Устройство для разрушения горных пород гидроразрывом

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для образования трещины 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. Техническая задача - повышение эффективности работы устройства за счет снижения трудоемкости его изготовления и эксплуатации, а также возможности образования трещин в скважинах, пробуренных в горных породах любой прочности. Устройство для разрушения горных пород гидроразрывом включает полый цилиндрический корпус с радиальными отверстиями, самоуплотняющиеся манжеты, закрепленные на противоположных концах корпуса, трубку из эластичного материала, надетую на самоуплотняющиеся манжеты и образующую 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. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для образования трещины гидроразрывом горной породы через скважину с целью расслоения труднообрушаемой кровли, дегазации угольного пласта, убавления напряженно-деформированным состоянием породного массива в окрестности горной выработки, добычи ценного кристаллического сырья и строительного камня.

Известно устройство для гидравлического разрушения горных пород по авт. св. СССР 1033732, кл. Е 21 С 37/06, опубл. в БИ 29, 1983 г. Оно включает перфорированный корпус с днищем на одном из его торцов, размещенный со стороны другого торца опорный фланец, подсоединенный к нему входной патрубок и эластичное герметизирующее приспособление. Входной патрубок перфорирован и снабжен прижимным элементом. В днище корпуса выполнено отверстие, в котором размещен патрубок с возможностью перемещения относительно торцов корпуса. Герметизирующее приспособление выполнено в виде двух шайб, которые размещены на противоположных торцах корпуса между последним и соответственно фланцем и прижимным элементом патрубка.

Это устройство обладает сравнительно высокой трудоемкостью эксплуатации, обусловленной необходимостью выполнения предварительных операций по герметизации зоны разрыва. Кроме этого, оно не предназначено для проведения разрыва породы на значительном расстоянии от устья скважины.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является 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. При этом радиальные отверстия выполнены на уровне полости данной манжеты.

Это устройство имеет относительно сложную конструкцию. Взаимное сближение манжет ограничено расположенным между ними стаканом. Оно предназначено для образования трещин в горных породах с низкой прочностью, так как при высоком давлении нагнетаемой жидкости возможно повреждение манжет за счет их продавливания в зазоры между элементами устройства и стенками скважины. Все это обуславливает его относительно низкую эффективность работы, особенно, в условиях образования трещины в горной породе с высокой прочностью.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, заключается в повышении эффективности его работы за счет снижения трудоемкости его изготовления и эксплуатации, а также возможности образования трещин в скважинах, пробуренных в горных породах любой прочности.

Задача решается тем, что в устройстве для разрушения горных пород гидроразрывом, включающем полый цилиндрический корпус с радиальными отверстиями, самоуплотняющиеся манжеты, закрепленные на противоположных концах корпуса, согласно предлагаемому техническому решению на самоуплотняющиеся манжеты надета трубка из эластичного материала, образующая с ними и полым цилиндрическим корпусом замкнутую полость, при этом полый цилиндрический корпус на одном конце имеет кольцевой выступ, а его противоположный конец связан с трубой для подачи жидкости, имеющей также кольцевой выступ, а самоуплотняющиеся манжеты основаниями примыкают соответственно к кольцевым выступам корпуса и трубы.

Трубка из эластичного материала удерживает самоуплотняющиеся манжеты от произвольного раскрытия (силами упругости материала). Поэтому отпадает необходимость в создании и использовании специальных приспособлений, обеспечивающих свободное перемещение устройства по скважине до и после разрыва горной породы. За счет этого уменьшается число деталей, что повышает надежность работы устройства, снижает трудоемкость его изготовления и эксплуатации. Образованная трубкой из эластичного материала, самоуплотняющимися манжетами и корпусом замкнутая полость в исходном состоянии уже является герметичной. При этом, не нарушая герметичности, боковая поверхность этой полости под действием давления нагнетаемой жидкости способна деформироваться и приобретать форму стенок скважины. Это улучшает процесс герметизации, так как на любой стадии подготовки и проведения разрыва горной породы исключается утечка жидкости через зазоры между устройством и стенками скважины. Надежная герметизация скважины обеспечивается также кольцевыми выступами корпуса и трубы, которые исключают возможность перемещения примыкающих к ним основаниями самоуплотняющихся манжет вдоль корпуса. Таким образом, повышается эффективность работы устройства.

Целесообразно на самоуплотняющиеся манжеты надеть спирали в виде колец, толщина которых больше зазора между устройством и стенками скважины. Это позволяет образовывать трещины в скважинах, пробуренных в горных породах любой прочности, ибо предотвращает продавливание самоуплотняющихся манжет в зазоры между устройством и стенками скважины давлением рабочей жидкости и дает возможность принудительно возвращать манжеты в исходное состояние после разрыва горной породы путем вращения устройства в направлении закручивания спиралей.

Целесообразно спирали выполнить в виде усеченных конусов, большие основания которых направлены навстречу друг другу. Это увеличивает ширину кольцевой зоны, на которой исключается возможность продавливания материала самоуплотняющихся манжет между устройством и стенками скважины, что снижает требование к диаметру скважины.

Целесообразно на поверхности спиралей нанести тонкий слой смазки. Это способствует более свободному относительному скольжению этих поверхностей при перекрытии зазоров между устройством и стенками скважины под давлением рабочей жидкости и при принудительном возвращении самоуплотняющихся манжет в исходное состояние после разрыва горной породы.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами.

На фиг. 1 показано устройство для разрушения горных пород гидроразрывом, продольный разрез, на фиг. 2 - поперечный разрез спирали.

Устройство для разрушения горных пород гидроразрывом (фиг. 1) состоит из полого цилиндрического корпуса 1 с кольцевым выступом 2 на наружной поверхности и радиальными отверстиями 3 для выхода рабочей жидкости. На корпус 1 со стороны, противоположной кольцевому выступу 2, навинчена труба 4 с кольцевым выступом 5 на торце, имеющая с корпусом 1 резьбовое соединение 6. На корпус 1 надеты две самоуплотняющиеся манжеты 7, которые основаниями примыкают соответственно к кольцевому выступу 2 корпуса 1 и кольцевому выступу 5 трубы 4. На манжеты 7 надеты спирали 8 в виде колец, толщина которых больше зазора (поз. не обозначен) между устройством и стенками скважины 9. На манжеты 7 надета трубка 10 из эластичного материала, образующая с ними и корпусом 1 замкнутую полость 11. В области резьбового соединения 6 корпуса 1 и трубы 4 установлено уплотнительное кольцо 12. Устройство подано в скважину 9 до уровня, на котором самоуплотняющиеся манжеты 7 находятся по обе стороны естественной трещины 13 (плоскости ослабления).

Зазор между поверхностями спирали 8 на фиг. 2 показан для наглядности. Фактически он отсутствует. Для изготовления спиралей 8 используют пружинную сталь. Спирали 8 выполнены в виде усеченных конусов, большие основания которых направлены навстречу друг другу. Их малые основания примыкают соответственно к кольцевому выступу 2 корпуса 1 и кольцевому выступу 5 трубы 4.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Устройство со стороны кольцевого выступа 2 корпуса 1 подают в скважину 9 до места проведения гидравлического разрыва горной породы (до уровня, на котором самоуплотняющиеся манжеты 7 оказываются по обе стороны естественной трещины 13 либо искусственно созданной инициирующей щели). По трубе 4 (колонне труб) подают жидкость (на фиг. 1 не показана для наглядности), которая через полый корпус 1 и радиальные отверстия 3 поступает в замкнутую полость 11, образованную корпусом 1, манжетами 7 и прилегающей к ним трубкой 10. Под давлением жидкости диаметры манжет 7 и трубки 10 увеличиваются, от чего устройство внешней поверхностью придавливается к стенкам скважины 9 и тем самым герметизирует ее. Когда давление жидкости, передаваемое через трубку 10 стенкам скважины 9, достигает предела прочности горной породы на растяжение, возникает (или раскрывается) трещина 13. Находящаяся под высоким давлением жидкость прорывает трубку 10, устремляется в трещину 13 и развивает ее. Жидкость подают до тех пор, пока трещина 13 не достигнет необходимых размеров. Создав трещину 13 нужных размеров, давление жидкости сбрасывают, от чего диаметры манжет 7 и трубки 10 возвращаются в исходное состояние. После этого устройство свободно извлекают из скважины 9. Для последующего применения устройства в нем заменяют трубку 10.

При применении устройства для разрыва горной породы с высокой прочностью (гранит, диабаз) в полости II создается давление, которое способно повреждать самоуплотняющиеся манжеты 7 путем их продавливания в зазоры между элементами устройства (кольцевыми выступами 2 и 5 соответственно корпуса 1 и трубы 4) и стенками скважины 9. В таких случаях на самоуплотняющиеся манжеты 7 надевают спирали 8 в виде колец, которые при раздвижении самоуплотняющихся манжет 7 увеличивают диаметры и перекрывают соответствующие зазоры. Для снижения трения в спиралях 8 на их поверхности наносят тонкий слой смазки. Спирали 8 большими основаниями направлены навстречу друг другу. Поэтому они раздвигаются под действием как радиальных, так и продольных (относительно оси устройства) сил. Это снижает требование к усилиям, которые создаются манжетами 7 при повышении давления в полости 11.

Если упругость материала манжет 7 и трубки 10 после весьма высокого давления рабочей жидкости (например, при разрыве диабаза или гранита) окажется недостаточной для возврата устройства в исходное состояние, то этот возврат можно выполнить принудительно. Для этого вращают устройство в направлении закручивания спиралей 8, от чего они, уменьшая свой диаметр, воздействуют на манжеты 7 и придают им начальную форму. Отметим, направления закручивания спиралей 8 и резьбы 6 совпадают.

Расстояние между манжетами 7 определяется длиной участка, на котором трещина 13 пересекает скважину 9. Его, чтобы снизить вероятность попадания рабочей жидкости в случайные (не подлежащие раскрытию) трещины, делают минимальным. При развитии трещин, которые перпендикулярны оси скважины 9, самоуплотняющиеся манжеты 7 могут даже соприкасаться.

Формула изобретения

1. Устройство для разрушения горных пород гидроразрывом, включающее полый цилиндрический корпус с радиальными отверстиями, самоуплотняющиеся манжеты, закрепленные на противоположных концах корпуса, отличающееся тем, что на самоуплотняющиеся манжеты надета трубка из эластичного материала, образующая с ними и полым цилиндрическим корпусом замкнутую полость, при этом полый цилиндрический корпус на одном конце имеет кольцевой выступ, а его противоположный конец связан с трубой для подачи жидкости, имеющей также кольцевой выступ, а самоуплотняющиеся манжеты основаниями примыкают соответственно к кольцевым выступам корпуса и трубы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на самоуплотняющиеся манжеты надеты спирали в виде колец, толщина которых больше зазора между устройством и стенками скважины.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что спирали выполнены в виде усеченных конусов, большие основания которых направлены навстречу друг другу.

4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что на поверхности спиралей нанесен тонкий слой смазки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2