Способ разрушения горных пород и устройство для его осуществления

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для повышения эффективности эксплуатационных скважин, отделения горной породы от породного массива, излучения упругих волн. Способ включает бурение скважины, которую заполняют жидкостью и сыпучим материалом, формирование трещин одновременно в трех плоскостях, проходящих через ось скважины и ориентированных относительно друг друга под углом в пределах от 90 до 180°. Трещины формируют ударными волнами, которые создают в жидкости штангой, разгоняемой в режиме свободного падения, а сыпучий материал используют для расклинивания трещин. Устройство включает полый корпус, цангу с клиньями на наружных поверхностях ее лепестков, установленную на корпусе, герметизирующую эластичную втулку, установленную со стороны наружной поверхности корпуса. Цангой оканчивается один конец корпуса. Клинья установлены вдоль боковых граней ее лепестков и образуют при взаимном контакте заостренные вершины. Другой конец корпуса связан резьбовым соединением с трубой, в которой размещена штанга с кольцевым выступом. В корпус вставлен распирающий лепестки цанги элемент с возможностью продольного перемещения в направлении свободного конца корпуса. Герметизирующая эластичная втулка надета на корпус со стороны цанги. Повышается эффективность разрушения горной породы за счет ее разрыва ударными волнами, расклинивания трещин, а также за счет возможности формирования трещин в трех заданных плоскостях одновременно. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для образования трещин различного назначения, в частности для повышения продуктивности скважин при добыче воды, нефти, газа, дегазации угольных пластов, а также для отбойки блоков от массива, проходки дорог в гористой местности, добычи строительного камня и кристаллического сырья, излучения упругих волн.

Известен способ дробления горных пород по патенту РФ №1819989, кл. Е21В 43/26, опубл. в БИ №21, 1993 г. Он включает бурение скважины в массиве горных пород, создание концентраторов напряжений, герметизацию скважины пакером и последующий гидроразрыв путем нагнетания жидкости в скважину. Гидроразрыв производят в разных плоскостях, радиально ориентированных под углом одна относительно другой.

В этом способе при одновременном формировании нескольких трещин преимущественное развитие получает трещина, которая возникает первой. Обусловлено это известным положением механики хрупкого разрушения, согласно которому с увеличением размеров трещины давление жидкости на поддержание ее роста снижается. Кроме этого, в ближней области каждой трещины создается поле напряжений, препятствующее развитию параллельных или пересекающихся с ней трещин. Поэтому он обладает сравнительно низкой эффективностью разрушения горных пород.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ разрушения горных пород по патенту РФ №2186969, кл. Е21С 37/00, опубл. в БИ №22, 2002 г., включающий бурение шпуров, которые заполняют неньютоновской жидкостью, а затем сыпучим материалом, и внедрение в сыпучий материал клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку. Продольные трещины формируют одновременно в трех плоскостях, проходящих через ось шпура. При этом угол между двумя любыми плоскостями находится в пределах от 90 до 180°.

В этом способе прилегающие к скважине области трещин забиваются неньютоновской жидкостью, обладающей свойством герметика. Поэтому его применение для повышения притока к скважине жидкости или газа из пластов малоэффективно. Кроме этого, перемещение элементов, контактирующих со стенками скважины через сыпучий материал, сопровождается большим трением о горную породу, на преодоление которого затрачивается значительная часть усилия от ударной нагрузки. В длинных скважинах ударная нагрузка передается горной породе через элементы со сравнительно большой суммарной массой, обладающей значительной инерционностью. Все это обуславливает низкую эффективность способа.

Известно скважинное устройство для образования направленных трещин по патенту РФ №2167295, кл. Е21С 37/06, опубл. в БИ №14, 2001 г., включающее трубу, герметизирующую втулку, надетую на конец трубы, узел вращения трубы относительно герметизирующей втулки, шток, размещенный в трубе с возможностью продольного перемещения, вибратор, закрепленный на конце штока, штуцер для нагнетания рабочей жидкости в трубу. На конце трубы со стороны герметизирующей втулки выполнена коническая резьба, а на другом ее конце надет стакан с центральным отверстием в дне. Через трубу и центральное отверстие в дне стакана пропущен шток, выполненный с кольцевым упором в дно стакана изнутри и кольцевым выступом на свободном от вибратора конце. При этом по всей длине боковой поверхности кольцевого выступа выполнена винтовая канавка, герметизирующая втулка выполнена из упругопластичного материала, а штуцер для нагнетания рабочей жидкости установлен на трубе между кольцевым упором и кольцевым выступом штока.

Это устройство имеет сравнительно сложную конструкцию, включающую ударный механизм. Способно образовывать трещину в относительно короткой скважине и только в плоскости ее забоя. Ударная нагрузка передается через шток, обладающий большой инерционностью. Поэтому устройство обладает низкой эффективностью.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для образования направленных трещин в скважинах по авт. св. СССР №1555483, кл. Е21С 37/06, опубл. в БИ №13, 1990 г., включающее полый цилиндрический корпус с торцевым каналом подвода и отверстием для выхода рабочей жидкости, раздвижные элементы с поперечными закалывающими клиньями на наружных поверхностях, продольно установленные на корпусе, герметизатор в виде соосных корпусу кольцевого распорного элемента с конусной наружной поверхностью и основанием, обращенным к торцу корпуса с каналом подвода рабочей жидкости, и эластичного трубчатого элемента, установленного с возможностью надвигания на коническую поверхность кольцевого распорного элемента. Кольцевой распорный элемент установлен с возможностью ограниченного продольного перемещения относительно корпуса. Раздвижные элементы выполнены в виде лепестков цанги, связанных концами лепестков с вершиной кольцевого распорного элемента. При этом корпус у торца, оппозитного торцевому каналу подвода рабочей жидкости, выполнен с конусным заострением, прилегающим к внутренним поверхностям лепестков цанги, а выходное отверстие расположено на торце корпуса со стороны клинового заострения, причем закалывающие клинья расположены на свободных концах лепестков цанги.

Устройство работает только при условии его прижатия к забою скважины с усилием, достаточным для внедрения закалывающих клиньев в горную породу и герметизации скважины. Оно предназначено для формирования лишь одной трещины в плоскости забоя скважины. Все это обуславливает его сравнительно низкую эффективность.

Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности разрушения горной породы за счет ее разрыва ударными волнами, расклинивания трещин, а также за счет конструкции устройства, обеспечивающей формирование трещин в трех заданных плоскостях одновременно.

Задача решается тем, что в способе разрушения горных пород, включающем бурение скважины, которую заполняют жидкостью и сыпучим материалом, формирование трещин одновременно в трех плоскостях, проходящих через ось скважины и ориентированных относительно друг друга под углом в пределах от 90 до 180°, согласно предлагаемому техническому решению трещины формируют ударными волнами, которые создают в жидкости штангой, разгоняемой в режиме свободного падения, а сыпучий материал используют для расклинивания трещин.

Давление в жидкости от воздействия на нее ударной нагрузки концентрируется на фронте ударной волны и вместе с ним проникает в глубь формируемой трещины. По сравнению с давлением жидкости, нагнетаемой с постоянным расходом, давление от ударной волны на границе трещины достигает большего значения, от чего трещина развивается более интенсивно. Кроме этого, фронт ударной волны воздействует на малую площадь поверхности трещины и короткое время, из-за чего жидкость просачивается через различные сближенные поверхности (зазор между штангой и трубой, естественные трещины, поры) в несравненно меньшем объеме (по сравнению с нагнетанием жидкости с постоянным расходом). Это снижает требования к герметизации скважины и уменьшает влияние фильтрационных особенностей породного массива. Создание ударных волн штангой, разгоняемой в режиме свободного падения, позволяет обходиться без специальных ударных механизмов. Использование сыпучего материала для расклинивания трещин снижает затрату энергии ударной волны на раскрытие трещин. Все это повышает эффективность способа.

Целесообразно в трещинах во время их формирования создавать откосы из сыпучего материала. Это позволяет с меньшей затратой энергии подавать сыпучий материал на большую глубину благодаря тому, что его частицы скатываются под одновременным действием гравитационных сил и движения жидкости.

Целесообразно систему из трех трещин, ориентированных под углом 120° относительно друг друга, использовать в качестве источника упругих колебаний. Это обеспечивает возможность воздействовать упругими волнами на частицы извлекаемого через скважину полезного ископаемого с целью повышения их подвижности, отчего расширяется область применения способа и, следовательно, увеличивается его эффективность.

Задача также решается тем, что в устройстве для разрушения горных пород, включающем полый корпус, цангу с клиньями на наружных поверхностях ее лепестков, установленную на корпусе, герметизирующую эластичную втулку, установленную со стороны наружной поверхности корпуса, согласно техническому решению цангой оканчивается один конец корпуса, клинья установлены вдоль боковых граней ее лепестков и образуют при взаимном контакте заостренные вершины. Другой конец корпуса связан резьбовым соединением с трубой, в которой размещена штанга с кольцевым выступом. В корпус вставлен распирающий лепестки элемент с возможностью продольного перемещения в направлении свободного конца корпуса, а герметизирующая эластичная втулка надета на корпус со стороны цанги.

Выполнение в виде цанги с лепестками одного конца корпуса, на внешних поверхностях которых вдоль их боковых граней установлены клинья, образующие при взаимном контакте заостренные вершины, обеспечивает возможность задавать ориентацию формируемым трещинам относительно друг друга. За счет подсоединения другого конца корпуса к трубе, в которой размещена штанга с кольцевым выступом, становится возможным создавать ударные волны, от которых формирование трещин происходит одновременно во всех плоскостях, проходящих через ось устройства и линии контакта клиньев с горной породой. Вставленный в корпус распирающий лепестки элемент при перемещении в направлении свободного конца корпуса раздвигает лепестки, от чего клинья внедряются в горную породу, образуя в ней начальные трещины, либо по линиям контакта клиньев с горной породой концентрируются напряжения. Герметизирующая эластичная втулка перекрывает зазор между устройством и стенками скважины. В результате повышается эффективность работы устройства и, следовательно, эффективность реализации способа.

Целесообразно цангу выполнять с тремя одинаковыми лепестками. Это позволяет формировать трещины в трех плоскостях, проходящих через ось скважины и ориентированных относительно друг друга под углом 120°, что обеспечивает условие, при котором все трещины способствуют взаимному росту.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и фиг.1-4.

На фиг.1 показана схема разрушения горной породы, разрез вдоль оси скважины; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - устройство для разрушения горных пород, продольный разрез; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.3.

Способ разрушения горных пород реализуют с помощью устройства того же назначения следующим образом.

Через пласт 1 полезного ископаемого (далее пласт 1) бурят скважину 2 (фиг.1), в которую падают жидкость и сыпучий материал (далее смесь 3). Затем в скважину 2 вводят штангу 4, которую разгоняют в режиме свободного падения до удара о поверхность смеси 3, отчего в жидкости возникает ударная волна, разрывающая горную породу с образованием трещин 5, в которые проникает смесь 3, и входящий в нее сыпучий материал расклинивает трещины 5. Трещины 5 формируют одновременно в трех плоскостях, проходящих через ось скважины 2 и ориентированных относительно друг друга под углом в пределах от 90 до 180°. Плоскости, в которых формируют трещины 5, задают известными методами. Например, выполнением на стенках скважины 2 продольных борозд - концентраторов напряжений, перфорированием трубы в обсадной скважине, схемой герметизации скважины 2, внедрением в горную породу клиньев и т.д. В большинстве случаев (когда ориентацию трещин 5 не задают условиями разрушения горных пород) формирование трещин 5 осуществляют в плоскостях, проходящих через ось скважины 2 и ориентированных относительно друг друга под углом 120° (фиг.2). При таком расположении плоскостей образуют устойчивую систему развития трещин 5, когда все трещины 5 способствуют взаимному росту.

Трещины 5, формируемые смесью 3, остаются раскрытыми и после того, когда ударная волна уже не действует на горную породу (расклиниваются проникающими в них частицами сыпучего материала). Благодаря этому энергия следующих ударных волн не расходуется на процесс раскрытия трещин 5 и поэтому разрушение горной породы происходит с большей эффективностью. Создание ударных волн штангой 4, разгоняемой в режиме свободного падения, осуществляют применяемым на горных предприятиях оборудованием. При этом получают энергию в ударной волне, превышающую возможности существующих ударных машин.

Важной областью применения способа является его использование для повышения продуктивности пластов 1, например, углеводородной залежи. Для этого применяют сыпучий материал, который не только расклинивает трещины 5, но и является проницаемым для жидкости и газа. В известных методах гидравлических разрывов породных массивов, направленных на достижение такой цели, продвижение частиц сыпучего материала в глубь породного массива осуществляют с помощью высоковязких веществ, которые затем вымывают из трещин 5 растворами. Подобные методы сравнительно трудоемки. К тому же, за время проведения отмеченных операций высоковязкое вещество успевает пропитывать приповерхностную зону формируемых трещин 5, снижая проницаемость самого породного массива, отчего возникают известные трудности по извлечению полезного ископаемого. В предлагаемом способе увеличение зоны заполнения трещин 5 частицами сыпучего материала достигают двумя путями. Во-первых, воздействуют на них ударной волной. Во фронте ударной волны давление и скорость движения жидкости больше, чем при ее нагнетании с постоянным расходом. Поэтому при прохождении фронта ударной волны частицы сыпучего материала с большей вероятностью освобождаются от зажатия горной породой и увлекаются в глубь трещин 5. Во-вторых, в трещинах 5 создают откосы 6, по которым частицы сыпучего материала в момент раздвижения поверхностей трещин 5 скатываются под действием не только ударной волны, но и гравитационных сил. Откосы 6 создают путем повышения уровня заполнения скважины 2 смесью 3. Это аналогично тому, как при высыпании сыпучего материала с высоты на поверхность (например, горизонтальную) образуется горка с естественным откосом, по которому затем скатываются его частицы. Таким путем можно перемещать частицы сыпучего материала в горизонтальном направлении на значительное расстояние от места, с которого их подают.

Ориентированные под углом 120° и исходящие веером из одной скважины 2 трещины 5 образуют колебательную систему, возбуждение которой приводит к излучению упругой волны с фронтом, распространяющимся преимущественно в радиальном направлении относительно оси скважины 2. При расположении скважины 2 перпендикулярно пласту 1 такая диаграмма направленности излучения колебательной системы наиболее полно отвечает требованиям по обработке залежи (пласта 1) упругими волнами (для повышения подвижности частиц извлекаемого полезного ископаемого). Возбуждение колебательной системы можно осуществлять известными вибраторами, способными создавать в жидких средах упругие волны в нужном диапазоне частот (например, с частотой собственных колебаний системы). В предлагаемом способе колебательную систему возбуждают ударами штанги 4 по поверхности смеси 3. При этом возникает упругий импульс с широким диапазоном частот, включая и те, которые наиболее эффективно повышают проницаемость пласта 1. Отметим, что трещины 5, достигнув предельных размеров, обусловленных различными факторами, включая энергию ударной волны, перестают развиваться. После этого разгон штанги 4 в режиме свободного падения осуществляют только с целью излучения упругих волн. Именно в этом состоит смысл использования системы из трех трещин 5 в качестве источника упругих колебаний. Преимущество такого источника состоит том, что он является составной частью породного массива (не требуется согласующих элементов) и расположен внутри области, которую обрабатывают упругими волнами.

Устройство для разрушения горных пород (далее устройство) включает полый корпус 7 (далее корпус 7), один конец которого оканчивается цангой с тремя одинаковыми лепестками 8 (фиг.3). На наружных поверхностях лепестков 8 вдоль их боковых граней установлены клинья 9, которые при взаимных контактах образуют заостренные вершины 10 (фиг.4). Другой конец корпуса 7 связан резьбовым соединением 11 с трубой 12, в которой размещена штанга 4 с кольцевым выступом 13. В корпус 7 вставлен распирающий лепестки 8 элемент 14 (далее элемент 14) с возможностью продольного перемещения в направлении свободного конца корпуса 7. На корпус 7 со стороны цанги надета герметизирующая эластичная втулка 15 (далее втулка 15). На фиг.4 устройство показано в скважине 2, где пунктирными линиями 16 обозначены положения плоскостей для формирования в них трещин 5.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Устройство со стороны лепестков 8 (фиг. 3, 4) подают в скважину 2 (фиг.1) до упора в ее забой. Ударами штангой 4 по элементу 14 перемещают его в направлении клиньев 9. Под распирающим усилием элемента 14 лепестки 8 расходятся и клинья 9 внедряются в горную породу, отчего на стенках скважины 2 возникают начальные трещины 5 (фиг.2). Расхождение лепестков 8 также приводит к раздвижке боковой поверхности втулки 15, отчего происходит герметизация скважины 2. Удары по элементу 14 прекращают, когда он перестает перемещаться (например, в результате упора в забой скважины 2). Затем штангу 4 извлекают из трубы 12, а внутреннюю полость устройства заполняют смесью 3 примерно до уровня резьбового соединения 11. В трубу 12 вводят штангу 4 и разгоняют ее до удара по поверхности смеси 3, отчего во входящей в смесь 3 жидкости возникает ударная волна, которая через зазоры между лепестками 8 воздействует на поверхности трещин 5 и развивает их. По мере роста трещин 5 в них проникает смесь 3. При этом входящий в нее сыпучий материал расклинивает трещины 5. Штангу 4 разгоняют периодически до вытеснения из скважины 2 в формируемые трещины 5 смеси 3 заданного объема. Подачу смеси 3 в полость устройства с последующим воздействием на нее штангой 4 осуществляют многократно до образования трещин 5 нужных размеров.

Параметры входящих в устройство элементов задают в соответствии с условиями решаемой задачи. Для разрушения негабаритов, проходки дорог в гористой местности, добычи кристаллического сырья длину корпуса 7 выбирают равной длине скважины 2, а длину трубы 12 - длине участка, на котором разгоняют штангу 4. В этом случае устройство после разрушения горной породы на отдельные части извлекают из скважины 2 и используют в дальнейшей работе. При разрушении горной породы для повышения проницаемости пласта 1 устройство рассчитывают на разовое применение. Его длину определяют, исходя из размеров участка скважины 2, на котором предполагается формировать трещины 5. Параметры клиньев 9 выбирают, исходя из свойств горных пород. Для горных пород слабой и средней прочности (уголь, алевролит, соль, сера, непрочный песчаник и т.д.) клинья 9 выполняют стальными и максимально больших размеров, чтобы при их внедрении в горную породу на стенках скважины 2 возникали начальные трещины 5 еще до подачи в них смеси 3. Для горных пород высокой прочности (гранты и их аналоги) клинья 9 образуют твердосплавными вставками сравнительно небольших размеров, которые устанавливают с интервалами вдоль граней лепестков 8. В этом случае клинья 9 рассчитывают не на образование начальных трещин 5, а на их прижатие к горной породе с силой, достаточной для концентрации по заданным линиям напряжений, обеспечивающих разрыв породного массива в нужных плоскостях. Смесь 3 может состоять из воды и песка. При этом превышение уровня воды над уровнем песка в устройстве должно быть таким, чтобы при контакте с ней разгоняемой штанги 4 возникала ударная волна. Если разрушение горной породы осуществляют не с целью повышения проницаемости пласта 1, то песок подают в устройство только один раз (для удержания трещин 5 в раскрытом состоянии), а воду добавляют каждый раз после ее взаимодействия со штангой 4. Воду на участок формирования трещин 5 подают через трубу 12 без извлечения из нее штанги 4. Кольцевой выступ 13 препятствует прохождению смеси 3 через зазор между штангой 4 и трубой 12 во время создания ударной волны, но позволяет ей проникать в зону формирования трещин 5. Для этого на внешней поверхности кольцевого выступа 13 выполняют винтовую канавку (на фиг.3 не показана). Следует отметить, что зазор между штангой 4 и трубой 12 с увеличением длины корпуса 7 уменьшают до значений, при котором он перестает оказывать существенное влияние на параметры создаваемой ударной волны. Поэтому кольцевой выступ 13 имеет значение при разрушении горной породы только через относительно короткие скважины 2 (например, длиной в один метр). Штангу 4 разгоняют в режиме свободного падения после ее подъема на нужную высоту известными механизмами, например подъемным краном.

Цангу изготавливают путем выполнения на конце корпуса 7 прорезей в плоскостях, проходящих через ось устройства и ориентированных под углом в пределах от 90 до 180° относительно друг друга. Для выполнения цанги с тремя одинаковыми лепестками плоскости ориентируют под углом 120°.

Предлагаемым способом технически реализуют идею повышения эффективности разрушения горной породы путем использования выявленных в ходе исследований особенностей разрыва хрупкой среды смесью жидкости и сыпучего материала, а также идею расширения области его применения в направлении излучения упругих волн и увеличения проницаемости пласта 1, например, углеводородной залежи. Устройство для реализации способа может быть изготовлено в механических мастерских практически любых горных предприятий.

1. Способ разрушения горных пород, включающий бурение скважины, которую заполняют жидкостью и сыпучим материалом, формирование трещин одновременно в трех плоскостях, проходящих через ось скважины и ориентированных относительно друг друга под углом в пределах от 90 до 180°, отличающийся тем, что трещины формируют ударными волнами, которые создают в жидкости штангой, разгоняемой в режиме свободного падения, а сыпучий материал используют для расклинивания трещин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в трещинах во время их формирования создают откосы из сыпучего материала.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что систему из трех трещин, ориентированных под углом 120° относительно друг друга, используют в качестве источника упругих колебаний.

4. Устройство для разрушения горных пород, включающее полый корпус, цангу с клиньями на наружных поверхностях ее лепестков, установленную на корпусе, герметизирующую эластичную втулку, установленную со стороны наружной поверхности корпуса, отличающееся тем, что цангой оканчивается один конец корпуса, клинья установлены вдоль боковых граней ее лепестков и образуют при взаимном контакте заостренные вершины, другой конец корпуса связан резьбовым соединением с трубой, в которой размещена штанга с кольцевым выступом, в корпус вставлен распирающий лепестки цанги элемент с возможностью продольного перемещения в направлении свободного конца корпуса, а герметизирующая эластичная втулка надета на корпус со стороны цанги.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что цанга выполнена с тремя одинаковыми лепестками.