Устройство для образования направленных трещин в скважинах

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для отделения блоков от массивов, добычи ценного кристаллического сырья и строительного камня. Техническая задача заключается в повышении надежности устройства путем упрощения его конструкции. Устройство включает цилиндрический корпус с кольцевым выступом и рабочие органы в виде клиньев на наружной поверхности. Согласно изобретению в корпусе выполнена по крайней мере одна продольная прорезь, в которой установлено кольцо из упругого материала с внешним диаметром большим, чем у скважины. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

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.

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.

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).

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.

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.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении надежности устройства путем упрощения его конструкции.

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.

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.

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.

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.

Таким образом, совокупность указанных признаков в сравнении с выбранным прототипом позволяет существенно упростить конструкцию устройства и, следовательно повысить его надежность.

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.

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.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами.

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.

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.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Формула изобретения

1. Устройство для образования направленных трещин в скважинах, включающее цилиндрический корпус с кольцевым выступом и рабочие органы в виде клиньев на наружной поверхности, отличающееся тем, что в корпусе выполнена, по крайней мере, одна продольная прорезь, в которой установлено кольцо из упругого материала с внешним диаметром большим, чем диаметр скважины.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в корпусе перпендикулярно продольным прорезям выполнены отверстия, в которые вставлены стержни с диаметром, меньшим внутреннего диаметра колец, таким образом, что проходят сквозь кольца.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно снабжено ударным механизмом, который установлен на его торце.

4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что свободный конец корпуса выполнен заостренным, например, в виде конуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2