RU2229595C1

RU2229595C1 - Device for forming directed cracks in wells

Info

Publication number: RU2229595C1
Application number: RU2002129856/03A
Authority: RU
Inventors: Н.Г. Кю (RU); Н.Г. Кю
Original assignee: Институт горного дела СО РАН (статус государственного учреждения)
Priority date: 2002-11-06
Filing date: 2002-11-06
Publication date: 2004-05-27

Abstract

FIELD: mining industry. SUBSTANCE: device has cylindrical body and working tips in form of wedges on its outer surface. In cylindrical body an axial opening is made, into which a plunger is inserted, which has stepped thickened portion and ring-shaped shelf on the free end. On the end of cylindrical body a wedge is formed. A spring is put on the plunger between ring-shaped shelf and cylindrical body. EFFECT: increased effectiveness of device operation due to lowered impact energy necessary for cracks forming. 3 cl, 3 dwg

Description

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для образования трещин в скважинах с целью добычи ценного кристаллического сырья и природного камня, строительства дорог и туннелей в гористой местности, разборки завалов и сооружений, дробления негабаритов.The technical solution relates to mining and can be used to form cracks in wells with the aim of extracting valuable crystalline raw materials and natural stone, building roads and tunnels in mountainous areas, dismantling rubble and structures, crushing oversized materials.

Известно устройство для образования направленных трещин в скважинах по патенту РФ № 2081314, кл. Е 21 С 37/06, 37/02, опубл. в БИ № 16, 1997, 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.A device for the formation of directed cracks in the wells according to the patent of the Russian Federation No. 2081314, class. E 21 C 37/06, 37/02, publ. in BI No. 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 with an elliptical cross-section is installed, to which a tube is connected, and 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 рабочей жидкости высокой вязкости типа пластилина требуется дополнительное сравнительно высокое давление. Устройство способно работать только при статическом режиме нагнетания рабочей жидкости, для чего необходима полная герметизация скважины и, следовательно, наличие специального герметизатора. Все это обуславливает относительно низкую эффективность работы устройства.This device has a relatively complex structure. To pump through it a working fluid of high viscosity like plasticine, an additional relatively high pressure is required. The device is able to work only with a static mode of injection of the working fluid, which requires complete sealing of the well and, therefore, the presence of a special sealant. All this leads to a relatively low efficiency of the device.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для образования направленных трещин в скважинах по патенту РФ № 2168018, кл. E 21 С 37/06, опубл. в БИ № 15, 2001, включающее цилиндрический корпус с кольцевым выступом и рабочие органы в виде клиньев на наружной поверхности. В корпусе выполнена, по крайней мере, одна продольная прорезь, в которой установлено кольцо из упругого материала с внешним диаметром, большим чем у скважины.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 No. 2168018, class. E 21 C 37/06, publ. in BI No. 15, 2001, including a cylindrical body with an annular protrusion and working bodies in the form of wedges on the outer surface. At least one longitudinal slot is made in the housing, in which a ring of elastic material with an external diameter larger than that of the well is installed.

Устройство способно образовывать трещины в горной породе только при использовании механизма с относительно большой энергией ударов. Это обусловливает низкую эффективность его работы, так как необходимо применять тяжелое и дорогостоящее дополнительное оборудование.The device is able to form cracks in the rock only when using a mechanism with a relatively high impact energy. This leads to a low efficiency of its work, since it is necessary to use heavy and expensive additional equipment.

Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности работы устройства за счет снижения необходимой для образования трещин энергии ударов.The technical problem to be solved is to increase the efficiency of the device by reducing the impact energy necessary for cracking.

Задача решается тем, что в устройстве для образования направленных трещин в скважинах, включающем цилиндрический корпус и рабочие органы в виде клиньев на его наружной поверхности, согласно предлагаемому техническому решению в цилиндрическом корпусе выполнено осевое отверстие, в которое вставлен плунжер, имеющий на свободном конце ступенчатое утолщение и кольцевой выступ, при этом на конце цилиндрического корпуса имеется клин, а на плунжер между кольцевым выступом и цилиндрическим корпусом надета пружина.The problem is solved in that in the device for the formation of directed cracks in the wells, including a cylindrical body and working bodies in the form of wedges on its outer surface, according to the proposed technical solution, an axial hole is made in the cylindrical body, into which a plunger having a stepwise thickening at the free end is inserted and an annular protrusion, while at the end of the cylindrical body there is a wedge, and a spring is put on the plunger between the annular protrusion and the cylindrical body.

Площадь поперечного сечения у плунжера меньше, чем у цилиндрического корпуса, за счет чего для создания одинакового давления в рабочей жидкости требуется меньшая ударная нагрузка. В исходное состояние плунжер возвращается пружиной, действующей на его кольцевой выступ. Ступенчатое утолщение плунжера ограничивает его ход и тем самым предотвращает запредельное воздействие на пружину со стороны ударной нагрузки. Выполнение цилиндрического корпуса в виде клина обеспечивает направленность передачи нагрузки на стенки скважины. Это позволяет наиболее полно использовать особенность горной породы разрушаться растягивающими усилиями с наименьшей энергией. В результате снижаются требования к энергии наносимых ударов и, следовательно, уменьшается вес и стоимость ударных механизмов, что повышает эффективность работы устройства.The cross-sectional area of the plunger is smaller than that of a cylindrical body, due to which less shock is required to create the same pressure in the working fluid. The plunger returns to its initial state by a spring acting on its annular protrusion. The stepwise thickening of the plunger limits its stroke and thereby prevents the transcendental impact on the spring from the shock load side. The implementation of a cylindrical body in the form of a wedge provides the directivity of the transfer of load on the well walls. This allows the fullest possible use of the rock feature to be destroyed by tensile forces with the least energy. As a result, the energy requirements of the strikes are reduced and, consequently, the weight and cost of the shock mechanisms are reduced, which increases the efficiency of the device.

Целесообразно пружину надеть на ступенчатое утончение, которое выполнить на свободном от клина конце цилиндрического корпуса. Это центрирует пружину и повышает тем самым надежность ее работы.It is advisable to put the spring on the step thinning, which is performed on the end of the cylindrical body free from the wedge. This centers the spring and thereby increases its reliability.

Целесообразно, чтобы на конце плунжера со стороны, свободной от ступенчатого утолщения, имелся клин. Это снижает сопротивление внедрению плунжера в рабочую жидкость.It is advisable that at the end of the plunger from the side free from stepwise thickening, there is a wedge. This reduces the resistance to the introduction of the plunger into the working fluid.

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 - то же, вид сбоку; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2 в скважине во время формирования трещины.Figure 1 shows a device for the formation of directed cracks in the wells, a longitudinal section; figure 2 is the same side view; figure 3 is a section aa in figure 2 in the well during the formation of the cracks.

Устройство (фиг.1-3) состоит из цилиндрического корпуса 1 (далее корпуса 1), у которого с одной стороны имеется клин 2, а с другой стороны выполнено ступенчатое утончение (поз. не обозначено). В корпусе 1 выполнено осевое отверстие 3 и со стороны клина 2 продольная прорезь 4. В отверстие 3 вставлен плунжер 5 со ступенчатым утолщением 6 и кольцевым выступом 7. В плунжере 5 выполнено поперечное отверстие 8, в которое вставлен стержень 9. На ступенчатое утолщение 5 плунжера 5 и ступенчатое утончение корпуса 1 надета пружина 10. На наружной поверхности корпуса 1 в плоскости, проходящей через ось устройства и вершину клина 2, установлены рабочие органы 11 в виде клиньев (далее рабочие органы 11). Устройство подают в скважину 12 (фиг.3), в которой формируют трещину 13.The device (Figs. 1-3) consists of a cylindrical housing 1 (hereinafter referred to as housing 1), which has a wedge 2 on one side and stepwise thinning is performed on the other hand (pos. Not indicated). An axial bore 3 is made in the housing 1 and a longitudinal slot 4 is provided on the side of the wedge 2. A plunger 5 with a stepwise thickening 6 and an annular protrusion 7 is inserted into the hole 3. A transverse hole 8 is inserted into the plunger 5, into which the rod 9 is inserted. 5 and stepwise refinement of the housing 1, a spring 10 is put on. On the outer surface of the housing 1 in the plane passing through the axis of the device and the top of the wedge 2, the working bodies 11 are installed in the form of wedges (hereinafter the working bodies 11). The device is fed into the well 12 (figure 3), in which a crack 13 is formed.

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

Устройство со стороны клина 2 подают в скважину 12 (фиг.3), которую предварительно заполняют высоковязкой рабочей жидкостью (не показано). Со стороны, противоположной клину 2, воздействуют ударной нагрузкой. Под действием ударных импульсов устройство погружается в высоковязкую рабочую жидкость (далее рабочую жидкость) и начинает вытеснять ее из скважины 12. В результате в рабочей жидкости повышается давление до значения, при котором происходит разрыв горной породы с образованием трещины 13 в плоскости расположения рабочих органов 11 и вершины клина 2. При дальнейшем перемещении устройства в сторону забоя скважины 12 рабочая жидкость выдавливается в трещину 13 и развивает ее. Заполнение скважины 12 рабочей жидкостью и подачу в нее устройства осуществляют многократно до тех пор, пока трещина 13 не достигнет требуемых размеров.The device from the side of the wedge 2 is fed into the well 12 (figure 3), which is pre-filled with highly viscous working fluid (not shown). From the side opposite to the wedge 2, impact shock. Under the influence of shock pulses, the device is immersed in a highly viscous working fluid (hereinafter the working fluid) and begins to displace it from the well 12. As a result, the pressure in the working fluid rises to a value at which the rock breaks with the formation of a crack 13 in the plane of the working bodies 11 and the tops of the wedge 2. With a further movement of the device towards the bottom of the well 12, the working fluid is squeezed into the fracture 13 and develops it. The well 12 is filled with a working fluid and the device is fed into it repeatedly until the crack 13 reaches the required dimensions.

Начальная трещина 13 возникает при максимальном давлении рабочей жидкости, численно равном прочности горной породы на растяжение. С ростом трещины давление, необходимое для поддержания процесса ее развития, уменьшается. Давление в скважине 12 создается путем перемещения корпуса 1 (его можно рассматривать как поршень) к забою. При отсутствии плунжера 5 давление возле клина 2 определяется как отношение усилия со стороны ударной нагрузки (с учетом силы, затрачиваемой на образование насечек рабочими органами 11) к площади поперечного сечения корпуса 1. Поэтому с уменьшением диаметра скважины (корпуса 1) трещина 13 (необходимое давление на стенки скважины 12) возникает при меньших усилиях со стороны ударной нагрузки. Однако в этом случае из скважины 12 в трещину 13 вытесняется меньший объем рабочей жидкости и, следовательно, трещина 13 оказывается меньших размеров. Кроме этого, бурение скважин 12 малого диаметра (менее 42 мм) в прочных горных породах (гранитах) представляет известные трудности.The initial crack 13 occurs at a maximum pressure of the working fluid, numerically equal to the tensile strength of the rock. With the growth of the crack, the pressure necessary to maintain the process of its development decreases. The pressure in the well 12 is created by moving the housing 1 (it can be considered as a piston) to the bottom. In the absence of a plunger 5, the pressure near the wedge 2 is defined as the ratio of the force from the side of the shock load (taking into account the force expended on the formation of notches by the working bodies 11) to the cross-sectional area of the casing 1. Therefore, with a decrease in the diameter of the well (casing 1), the crack 13 (necessary pressure on the walls of the well 12) occurs with less effort from the side of the shock load. However, in this case, a smaller volume of the working fluid is displaced from the well 12 into the fracture 13 and, therefore, the fracture 13 is smaller. In addition, the drilling of wells 12 of small diameter (less than 42 mm) in strong rocks (granites) presents known difficulties.

Чтобы снизить требования к усилию со стороны ударной нагрузки в момент возникновения трещины 13, в предлагаемом устройстве установлен плунжер 5, диаметр которого не зависит от размеров скважины 12 и может варьироваться в больших пределах. Давление возле клина 2 возрастает (при прочих равных условиях) с уменьшением площади поперечного сечения плунжера 5. Зависимость давления рабочей жидкости от диаметра плунжера 5 является сложной (определяется упругостью пружины 10, свойствами рабочей жидкости, углом заострения клина 2, энергией и временем действия ударной нагрузки). Поэтому параметры плунжера 5 подбирают для конкретной горной породы, диаметра скважины 12 и ударного механизма экспериментальным путем. При этом нужно учитывать следующее. В начальный момент перемещения устройства по скважине 12 под действием ударной нагрузки, усилия от которой передаются через пружину 10 и ступенчатое утолщение 6 корпусу 1, клин 2 внедряется в рабочую жидкость, а рабочие органы 11 на стенках скважины 12 образуют насечки треугольной формы. Рабочая жидкость уплотняется, заполняет все имеющиеся пустоты и, повышая давление на горную породу, увеличивает сопротивление внедряющемуся в нее клину 2 до прекращения перемещения устройства по скважине 12. В этот момент плунжер 5 начинает выполнять свою основную функцию. Он внедряется в практически несжимаемую рабочую жидкость, из-за чего давление возле клина 2 резко возрастает, концентрация напряжений в насечках достигает предела прочности горной породы на растяжение, и в плоскости расположения рабочих органов 11 возникает трещина 13. Затем рабочая жидкость из скважины 12 вытекает в трещину 13, от чего клин 2, испытывая меньшее сопротивление перемещению по скважине 12, движется в направлении забоя. Отметим, что положительный эффект от плунжера 5 проявляется на протяжении всего времени работы устройства. Он раздвигает рабочую жидкость впереди клина 2 и тем самым уменьшает ее сопротивление движению корпуса 1 по скважине 12.To reduce the force requirements from the side of the shock load at the time of crack 13, a plunger 5 is installed in the proposed device, the diameter of which does not depend on the size of the well 12 and can vary within wide limits. The pressure near the wedge 2 increases (ceteris paribus) with a decrease in the cross-sectional area of the plunger 5. The dependence of the pressure of the working fluid on the diameter of the plunger 5 is complex (determined by the elasticity of the spring 10, the properties of the working fluid, the angle of the wedge 2, the energy and duration of the shock ) Therefore, the parameters of the plunger 5 are selected for a particular rock, the diameter of the borehole 12 and the impact mechanism experimentally. In doing so, the following should be considered. At the initial moment of moving the device along the well 12 under the influence of an impact load, the forces from which are transmitted through the spring 10 and a stepwise thickening 6 to the housing 1, the wedge 2 is introduced into the working fluid, and the working bodies 11 on the walls of the well 12 form triangular notches. The working fluid is compacted, fills all the voids and, increasing the pressure on the rock, increases the resistance of the wedge 2 that penetrates into it until the device stops moving along the well 12. At this point, the plunger 5 begins to fulfill its main function. It is introduced into a practically incompressible working fluid, due to which the pressure near the wedge 2 sharply increases, the stress concentration in the notches reaches the tensile strength of the rock, and a crack 13 appears in the plane of the working bodies 11. Then, the working fluid from the well 12 flows into crack 13, from which the wedge 2, experiencing less resistance to movement along the well 12, moves in the direction of the bottom. Note that the positive effect of the plunger 5 is manifested throughout the entire operation of the device. It pushes the working fluid in front of the wedge 2 and thereby reduces its resistance to movement of the housing 1 along the well 12.

Благодаря клину 2 давление, обусловленное внедрением плунжера 5 в рабочую жидкость, передается в основном стенкам скважины 12 и растягивает горную породу в заданной плоскости. При этом усилия в направлении выталкивания устройства из скважины 12 из-за кратковременности действия ударной нагрузки и острого угла клина 2 оказываются несущественными.Thanks to the wedge 2, the pressure due to the introduction of the plunger 5 into the working fluid is transmitted mainly to the walls of the well 12 and stretches the rock in a given plane. In this case, the efforts in the direction of pushing the device out of the well 12 due to the short duration of the shock load and the acute angle of the wedge 2 are insignificant.

Пружина 10 предназначена для возврата плунжера 5 в исходное состояние после действия ударной нагрузки. Упругость пружины 10 выбирают, исходя из возможности ее сжатия ударным механизмом (с учетом усилия на плунжер 5, требуемого для создания нужного давления рабочей жидкости) до контакта ступенчатого утолщения 6 с корпусом 1. Ступенчатое утолщение 6 ограничивает ход плунжера 5 и тем самым предотвращает запредельное воздействие на пружину 10 со стороны ударной нагрузки. Кроме этого, ступенчатое утолщение 6 на плунжере 5 совместно со ступенчатым утончением на корпусе 1 центрирует пружину 10 и тем самым повышает надежность работы устройства.The spring 10 is designed to return the plunger 5 to its original state after the action of the shock load. The elasticity of the spring 10 is selected based on the possibility of compression by the shock mechanism (taking into account the force on the plunger 5, required to create the desired pressure of the working fluid) until the step thickening 6 comes into contact with the housing 1. The step thickening 6 limits the stroke of the plunger 5 and thereby prevents beyond influence to the spring 10 from the side of the shock load. In addition, the stepwise thickening 6 on the plunger 5, together with the stepwise thinning on the housing 1, centers the spring 10 and thereby increases the reliability of the device.

В результате снижения энергии ударов на образование трещин отпала необходимость использования устройства в качестве навесного орудия к самоходным машинам. Оно в комплекте с кольцевым пневмоударником представляет собой ручной инструмент, способный разрывать горную породу любой прочности в труднодоступных (для самоходных машин) местах.As a result of the reduction in the energy of impacts on the formation of cracks, the need to use the device as an attachment to self-propelled vehicles has disappeared. It, complete with a circular hammer, is a hand tool capable of tearing rock of any strength in hard-to-reach places (for self-propelled vehicles).

Устройство предназначено для разрыва горной породы специальной рабочей жидкостью, обладающей большим сопротивлением движению по трещине 13. Связано это с тем, что создаваемая трещина 13 выходит на свободную поверхность. В высокоподвижной жидкости (воде) при наличии выходящей на свободную поверхность трещины 13 создать требуемое для разрыва горной породы давление практически невозможно. Нужно обеспечить такие условия, чтобы возникал эффект внедряющегося клина, когда, несмотря на наличие впереди свободного пространства, поверхности трещины 13 при подаче в нее рабочей жидкости раздвигались бы. Вместе с этим желательно, чтобы рабочая жидкость проникала в трещину 13 на возможно большую глубину, ибо тогда увеличивается площадь ее контакта с горной породой, следовательно, и разрывающие усилия. Рабочие жидкости, 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 отработанными смазочными материалами (машинным маслом). Соотношение входящих в смеси компонентов, обеспечивающее наиболее эффективную работу устройства, определяется условиями образования трещин.The device is designed to break the rock with a special working fluid, which has great resistance to movement along the crack 13. This is due to the fact that the created crack 13 goes to the free surface. In a highly mobile liquid (water), in the presence of a crack 13 emerging on the free surface, it is practically impossible to create the pressure required to break the rock. 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 13 would be moved apart when the working fluid was fed into it. At the same time, it is desirable that the working fluid penetrates into the crack 13 to the greatest possible depth, because then the area of its contact with the rock increases, and consequently, breaking forces. Working fluids that have these properties were found in the course of special studies. They turned out to be plastic masses like plasticine. Of these, the cheapest and most convenient to use are clay mixtures with waste lubricants (machine oil). The ratio of the components included in the mixture, ensuring the most efficient operation of the device, is determined by the conditions of cracking.

Claims

1. A device for the formation of directed cracks in the wells, including a cylindrical body and working bodies in the form of wedges on its outer surface, characterized in that an axial hole is made in the cylindrical body, into which a plunger is inserted having a stepwise thickening and an annular protrusion at the free end, at the same time, there is a wedge at the end of the cylindrical body, and a spring is put on the plunger between the annular protrusion and the cylindrical body.

2. The device according to claim 1, characterized in that the spring is worn on a stepwise thinning, which is made on the end of the cylindrical body free from the wedge.

3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that at the end of the plunger from the side free from stepwise thickening, there is a wedge.