RU2253013C1

RU2253013C1 - Device for destruction of rocks by hydraulic fracturing

Info

Publication number: RU2253013C1
Application number: RU2003137301/03A
Authority: RU
Inventors: Н.Г. Кю (RU); Н.Г. Кю
Original assignee: Институт горного дела Сибирского отделения Российской Академии наук (статус государственного учреждения)
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2005-05-27

Abstract

FIELD: mining industry.

SUBSTANCE: device has hollow cylindrical body with radial apertures and ring-shaped shelves at the ends and self-compacting collars. These are mounted on opposite ends of body and are adjacent by bases to its ring-shaped shelves. On the latter barrels are fitted with central apertures in bases. Through barrels and body a pipe is let with possible longitudinal displacement relatively to body, having radial apertures, ring-shaped shelf at one end and outer thread at other end. Pipe is pressurized on the side of ring-shaped shelf, its radial apertures are in zone of radial apertures of body, one barrel is stopped against ring-shaped shelf of pipe, and other barrel is connected to pipe by threaded connection.

EFFECT: higher efficiency.

1 dwg

Description

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для образования трещин гидроразрывом горной породы через скважину с целью расслоения труднообрушаемой кровли, дегазации угольного пласта, управления напряженно-деформированным состоянием породного массива в окрестности горной выработки, добычи ценного кристаллического сырья и строительного камня.The invention relates to mining and can be used to form hydraulic fractures of a rock through a well with the aim of delaminating a hard-to-collapse roof, degassing a coal seam, controlling the stress-strain state of a rock mass in the vicinity of a mine, mining valuable crystalline raw materials and building stone.

Известно устройство для гидравлического разрушения горных пород по авт. св. СССР №1788236, кл. Е 21 С 37/06, опубл. в БИ №2, 1993 г., включающее цилиндрический корпус с радиальными отверстиями, входной штуцер, установленный в торце корпуса, герметизирующие приспособления в виде самоуплотняющихся колоколообразных манжет, закрепленные на противоположных концах корпуса, стакан, размещенный на корпусе с возможностью свободного осевого перемещения и насаженный на манжету, закрепленную со стороны штуцера, а радиальные отверстия выполнены на уровне полости данной манжеты.A device for the hydraulic destruction of rocks by ed. St. USSR No. 1788236, cl. E 21 C 37/06, publ. in BI No. 2, 1993, including a cylindrical body with radial holes, an inlet fitting installed in the end of the body, sealing devices in the form of self-sealing bell-shaped cuffs, mounted on opposite ends of the body, a glass placed on the body with the possibility of free axial movement and mounted on the cuff mounted on the nozzle side, and the radial holes are made at the level of the cavity of the cuff.

Это устройство при одноразовой подаче в скважину способно образовывать только одну трещину, что обуславливает низкую эффективность его работы.This device with a one-time supply to the well is capable of forming only one crack, which leads to a low efficiency of its work.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для разрушения горных пород гидроразрывом по патенту РФ №2209970, кл. E 21 С 37/10, опубл. в БИ №22, 2003 г., включающее полый цилиндрический корпус с радиальными отверстиями, самоуплотняющиеся манжеты, закрепленные на противоположных концах корпуса. На самоуплотняющиеся манжеты надета трубка из эластичного материала, образующая с ними и полым цилиндрическим корпусом замкнутую полость. Полый цилиндрический корпус на одном конце имеет кольцевой выступ, а его противоположный конец связан с трубой для подачи жидкости, имеющей также кольцевой выступ. Самоуплотняющиеся манжеты основаниями примыкают соответственно к кольцевым выступам корпуса и трубы.The closest in technical essence and the set of essential features is a device for fracturing rocks by hydraulic fracturing according to the patent of the Russian Federation No. 2209970, class. E 21 C 37/10, publ. in BI No. 22, 2003, which includes a hollow cylindrical body with radial holes, self-sealing cuffs mounted on opposite ends of the body. A self-sealing cuff is fitted with a tube of elastic material that forms a closed cavity with them and a hollow cylindrical body. A hollow cylindrical body at one end has an annular protrusion, and its opposite end is connected to a pipe for supplying liquid, which also has an annular protrusion. Self-sealing cuffs with bases adjacent respectively to the annular protrusions of the housing and pipe.

В этом устройстве после проведения гидроразрыва необходимо заменять трубку из эластичного материала. Оно при одноразовой подаче в скважину способно образовывать только одну трещину. Это обуславливает сравнительно низкую эффективность работы устройства.In this device, after hydraulic fracturing, it is necessary to replace the tube of elastic material. With a one-time supply to the well, it is capable of forming only one crack. This leads to a relatively low efficiency of the device.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, заключается в повышении эффективности его работы за счет возможности при одноразовой подаче в скважину образовывать несколько трещин.The technical problem solved by the proposed device is to increase the efficiency of its operation due to the ability to form several cracks during a one-time supply to the well.

Задача решается тем, что в устройстве для разрушения горных пород гидроразрывом, включающем полый цилиндрический корпус с радиальными отверстиями и кольцевыми выступами на концах, самоуплотняющиеся манжеты, закрепленные на противоположных концах корпуса и примыкающие основаниями к его кольцевым выступам, согласно предлагаемому техническому решению на кольцевые выступы корпуса надеты стаканы с центральными отверстиями в основании, внутри стаканов между их дном и корпусом установлены пружины, а через стаканы и корпус пропущена трубка с возможностью продольного перемещения относительно корпуса, имеющая радиальные отверстия, кольцевой выступ на одном конце и внешнюю резьбу на другом конце, при этом трубка герметизирована со стороны кольцевого выступа, ее радиальные отверстия находятся в зоне радиальных отверстий корпуса, один стакан основанием уперт в кольцевой выступ трубки, а другой стакан связан с трубкой резьбовым соединением.The problem is solved in that in the device for fracturing rocks by hydraulic fracturing, comprising a hollow cylindrical body with radial holes and ring protrusions at the ends, self-sealing cuffs mounted on opposite ends of the housing and adjacent bases to its annular protrusions, according to the proposed technical solution for the annular protrusions of the housing glasses with central holes in the base are put on, springs are installed inside the glasses between their bottom and the body, and a tube is passed through the glasses and the body with the possibility of longitudinal movement relative to the housing, having radial openings, an annular protrusion at one end and an external thread at the other end, the tube being sealed on the side of the annular protrusion, its radial openings are in the area of the radial openings of the housing, one glass with its base resting on the annular protrusion of the tube and the other glass is connected to the tube by a threaded connection.

Стаканы с центральными отверстиями в основании, надетые на кольцевые выступы корпуса, способны вмещать самоуплотняющиеся манжеты (далее - манжеты), уменьшая их диаметр, и тем самым обеспечивать беспрепятственное перемещение устройства по скважине. Установленные внутри стаканов между их дном и корпусом пружины при неподвижном состоянии устройства в скважине освобождают манжеты от стаканов. Пропущенная через стаканы и корпус трубка с возможностью продольного перемещения относительно корпуса, имеющая радиальные отверстия, кольцевой выступ на одном конце и внешнюю резьбу на другом конце, позволяет перемещать стаканы относительно манжет (в случае их распора о стенки скважины) и подавать жидкость к корпусу. Благодаря герметизации трубки со стороны кольцевого выступа и тому, что ее радиальные отверстия находятся в зоне радиальных отверстий корпуса, жидкость поступает только на участок скважины, ограниченный манжетами. Указанная совокупность признаков позволяет образовывать трещину, после чего перемещать устройство вдоль скважины в любом направлении (к забою или от него) для создания в другом месте следующей трещины без его извлечения из скважины. Таким образом, обеспечивается возможность при одноразовой подаче устройства в скважину образовывать несколько трещин, что повышает эффективность его работы.Glasses with central holes in the base, worn on the annular protrusions of the body, can accommodate self-sealing cuffs (hereinafter - cuffs), reducing their diameter, and thereby ensure unhindered movement of the device along the well. Installed inside the cups between their bottom and the spring body, when the device is stationary in the well, the cuffs are removed from the cups. A tube passed through the glasses and the casing with the possibility of longitudinal movement relative to the casing, having radial holes, an annular protrusion at one end and an external thread at the other end, allows the glasses to be moved relative to the cuffs (in the event of their expansion against the borehole walls) and to supply fluid to the casing. Due to the sealing of the tube from the side of the annular protrusion and the fact that its radial openings are located in the area of the radial openings of the casing, the fluid flows only to the well section limited by the cuffs. The specified set of features allows you to create a crack, and then move the device along the well in any direction (to the bottom or away from it) to create another crack in another place without removing it from the well. Thus, it is possible with a single supply of the device into the well to form several cracks, which increases its efficiency.

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 устройство для разрушения горных пород гидроразрывом, продольный разрез.The drawing shows a device for the destruction of rocks by hydraulic fracturing, a longitudinal section.

Устройство для разрушения горных пород гидроразрывом состоит из полого цилиндрического корпуса 1 с радиальными отверстиями 2 и кольцевыми выступами 3 на концах. Один из кольцевых выступов 3 образован установкой на конце корпуса 1 кольца 4 с помощью резьбового соединения (поз. не обозначено). На противоположных концах корпуса 1 закреплены манжеты 5 (самоуплотняющиеся), которые основаниями примыкают к кольцевым выступам 3. На кольцевые выступы 3 корпуса 1 надеты стаканы 6 и 7 с центральными отверстиями в основании (поз. не обозначены). Внутри стаканов 6 и 7 между их дном и корпусом 1 установлены пружины 8. Через стаканы 6 и 7 и корпус 1 пропущена трубка 9 с возможностью продольного перемещения относительно корпуса 1, имеющая радиальные отверстия 10, кольцевой выступ 11 на одном конце и внешнюю резьбу (поз. не обозначена) на другом конце. Трубка 9 герметизирована (не имеет торцевого выхода) со стороны кольцевого выступа 11. Ее радиальные отверстия 10 находятся в зоне радиальных отверстий 2 корпуса 1. Один стакан 6 основанием опирается в кольцевой выступ 11 трубки 9, а другой стакан 7 связан с трубкой 9 резьбовым соединением (поз. не обозначено). Устройство с помощью резьбы на трубке 9 подсоединено к колонне труб 12 и подано в скважину 13 для формирования трещин 14.The device for fracturing rocks by hydraulic fracturing consists of a hollow cylindrical body 1 with radial holes 2 and annular protrusions 3 at the ends. One of the annular protrusions 3 is formed by installing at the end of the housing 1 of the ring 4 using a threaded connection (pos. Not indicated). At the opposite ends of the housing 1, cuffs 5 (self-sealing) are fixed, which bases adjoin the annular projections 3. On the annular projections 3 of the housing 1, glasses 6 and 7 with central holes in the base are put on (poses are not indicated). Springs 8 are installed inside the cups 6 and 7 between their bottom and the body 1. A tube 9 is passed through the cups 6 and 7 and the body 1 with the possibility of longitudinal movement relative to the body 1, having radial holes 10, an annular protrusion 11 at one end and an external thread (pos. .not indicated) on the other end. The tube 9 is sealed (does not have an end outlet) from the side of the annular protrusion 11. Its radial holes 10 are located in the zone of the radial holes 2 of the housing 1. One glass 6 is supported by the base in the annular protrusion 11 of the tube 9, and the other glass 7 is connected to the tube 9 by a threaded connection (pos. not indicated). The device using thread on the tube 9 is connected to the pipe string 12 and is fed into the well 13 to form cracks 14.

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

Устройство с помощью резьбы на трубке 9 подсоединяют к колонне труб 12 и подают в скважину 13. Диаметры манжет 5 в исходном состоянии (до подачи в скважину 13) больше диаметра скважины 13 и поэтому они прижимаются к ее стенкам. За счет трения о стенки скважины 13 манжета 5, основание которой направлено против движения устройства, распирается и оказывает существенное сопротивление движению корпуса 1. От этого трубка 9 смещается относительно корпуса 1 в направлении движения устройства. При этом соответствующий стакан 6 или 7 надевается на эту манжету 5, за счет чего она отжимается от стенок скважины 13 и перестает препятствовать движению устройства. Это обеспечивает возможность перемещения устройства по скважине 13 в любом направлении. Устройство в скважину 13 подают таким образом, чтобы место, где предполагают сформировать трещину 14, оказывалось между манжетами 5. Отметим, что в ряде случаев трещины 14 формируют из инициирующих щелей (на чертеже не показаны), которые предварительно прорезают на стенках скважины 13 и имеют форму диска с острыми внешними краями. Когда движение устройства по скважине 13 прекращается, за счет пружин 8 корпус 1 на трубке 9 устанавливается таким образом, что манжеты 5 оказываются вне стаканов 6 и 7 и поэтому прижатыми к стенкам скважины 13, а радиальные отверстия 10 оказываются в зоне радиальных отверстий 2. По колонне труб 12 подают жидкость под давлением, которая через трубку 9, радиальные отверстия 10 и 2 проникает на участок скважины 13, ограниченный манжетами 5, и воздействует на горную породу, от чего в породном массиве возникает и начинает развиваться трещина 14. Сформировав трещину 14 нужных размеров путем подачи в нее требуемого объема жидкости, устройство перемещают вдоль скважины 13 на другой участок для формирования следующей трещины 14. Сформировав нужное количество трещин 14, устройство извлекают из скважины 13.The device using the thread on the tube 9 is connected to the pipe string 12 and is fed into the well 13. The diameters of the cuffs 5 in the initial state (before being fed into the well 13) are larger than the diameter of the well 13 and therefore they are pressed against its walls. Due to friction against the walls of the well 13, the cuff 5, the base of which is directed against the movement of the device, bursts and exerts substantial resistance to the movement of the housing 1. From this, the tube 9 is displaced relative to the housing 1 in the direction of movement of the device. In this case, the corresponding cup 6 or 7 is put on this cuff 5, due to which it is wrung out from the walls of the borehole 13 and ceases to impede the movement of the device. This makes it possible to move the device along the well 13 in any direction. The device is fed into the well 13 in such a way that the place where it is supposed to form a crack 14 is between the cuffs 5. Note that in some cases cracks 14 are formed from initiating slots (not shown in the drawing), which are pre-cut on the walls of the well 13 and have disk shape with sharp outer edges. When the device’s movement along the well 13 stops, due to the springs 8, the housing 1 on the tube 9 is installed so that the cuffs 5 are outside the cups 6 and 7 and therefore pressed against the walls of the well 13, and the radial holes 10 are in the area of the radial holes 2. the pipe string 12 is supplied with liquid under pressure, which penetrates through the pipe 9, the radial holes 10 and 2 to the section of the borehole 13, limited by the cuffs 5, and acts on the rock, from which a crack 14 arises and begins to develop in the rock mass. 14 reschinu desired size by feeding into it a desired volume of liquid, the apparatus is moved along the borehole 13 to another portion to form the next fracture 14. Having formed a desired number of the cracks 14, the device 13 is removed from the well.

Известно, что жидкость, подаваемая на участок скважины 13, ограниченный манжетами 5, способна повышать герметичность скважины 13 за счет придавливания к ее стенкам манжет 5 и тем самым обеспечивать возможность повышения ее давления до разрыва горной породы. Для этого требуется, чтобы в начальный момент подачи жидкости между манжетами 5 и стенками скважины 13 не было зазора (манжеты 5 прижимались к стенкам скважины 13). Это условие в устройстве выполняется тем, что в исходном состоянии (до подачи его в скважину 13) диаметры манжет 5 больше диаметра скважины 13. Однако такое решение обуславливает известные трудности перемещения устройства по скважине 13. Манжета 5, основание которой направлено против ее движения, распирается о стенки скважины 13 и препятствует перемещению устройства вплоть до его повреждения. Для устранения этого недостатка устройство снабжено стаканами 6 и 7. При движении устройства в направлении забоя скважины 13 свою функцию выполняет стакан 7, а при движении устройства в направлении устья скважины 13 - стакан 6. Когда манжета 5, основание которой направлено против ее движения, оказывает большое сопротивление перемещению устройства по скважине 13, трубка 9 смещается относительно корпуса 1. Так как стаканы 6 и 7 связаны с трубкой 9, а манжеты 5 с корпусом 1, то при перемещении трубки 9 относительно корпуса 1 стаканы 6 или 7 перемещаются относительно манжет 5. Один из стаканов 6 или 7 надвигается на манжету 5, ослабляя (или устраняя) контакт манжеты 5 со стенками скважины 13. Отметим, что некоторое сопротивление перемещению устройства по скважине 13 оказывает и та манжета 5, основание которой направлено по движению. Это сопротивление в работе устройства является полезным. Из-за него можно так подобрать упругость пружин 8, чтобы во время перемещения устройства находящаяся в стакане 6 или 7 манжета 5 не выталкивалась из него и тем самым не вступала в контакт со стенками скважины 13. В результате устраняется циклическое торможение устройства, обусловленное возможностью периодического выталкивания пружиной 8 манжеты 5 из стакана 6 или 7. Глубину, на которую подают устройство в скважину 13, определяют по длине колонны труб 12. Для уверенности в том, что корпус 1 на трубке 9 находится в нужном положении, после подачи устройства в скважину 13 на требуемую глубину осуществляют возвратно-поступательное движение (один или несколько раз) колонной труб 12 на величину несколько сантиметров (размер манжеты 5 вдоль ее оси). Размеры кольцевых выступов 3 выбирают такими, чтобы между ними и стаканами 6 и 7 не образовывались зазоры, способные пропускать грязь.It is known that the fluid supplied to the section of the borehole 13, limited by the cuffs 5, is able to increase the tightness of the borehole 13 by pressing the cuffs 5 against its walls and thereby provide the possibility of increasing its pressure before breaking the rock. This requires that at the initial moment of fluid supply between the cuffs 5 and the walls of the well 13 there should be no gap (the cuffs 5 were pressed against the walls of the well 13). This condition in the device is fulfilled by the fact that in the initial state (before feeding it into the well 13), the diameters of the cuffs 5 are larger than the diameter of the well 13. However, this solution causes known difficulties in moving the device along the well 13. The cuff 5, the base of which is directed against its movement, bursts about the walls of the borehole 13 and prevents the device from moving up to its damage. To eliminate this drawback, the device is equipped with glasses 6 and 7. When the device moves in the direction of well bottom 13, glass 7 performs its function, and when the device moves in the direction of the wellhead 13, glass 6. When the cuff 5, the base of which is directed against its movement, has a great resistance to the movement of the device along the well 13, the tube 9 is shifted relative to the housing 1. Since the glasses 6 and 7 are connected to the tube 9 and the cuff 5 to the housing 1, when moving the tube 9 relative to the housing 1, the glasses 6 or 7 move from ositelno cuffs 5. One cup 6 or 7 is pushed over the collar 5, weakening (or eliminating) the cuff 5 contact with the borehole wall 13. Note that some resistance to movement of the device through the borehole 13 and that has a cuff 5, the base of which is directed along the movement. This resistance to the operation of the device is useful. Because of it, it is possible to choose the elasticity of the springs 8 so that during the movement of the device, the cuff 5 located in the cup 6 or 7 does not push out of it and thereby does not come into contact with the walls of the well 13. As a result, cyclic braking of the device due to the possibility of periodic ejection by the spring 8 of the cuff 5 from the cup 6 or 7. The depth to which the device is fed into the well 13 is determined by the length of the pipe string 12. To ensure that the housing 1 on the tube 9 is in the right position, after the device is fed CTBA in the well 13 to the desired depth perform reciprocating motion (one or more times) the tubing string 12 by the amount of a few centimeters (size cuffs 5 along its axis). The dimensions of the annular protrusions 3 are chosen such that between them and the glasses 6 and 7 no gaps are formed that are capable of passing dirt.

На чертеже представлен упрощенный вариант устройства, достаточный для описания сути технического решения. Фактически устройство имеет уплотнительные элементы и может быть снабжено дополнительными деталями, например спиралями в виде колец (как в прототипе), что позволяет применять его и для разрыва горной породы высокой прочности (гранит, диабаз).The drawing shows a simplified version of the device, sufficient to describe the essence of the technical solution. In fact, the device has sealing elements and can be equipped with additional parts, for example, spirals in the form of rings (as in the prototype), which allows it to be used to break a rock of high strength (granite, diabase).

Claims

A device for fracturing rocks with hydraulic fracturing, including a hollow cylindrical body with radial holes and annular protrusions at the ends, self-sealing cuffs mounted on opposite ends of the housing and adjacent bases to its annular protrusions, characterized in that glasses with central holes are put on the annular protrusions of the housing the base, springs are installed inside the cups between their bottom and the body, and a tube is passed through the cups and the body with the possibility of longitudinal movement It has a radial hole, an annular protrusion at one end and an external thread at the other end, while the tube is sealed on the side of the annular protrusion, its radial holes are in the zone of the radial holes of the housing, one glass is rested against the ring protrusion of the tube, and the other glass connected to the tube by a threaded connection.