RU2471986C1

RU2471986C1 - Well device to form directed cracks

Info

Publication number: RU2471986C1
Application number: RU2011131303/03A
Authority: RU
Inventors: Николай Георгиевич Кю
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт горного дела Сибирского отделения РАН
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2013-01-10

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: device comprises a tubular shell with longitudinal slots, filled with a plastic substance, a sleeve screwed onto its end and having a threaded central hole, where a screw is screwed in, and an elastic shell placed onto a tubular shell. The screw is made in the form of a bushing with an outer thread, where a rod is inserted as capable of longitudinal displacement limited in its respect. In the elastic shell there are longitudinal slots made that match with longitudinal slots of the tubular shell. The bushing with the outer thread and the rod are connected to each other so that they eliminate possibility of their rotation relative to each other.

EFFECT: increased efficiency of device operation.

2 cl, 2 dwg

Description

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для добычи ценного кристаллического сырья и природного камня, разборки завалов и сооружений, дробления негабаритов.The technical solution relates to mining and can be used for the extraction of valuable crystalline raw materials and natural stone, dismantling debris and structures, crushing oversized materials.

Известно распорное устройство по патенту РФ №2236585, кл. E21C 37/10, опубл. в БИ №26, 2004 г., включающее трубчатую оболочку с торцевыми элементами. Трубчатая оболочка выполнена из продольных металлических полос, которые установлены внахлест и жестко скреплены на концах. Трубчатая оболочка заполнена пластичным веществом. В одном ее конце установлена заглушка, а на другой ее конец надето кольцо с внешней резьбой, на которое навинчен стакан, имеющий центральное отверстие с резьбой, куда ввинчен винт с рукоятками.Known spacer device according to the patent of the Russian Federation No. 2236585, class. E21C 37/10, publ. in BI No. 26, 2004, including a tubular shell with end elements. The tubular casing is made of longitudinal metal strips that are overlapped and rigidly fastened at the ends. The tubular shell is filled with a plastic substance. A plug is installed at one end, and a ring with an external thread is put on its other end, onto which a glass is screwed, having a central hole with a thread, into which a screw with handles is screwed.

В этом устройстве отсутствует возможность подачи в формируемую трещину пластичного вещества. Поэтому оно способно формировать трещины сравнительно малых размеров, ограниченных усилием распора и величиной раздвижения боковых поверхностей, что обуславливает его относительно низкую эффективность.In this device, there is no possibility of supplying a plastic substance into the formed crack. Therefore, it is able to form cracks of relatively small sizes, limited by the force of the spread and the magnitude of the extension of the side surfaces, which leads to its relatively low efficiency.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является скважинное устройство для образования направленных трещин по патенту РФ №2383735, кл. E21C 37/00, E21B 43/26, опубл. в БИ №7, 2010 г., включающее трубчатую оболочку, заполненную пластичным веществом. В одном ее конце установлена заглушка, а на другой ее конец навинчен стакан, имеющий центральное отверстие с резьбой, куда ввинчен винт с рукояткой. В трубчатой оболочке выполнены продольные прорези, а между ее внутренней поверхностью и пластичным веществом установлена трубка с продольными прорезями таким образом, что продольные прорези трубчатой оболочки и трубки совпадают в плоскости формирования трещины и не совпадают в других местах, при этом на трубчатую оболочку надета эластичная оболочка.The closest in technical essence and combination of essential features is a downhole device for the formation of directed cracks according to the patent of the Russian Federation No. 2383735, class. E21C 37/00, E21B 43/26, publ. in BI No. 7, 2010, including a tubular shell filled with a plastic substance. A plug is installed at one end, and a glass is screwed onto its other end, having a central threaded hole, into which a screw with a handle is screwed. Longitudinal slots are made in the tubular shell, and a tube with longitudinal slots is installed between its inner surface and the plastic material so that the longitudinal cuts of the tubular shell and the tube coincide in the plane of crack formation and do not coincide in other places, while the elastic shell is worn .

Это устройство позволяет подавать пластичное вещество только в статическом режиме. При этом оно должно обеспечивать герметизацию скважины при максимальном давлении, необходимом для образования начальной трещины, что связано с известными трудностями, обусловленными большими нагрузками на узлы нагнетания и герметизирующие элементы. Кроме этого, при статическом режиме нагнетания на ориентацию начальной трещины существенное влияние оказывают различные неоднородности и плоскости ослабления в породном массиве. Поэтому устройство обладает сравнительно низкой эффективностью.This device allows you to submit plastic substance only in static mode. At the same time, it should ensure the sealing of the well at the maximum pressure necessary for the formation of the initial crack, which is associated with known difficulties caused by high loads on the injection units and sealing elements. In addition, in the static injection mode, the orientation of the initial crack is significantly affected by various inhomogeneities and weakening planes in the rock mass. Therefore, the device has a relatively low efficiency.

Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности устройства за счет снижения нагрузки на составляющие его конструктивные элементы и снижения влияния структуры породного массива на ориентацию создаваемой трещины.The technical problem to be solved is to increase the efficiency of the device by reducing the load on its constituent structural elements and reducing the influence of the rock mass structure on the orientation of the created crack.

Задача решается тем, что в скважинном устройстве для образования направленных трещин, включающем трубчатую оболочку с продольными прорезями, заполненную пластичным веществом, стакан, навинченный на ее конец и имеющий центральное отверстие с резьбой, куда ввинчен винт, и эластичную оболочку, надетую на трубчатую оболочку, согласно техническому решению винт выполнен в виде втулки с внешней резьбой, в которую вставлен стержень с возможностью ограниченного относительно нее продольного перемещения, при этом в эластичной оболочке выполнены продольные прорези, совпадающие с продольными прорезями трубчатой оболочки, а втулка с внешней резьбой и стержень связаны между собой таким образом, что исключают возможность вращения друг относительно друга.The problem is solved in that in a downhole device for the formation of directional cracks, including a tubular shell with longitudinal slots filled with a plastic substance, a glass screwed onto its end and having a central hole with a thread where the screw is screwed, and an elastic shell worn on the tubular shell, according to the technical solution, the screw is made in the form of a sleeve with an external thread, into which the rod is inserted with the possibility of longitudinal movement limited relative to it, while in the elastic shell longitudinal slots coinciding with the longitudinal slots of the tubular shell, and the sleeve with external thread and the rod are interconnected in such a way that they exclude the possibility of rotation relative to each other.

Такое техническое решение позволяет при образовании начальной трещины воздействовать на стенки скважины одновременно статическим и динамическим усилиями. Статическое усилие придавливает боковую поверхность устройства к стенкам скважины, тем самым герметизируя ее, и создает в намеченной области начальное напряжение, меньшее, чем прочность горной породы на растяжение. Динамическое усилие возникает в момент приложения к свободному концу стержня ударной нагрузки. От этого в пластичном веществе в месте его контакта с торцом стержня создается импульс давления, который совместно со статическим усилием через прорези трубчатой и эластичной оболочек воздействуют на стенки скважины с образованием начальной трещины в породном массиве в плоскости расположения прорезей. Импульс давления действует только в области, непосредственно прилегающей к месту контакта торца стержня и пластичного вещества. Затем с удалением от указанного места он резко затухает (в пластичной среде) и поэтому практически не создает дополнительные нагрузки на другие (кроме торца стержня) конструктивные элементы устройства. Начальная трещина концентрирует по границе напряжение. Поэтому дальнейшее ее развитие происходит при существенно меньшем давлении, чем при ее возникновении. По этой же причине (концентрации напряжений на границе) начальная трещина нейтрализует влияние на плоскость разрыва горной породы структурных особенностей породного массива. Выполнение в эластичной оболочке продольных прорезей, совпадающих с продольными прорезями трубчатой оболочки, позволяет эластичную оболочку использовать многократно. Исключение возможности вращения втулки с внешней резьбой и стержня друг относительно друга обеспечивает вращение втулки с внешней резьбой при вращении стержня. Таким образом, предлагаемое техническое решение, благодаря возможности одновременного воздействия на стенки скважины статическим и динамическим усилиями, повышает эффективность устройства за счет снижения нагрузки на составляющие его конструктивные элементы и снижения влияния структуры породного массива на ориентацию создаваемой трещины.This technical solution allows the formation of the initial fracture to act on the walls of the well with both static and dynamic forces. The static force presses the side surface of the device against the walls of the well, thereby sealing it, and creates in the intended area an initial stress less than the tensile strength of the rock. Dynamic force occurs at the moment of application of the shock load to the free end of the rod. As a result, a pressure impulse is created in the plastic substance at its contact with the end face of the rod, which, together with the static force, acts on the borehole walls through the slits of the tubular and elastic shells to form an initial crack in the rock mass in the plane of the slots. The pressure pulse acts only in the area immediately adjacent to the contact point of the end of the rod and the plastic substance. Then, with distance from the indicated place, it abruptly damps (in a plastic medium) and therefore practically does not create additional loads on other (except the end of the rod) structural elements of the device. The initial crack concentrates stress along the boundary. Therefore, its further development occurs at a significantly lower pressure than when it occurs. For the same reason (stress concentration at the boundary), the initial crack neutralizes the influence of structural features of the rock mass on the rock fracture plane. The execution in the elastic shell of the longitudinal slots, coinciding with the longitudinal slots of the tubular shell, allows the elastic shell to be reused. The elimination of the possibility of rotation of the sleeve with an external thread and the rod relative to each other provides rotation of the sleeve with an external thread during rotation of the rod. Thus, the proposed technical solution, due to the possibility of simultaneous impact on the walls of the well with static and dynamic forces, increases the efficiency of the device by reducing the load on its constituent structural elements and reducing the influence of the rock mass structure on the orientation of the created fracture.

Целесообразно на выходящем из втулки конце стержня со стороны пластичного вещества выполнить ступенчатое утолщение, перекрывающее торец втулки. Это предохраняет втулку от динамического воздействия импульса давления, возникающего при ударной нагрузке на стержень, что повышает надежность и, следовательно, эффективность работы устройства.It is advisable at the outlet end of the rod from the sleeve from the side of the plastic substance to perform a stepwise thickening overlapping the end face of the sleeve. This protects the sleeve from the dynamic effects of the pressure pulse arising from the shock load on the rod, which increases the reliability and, therefore, the efficiency of the device.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами (фиг.1, 2).The essence of the technical solution is illustrated by an example of a specific design and drawings (figure 1, 2).

На фиг.1 показан общий вид скважинного устройства для образования направленных трещин, продольный разрез; на фиг.2 - повернутый на 90° разрез А-А на фиг.1 при создании трещины.Figure 1 shows a General view of the downhole device for the formation of directed cracks, a longitudinal section; figure 2 is a section rotated through 90 ° aa in figure 1 when creating a crack.

Скважинное устройство для образования направленных трещин (фиг.1, 2) состоит из трубчатой оболочки в виде стакана 1 с продольными прорезями 2 (далее - прорези 2) и резьбой 3 на конце (фиг.1). Трубчатая оболочка заполнена пластичным веществом 4. На резьбу 3 навинчен стакан 5, имеющий центральное отверстие (на фиг.1 не обозначено) с резьбой 6, куда ввинчен винт в виде втулки 7 с внешней резьбой 8. Во втулку 7 вставлен стержень 9 с возможностью ограниченного относительно нее продольного перемещения. На трубчатую оболочку в виде стакана 1 (далее - стакан 1) надета эластичная оболочка 10 (далее - оболочка 10) с продольными прорезями (на фиг.1 не обозначены), совпадающими с прорезями 2. Втулка 7 и стержень 9 связаны между собой таким образом, что исключают возможность вращения друг относительно друга. Для этого поперечные сечения взаимодействующих частей стержня 9 и отверстия втулки 7 выполнены в виде квадратов 11 (фиг.2). На выходящем из втулки 7 конце стержня 9 со стороны пластичного вещества 4 выполнено ступенчатое утолщение 12 (далее - утолщение 12), перекрывающее торец втулки 7. На противоположном утолщению 12 конце стержня 9 посредством резьбы 13 навинчена головка 14 под ключ до упора в торец стержня 9. Устройство подано в скважину 15 для сформирования в ее стенках трещины 16.The downhole device for the formation of directed cracks (Figs. 1, 2) consists of a tubular shell in the form of a cup 1 with longitudinal slots 2 (hereinafter, slots 2) and a thread 3 at the end (Fig. 1). The tubular shell is filled with a plastic substance 4. A glass 5 is screwed onto the thread 3, having a central hole (not indicated in FIG. 1) with thread 6, into which a screw is screwed in the form of a sleeve 7 with an external thread 8. A rod 9 is inserted into the sleeve 7 with the possibility of limited relative to it of longitudinal movement. An elastic shell 10 (hereinafter referred to as shell 10) with longitudinal slots (not indicated in FIG. 1) matching the slots 2 is put on a tubular shell in the form of a cup 1 (hereinafter referred to as cup 1), the sleeve 7 and the rod 9 are interconnected in such a way that exclude the possibility of rotation relative to each other. For this, the cross sections of the interacting parts of the rod 9 and the holes of the sleeve 7 are made in the form of squares 11 (figure 2). A step thickening 12 (hereinafter referred to as thickening 12) is made at the end of the rod 9 emerging from the sleeve 7 from the side of the plastic substance 4, overlapping the end of the sleeve 7. At the opposite thickening 12 of the end of the rod 9, the turnkey 14 is screwed on to the end of the rod 9 against the stop. The device is fed into the well 15 to form cracks 16 in its walls.

Отметим, что трещина 16 на фиг.1 не показана для наглядности.Note that the crack 16 in figure 1 is not shown for clarity.

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

Устройство со стороны дна стакана 1 подают в скважину 15 (фиг.1) до упора стакана 1 в забой либо упора стакана 5 в устье. С помощью головки 14 и стержня 9 вращают втулку 7 в направлении ее вхождения в стакан 1, от чего утолщение 12 воздействует на пластичное вещество 4 и повышает в нем давление. При этом боковые поверхности стакана 1 раздвигаются и прижимают оболочку 10 к горной породе, от чего скважина 15 герметизируется и давление в ней повышается. Вращение втулки 7 прекращают при достижении давления в пластичном веществе 4 заданной величины, что оценивается по моменту вращения головки 14. Затем через головку 14 на стержень 9 воздействуют ударной нагрузкой, например, при помощи кувалды, что создает импульс давления в пластичном веществе 4 в месте его контакта с утолщением 12. Под действием импульса давления пластичное вещество 4 проявляет свойство твердого тела - в данном случае оно воздействует на горную породу через прорези 2 и прорези оболочки 10 подобно клину, ориентированному вдоль оси скважины 15. В результате совместного воздействия статического и импульсного давлений в стенках скважины 15 возникает начальная трещина 16 в плоскости расположения прорезей 2. После этого начальную трещину 16 развивают до нужных размеров подачей в нее пластичного вещества 4 вращением втулки 7 в направлении вхождения ее в стакан 1. После образования трещины 16 нужных размеров, вращением втулки 7 в направлении ее выхода из стакана 1 сбрасывают давление в пластичном веществе 4, и устройство извлекают из скважины 15.The device from the bottom of the cup 1 is fed into the well 15 (Fig. 1) until the cup 1 rests in the bottom or the cup 5 stops at the mouth. Using the head 14 and the rod 9 rotate the sleeve 7 in the direction of its entry into the glass 1, from which the thickening 12 acts on the plastic substance 4 and increases the pressure in it. In this case, the side surfaces of the glass 1 are moved apart and press the shell 10 against the rock, from which the well 15 is sealed and the pressure in it rises. The rotation of the sleeve 7 is stopped when the pressure in the plastic substance 4 reaches a predetermined value, which is estimated by the moment of rotation of the head 14. Then, through the head 14, an impact load is applied to the rod 9, for example, using a sledgehammer, which creates a pressure pulse in the plastic substance 4 in its place contact with the thickening 12. Under the influence of a pressure pulse, the plastic substance 4 exhibits the property of a solid - in this case, it acts on the rock through the slots 2 and the slots of the shell 10 like a wedge oriented along and borehole 15. As a result of the combined action of static and impulse pressures in the borehole walls 15, an initial crack 16 arises in the plane of the slots 2. After that, the initial crack 16 is developed to the required size by feeding plastic substance 4 into it by rotating the sleeve 7 in the direction of its entry into the glass 1. After the formation of cracks 16 of the desired size, the rotation of the sleeve 7 in the direction of its exit from the cup 1 release the pressure in the plastic substance 4, and the device is removed from the well 15.

Работа устройства основана на использовании закономерностей взаимодействия среды и внедряющегося в нее пластичного вещества 4, нагнетаемого при давлении как постоянном, так и меняющемся в виде импульса. При постоянном давлении пластичное вещество 4 в большой степени проявляет свойство жидкости. Давление передается на значительное расстояние, практически распространяется по всему объему стакана 1, от чего наблюдается эффект гидравлического усиления. Эту особенность целесообразно использовать для развития имеющихся трещин. В этом случае горная порода, прочность которой на растяжение в среднем примерно в десять раз меньше ее прочности на сжатие, разрушается растягивающими усилиями. Давление, необходимое для развития трещины 16, падает с увеличением ее размеров. Трещина 16 на своей границе концентрирует напряжения, существенно облегчающие разрушение горной породы. Однако для образования трещины 16 (начала разрушения горной породы) требуется давление, равное прочности горной породы. Прочность горных пород, например гранитов и их аналогов, только на растяжение может достигать 30 и более МПа. Такое давление обуславливает большие нагрузки на узлы и герметизирующие элементы устройства и повышает вероятность разрыва горной породы в местах нахождения неоднородностей на всем протяжении прорезей 2. Отметим, что давление, необходимое на создание трещины 16, может в десять и более раз превышать давление, достаточное на ее развитие. При импульсном повышении давления пластичное вещество 4 во время действия импульса в большей мере проявляет свойство твердого легкодеформируемого тела (например, из свинца), способного передавать усилие контактирующим с ним поверхностям, в том числе ориентированным под прямым углом к направлению действия ударной нагрузки. В предлагаемом устройстве это обуславливает передачу ударной нагрузки от стержня 9 (расширения 12) стенкам скважины 15 (через прорези 2 и прорези оболочки 10). Из-за малого расстояния зоны возникновения импульса давления до горной породы, равного суммарной толщине стенок стакана 1 и оболочки 10, в стенках скважины 15 вблизи утолщения 12 создаются высокие напряжения, образующие начальную трещину 16. При этом зона влияния ударной нагрузки на давление в пластичном веществе 4 ограничивается областью, непосредственно прилегающей к расширению 12. Далее энергия импульса давления, имеющего малую длительность, рассредоточивается по всему объему пластичного вещества 4, и поэтому он быстро и на сравнительно малом расстоянии от источника затухает.The operation of the device is based on the use of the laws of interaction of the medium and the plastic substance 4 introduced into it, injected at a pressure both constant and changing in the form of a pulse. At constant pressure, the plastic substance 4 to a large extent exhibits the property of a liquid. The pressure is transmitted over a considerable distance, practically spreads over the entire volume of the cup 1, from which the effect of hydraulic amplification is observed. It is advisable to use this feature for the development of existing cracks. In this case, the rock, whose tensile strength is on average about ten times less than its compressive strength, is destroyed by tensile forces. The pressure necessary for the development of the crack 16, decreases with increasing size. Crack 16 at its boundary concentrates stresses that significantly facilitate the destruction of the rock. However, for the formation of a crack 16 (the beginning of the destruction of the rock) requires a pressure equal to the strength of the rock. The strength of rocks, such as granites and their analogues, only in tension can reach 30 or more MPa. This pressure causes large loads on the nodes and sealing elements of the device and increases the likelihood of a rock rupture at the locations of heterogeneities throughout the slots 2. Note that the pressure required to create a crack 16 may be ten or more times the pressure sufficient for it development. With a pulsed increase in pressure, the plastic substance 4 exhibits the property of a solid, easily deformable body (for example, lead), which is capable of transmitting force to the surfaces in contact with it, including those oriented at right angles to the direction of impact. In the proposed device, this causes the transmission of the shock load from the rod 9 (extension 12) to the walls of the well 15 (through the slots 2 and the slots of the shell 10). Due to the small distance of the zone of occurrence of the pressure impulse to the rock, equal to the total wall thickness of the cup 1 and shell 10, high stresses are created in the walls of the well 15 near the thickening 12, which form the initial crack 16. In this case, the zone of influence of the shock load on the pressure in the plastic substance 4 is limited to the region immediately adjacent to the extension 12. Next, the energy of the pressure pulse, having a short duration, is dispersed throughout the volume of the plastic substance 4, and therefore it is fast and relatively small scrap distance fades from the source.

В качестве пластичного вещества 4 предполагается использовать смесь глины и отработанного машинного масла. Устройство легко механизировать, например, путем вращения головки 14 гайковертом.As a plastic substance 4, it is proposed to use a mixture of clay and used engine oil. The device is easily mechanized, for example, by rotating the head 14 with a wrench.

Claims

1. A downhole device for the formation of directional cracks, including a tubular shell with longitudinal slots filled with a plastic substance, a glass screwed onto its end and having a central hole with a thread where the screw is screwed, and an elastic shell worn on the tubular shell, characterized in that the screw is made in the form of a sleeve with an external thread, into which the rod is inserted with the possibility of longitudinal movement limited relative to it, while longitudinal slots are made in the elastic shell, coinciding with longitudinal slots of the tubular shell, and the sleeve with an external thread and the rod are interconnected in such a way that exclude the possibility of rotation relative to each other.

2. The device according to claim 1, characterized in that at the end of the rod emerging from the sleeve from the side of the plastic substance, a stepwise thickening is made, overlapping the end of the sleeve.