Устройство для разрушения горных пород гидроразрывом

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для образования трещин гидроразрывом горной породы через скважину с целью расслоения труднообрушаемой кровли и дегазации угольного пласта. Обеспечивает повышение эффективности работы устройства за счет возможности образования нескольких трещин при одноразовой подаче устройства в скважину. Сущность изобретения: устройство включает полый цилиндрический корпус с радиальными отверстиями и кольцевыми выступами на концах и самоуплотняющиеся манжеты. Они закреплены на противоположных концах корпуса и примыкают основаниями к его кольцевым выступам. На последние надеты стаканы с центральными отверстиями в основании. Внутри стаканов между их дном и корпусом установлены пружины. 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. 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. 1 ил.

 

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.

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.

Это устройство при одноразовой подаче в скважину способно образовывать только одну трещину, что обуславливает низкую эффективность его работы.

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.

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.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, заключается в повышении эффективности его работы за счет возможности при одноразовой подаче в скважину образовывать несколько трещин.

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.

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.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежом.

На чертеже показано устройство для разрушения горных пород гидроразрывом, продольный разрез.

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.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

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.

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.

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).

Устройство для разрушения горных пород гидроразрывом, включающее 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, отличающееся тем, что 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.