещении устройства в направлении забоя. It is known from rock mechanics that a crack forms in the plane of tensile and develops in the direction of compressive stresses. Tensile forces in the rock arise from the pressure of the fluid 10 on the walls of the borehole 9. This occurs at the moment of impulse action on the body 1 by the shock mechanism 8. Due to the annular protrusion 2 and the cone 7, the maximum pressure of the fluid 10 is created in the area of the rings 5. Compressive stresses in rocks are provided with the force of the rings 5 on the walls of the well 9. In addition, stresses are concentrated in the grooves 11 formed by the movement of the rings 5 along the well 9. The combination of these three factors leads to the formation of a stress field that ensures the rock breaks in the plane of the arrangement of the rings 5 with the formation of a crack 12. Further development of the crack 12 occurs as a result of the displacement of fluid 10 from the well 9 by the body 1 during longitudinal movement of the device in the direction of the face.

Параметры колец 5 задаются из условия возможности их вхождения в скважину 9 под действием применяемого ударного механизма 8 и создания в месте контакта с горной породой требуемого напряжения. Внешний диаметр колец 5 при прочих равных условиях для большинства различных горных пород может быть одинаковым. Связано это с тем, что степень сжатия колец 5 зависит от глубины формируемых ими бороздок 11. В скважине 9, пробуренной в горной породе с высокой прочностью (гранит, сиенит, диабаз), кольца 5 сжимаются практически до диаметра скважины 9 и поэтому на ее стенках создают сравнительно большие контактные напряжения. В скважине 9, пробуренной в горной породе с низкой прочностью (известняк, ракушечник), кольца 5 образуют относительно глубокие бороздки 11. Поэтому они сжимаются на меньшую величину и, следовательно, создают меньшие контактные напряжения. Однако в момент разрыва слабой горной породы (возникновения трещины 12) снижение усилий (по сравнению с прочной горной породой) воздействия колец 5 на стенки скважины 9 компенсируется большим значением глубины бороздок 11. The parameters of the rings 5 are set from the condition that they can enter the well 9 under the action of the applied shock mechanism 8 and create the required voltage at the point of contact with the rock. The outer diameter of the rings 5, ceteris paribus, may be the same for most different rocks. This is due to the fact that the degree of compression of the rings 5 depends on the depth of the grooves formed by them 11. In the well 9 drilled in the rock with high strength (granite, syenite, diabase), the rings 5 are compressed almost to the diameter of the well 9 and therefore on its walls create relatively large contact stresses. In well 9 drilled in rock with low strength (limestone, shell rock), rings 5 form relatively deep grooves 11. Therefore, they are compressed by a smaller amount and, therefore, create less contact stress. However, at the moment of breaking of a weak rock (occurrence of a crack 12), a decrease in the force (compared with a solid rock) of the impact of the rings 5 on the walls of the well 9 is compensated by the large value of the depth of the grooves 11.

Как правило, расчет параметров колец 5 производят, исходя из возможности создания максимальной концентрации напряжений по линии предполагаемого разрыва горной породы при заданном диаметре скважины 9 и наличии конкретного ударного механизма 8. As a rule, the calculation of the parameters of the rings 5 is based on the possibility of creating a maximum concentration of stresses along the line of the expected fracture of the rock at a given diameter of the well 9 and the presence of a specific impact mechanism 8.

Условия применения устройства предусматривают использование специального флюида 10, обладающего большим сопротивлением движению по трещине 12. Связано это с тем, что создаваемая трещина 12 выходит на свободную поверхность. В высокоподвижном (жидком) флюиде 10 при наличии выходящей на свободную поверхность трещины 12 создать требуемое для разрыва горной породы давление, как показали эксперименты, практически невозможно. Нужно обеспечить такие условия, чтобы возникал эффект внедряющегося клина, когда, несмотря на наличие впереди свободного пространства, поверхности трещины 12 при подаче в ней флюида 10 раздвигались. Вместе с этим желательно, чтобы флюид 10 проникал в трещину 12 на возможно большую глубину, ибо тогда увеличивается площадь его контакта с горной породой, следовательно, и разрывающие усилия. Флюиды 10, которые обладают перечисленными свойствами, были найдены в ходе специальных исследований. Ими оказались пластичные массы типа пластилина. Из них наиболее дешевыми и удобными в эксплуатации являются смеси глины с различными эмульсиями. Соотношение входящих в смеси компонентов, обеспечивающее наиболее эффективное использование предлагаемого устройства, определяется механическими свойствами горных пород и применяемым ударным механизмом 8. The conditions of use of the device include the use of a special fluid 10, which has great resistance to movement along the crack 12. This is due to the fact that the created crack 12 goes to the free surface. In a highly mobile (liquid) fluid 10, in the presence of a crack 12 extending to the free surface, it is practically impossible to create the pressure required to break the rock, as experiments have shown. It is necessary to ensure such conditions that the effect of an introducing wedge arises when, despite the presence of free space in front, the surfaces of the crack 12 are moved apart when the fluid 10 is fed into it. At the same time, it is desirable that the fluid 10 penetrates into the fracture 12 to the greatest possible depth, because then the area of its contact with the rock increases, and consequently, breaking forces. Vibes 10, which have these properties, were found during special studies. They turned out to be plastic masses like plasticine. Of these, the most inexpensive and convenient to use are clay mixtures with various emulsions. The ratio of the components in the mixture, ensuring the most efficient use of the proposed device, is determined by the mechanical properties of the rocks and the applied shock mechanism 8.

Устройство предполагается использовать при добыче кристаллического сырья, блочного камня; строительстве туннелей и дорог в гористой местности; разборке старых сооружений и завалов; раскалывании негабаритов. Оно отличается простотой конструкции, надежностью в работе, способностью эффективно разрушать горную породу вдоль всей длины скважины 9 даже при относительно большом разбросе ее диаметра. Может работать в сочетании практически с любыми ударными механизмами 8, которые используются на горных предприятиях, например, для бурения шпуров, включая ручные перфораторы. The device is supposed to 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; cracking oversized items. It is characterized by simplicity of design, reliability in operation, and the ability to effectively destroy rock along the entire length of the well 9 even with a relatively large variation in its diameter. It can work in combination with almost any percussion mechanisms 8, which are used in mining enterprises, for example, for drilling holes, including hand-held perforators.

Claims

1. A device for the formation of directed cracks in wells, including a cylindrical body with an annular protrusion and working bodies in the form of wedges on the outer surface, characterized in that at least one longitudinal slot is made in the body, in which a ring of elastic material with outer diameter larger than the diameter of the well.

2. The device according to claim 1, characterized in that holes are made in the housing perpendicular to the longitudinal slots, into which rods with a diameter smaller than the inner diameter of the rings are inserted so that they pass through the rings.

3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that it is equipped with a percussion mechanism, which is installed on its end.

4. The device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the free end of the housing is made pointed, for example, in the form of a cone.