Способ щелеобразования в скважинах и шпурах и щелеобразователь для его осуществления

Изобретения относятся к горному делу, а именно к бурению горных пород, и могут быть использованы для бурения скважин или шпуров (далее - скважин) путем нарезания инициирующей щели в горном массиве для последующего проведения гидроразрыва с целью его разупрочнения или дегазации. Способ включает бурение скважины и последующее щелеобразование в ней путем нарезания инициирующей щели с помощью предлагаемого щелеобразователя. Он состоит из корпуса, в котором выполнено продольное окно и установлен нож с возможностью перемещения по направляющему уклону и выхода его режущей части из продольного окна корпуса. Направляющий уклон выполнен на внутренней поверхности корпуса, а нож установлен на вилке поршня, размещенных внутри корпуса с возможностью осевого перемещения. В полости поршня установлен подпорный клапан, а между поршнем и корпусом размещена пружина возврата. На головной части корпуса установлена буровая коронка, через центральное отверстие которой проходит толкатель, имеющий жесткую связь с обратным клапаном, установленным в торцевых частях корпуса и буровой коронки. Подклапанная полость обратного клапана соединена каналом с подпоршневой полостью, а толкатель установлен с возможностью контактирования с забойной частью скважины и перемещения в осевом направлении. Технический результат - повышение производительности и снижение стоимости способа щелеобразования при проведении операций бурения скважины и щелеобразования в ней предлагаемым щелеобразователем. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Технические решения относятся к горному делу, а именно к бурению горных пород, и могут быть использованы для бурения скважин или шпуров (далее - скважин) путем нарезания инициирующей щели в горном массиве для последующего проведения гидроразрыва с целью его разупрочнения или дегазации.

В качестве прототипа выбран способ щелеобразования в скважинах и шпурах, реализованный в щелеобразователе по патенту РФ №2263776, Е21В 43/26, Е21С 37/00, опубл. в БИ №31 за 2005 г. и включающий бурение скважины буровым инструментом и последующее щелеобразование в ней указанным щелеобразователем.

Недостатком этого способа является необходимость замены бурового инструмента на щелеобразователь, что требует дополнительного времени на демонтаж и монтаж буровых штанг, приводящих к длительному простою бурового станка, уменьшая производительность и повышая стоимость способа, что снижает его эффективность.

Известен щелеобразователь (патент РФ №2263776, Е21В 43/26, Е21С 37/00, опубл. в БИ №31 за 2005 г.), включающий стакан с продольными окнами, в котором перекрестно установлены режущие органы, толкатель, перекрестные оппозитные направляющие уклоны и пружину возврата толкателя, причем режущие органы установлены с возможностью выхода их режущих частей из продольных окон стакана по указанным уклонам при перемещении толкателя. Перекрестные оппозитные направляющие уклоны выполнены на толкателе и имеют фигурный профиль. Толкатель установлен с возможностью вдвижения в стакан, а пружина возврата толкателя размещена на стакане и зафиксирована в исходном положении, при этом режущие органы установлены на общей оси и зафиксированы в исходном положении на указанных уклонах с помощью фигурных пружин.

Недостатком указанного щелеобразователя является подача осевого усилия со стороны бурового станка непосредственно на режущие органы после упора толкателя в забой скважины, поэтому нарезание щели возможно только в забойной части скважины, что ограничивает область его применения, а регулирование осевого усилия подачи в ручном режиме во избежание выхода из строя режущих органов усложняет его эксплуатацию.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является щелеобразователь (патент РФ №2359124, Е21С 37/00, Е21В 43/26, опубл. в БИ №17 за 2009 г.), включающий стакан, в котором выполнены продольные окна и перекрестно установлены режущие органы с возможностью перемещения по перекрестным оппозитным направляющим уклонам и выхода их режущих частей из продольных окон стакана по указанным уклонам. Перекрестные оппозитные направляющие уклоны выполнены на внутренней поверхности стакана, а режущие органы установлены на поршне, размещенном внутри стакана с возможностью осевого перемещения, в полости которого установлен регулируемый подпорный клапан. Между поршнем и стаканом размещена пружина возврата.

Недостатком этого щелеобразователя является то, что нарезание щели возможно только в заранее пробуренных скважинах, что сужает область его применения.

Техническими задачами предлагаемого решения являются повышение эффективности способа щелеобразования в скважинах за счет повышения его производительности и снижения стоимости, расширение возможностей щелеобразователя за счет проведения им операций бурения скважины и щелеобразования.

Поставленные задачи достигаются тем, что в способе щелеобразования в скважинах, включающем бурение скважины и последующее щелеобразование в ней путем нарезания инициирующей щели, согласно техническому решению указанные операции проводят с помощью упомянутого ниже щелеобразователя. В этом щелеобразователе, включающем корпус, в котором выполнено продольное окно и установлен нож с возможностью перемещения по направляющему уклону и выхода его режущей части из продольного окна корпуса, при этом направляющий уклон выполнен на внутренней поверхности корпуса, а нож установлен на вилке поршня, размещенных внутри корпуса с возможностью осевого перемещения, причем в полости поршня установлен подпорный клапан, а между поршнем и корпусом размещена пружина возврата, согласно техническому решению на головной части корпуса установлена буровая коронка, через центральное отверстие которой проходит толкатель, имеющий жесткую связь с обратным клапаном, установленным в торцевых частях корпуса и буровой коронки, при этом подклапанная полость обратного клапана соединена каналом с подпоршневой полостью, а толкатель установлен с возможностью контактирования с забойной частью скважины и перемещения в осевом направлении. Совокупность признаков позволяет проводить последовательные операции бурения скважины и щелеобразования в них без демонтажа бурового става для замены инструмента, что повышает производительность способа, а следовательно, и его эффективность. Возможность проведения операций бурения скважины и щелеобразования одним щелеобразователем расширяет область его применения.

Сущность технического решения поясняется примером реализации способа щелеобразования в скважинах и конкретного исполнения щелеобразователя и чертежами фиг. 1, 2. На фиг. 1 изображен продольный разрез щелеобразователя, на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Щелеобразователь состоит из корпуса 1 (фиг. 1, 2), в котором выполнено продольное окно 2 и установлен нож 3 с возможностью перемещения по направляющему уклону 4 и выхода его режущей части из продольного окна 2 корпуса 1. Направляющий уклон 4 выполнен на внутренней поверхности корпуса 1, а нож 3 установлен на вилке 5 поршня 6, размещенных внутри корпуса 1 с возможностью осевого перемещения. В полости поршня 6 установлен подпорный клапан (поз. не обозначен), состоящий из шарика 7, пружины 8 и седла 9. В поршне 6 выполнен центральный канал 10, а в седле 9 - центральное отверстие 11. Шарик 7 подпорного клапана прижат к седлу 9 пружиной 8, перекрывая при этом центральное отверстие 11 в седле 9. Между поршнем 6 и корпусом 1 размещена пружина 12 возврата. На головной части корпуса 1 установлена буровая коронка 13 с центральным отверстием 14 и каналом 15. В торцевых частях буровой коронки 13 и корпуса 1 установлен обратный клапан 16 с имеющимися в нем пружиной 17 и запирающим элементом 18. В центральном отверстии 14 буровой коронки 13 установлен толкатель 19, имеющий жесткую связь с запирающим элементом 18 обратного клапана 16. Толкатель 19 установлен с возможностью контактирования с забойной частью скважины и перемещения в осевом направлении. Вдоль корпуса 1 выполнен канал 20, которым соединены подклапанная полость 21 и подпоршневая полость 22.

Способ щелеобразования с использованием указанного щелеобразователя осуществляют следующим образом. Перед началом работы осуществляется сборка щелеобразователя (фиг. 1, 2) и установка его на штанге бурового станка. Затем включают буровой станок и насос подачи жидкости для промывки скважины при бурении. Толкатель 19 входит в контакт с горным массивом и, перемещаясь вместе с запирающим элементом 18, сжимает пружину 17 обратного клапана 16, открывая его. Жидкость от насоса поступает в подпоршневую полость 22 под давлением, необходимым для промывки скважины, далее по каналу 20 попадает в подклапанную полость 21 и через обратный клапан 16 и канал 15 буровой коронки 13 выходит в забой скважины. Жесткости пружин 8 и пружины 12 возврата превышают усилие от давления жидкости, подаваемой для промывки скважины, поэтому подпорный клапан остается закрытым, а поршень 6 неподвижным.

После окончания бурения скважины на заданную глубину буровые штанги с щелеобразователем отводят от забоя скважины на расстояние примерно 5÷10 см. При этом пружина 17, разжимаясь, перемещает толкатель 19 с запирающим элементом 18 в исходное положение, закрывая обратный клапан 16 и препятствуя выходу жидкости в забой скважины, что приводит к повышению давления в системе щелеобразователя. Пружина 8 подпорного клапана настроена на давление, обеспечивающее оптимальный режим щелеобразования путем нарезания инициирующей щели. После закрытия обратного клапана 16 при превышении указанного давления пружина 8 сжимается, открывая центральный канал 10 поршня 6 для прохода жидкости в зону резания для охлаждения ножа 3 и удаления продуктов резания. Переход в режим щелеобразования путем нарезания инициирующей щели происходит автоматически после закрытия обратного клапана 16. В результате повышения давления в системе, в том числе в подпоршневой полости 22, поршень 6 с вилкой 5 перемещаются вдоль оси в прямом направлении, а шарик 7 отходит от седла 9, открывая центральное отверстие 11 в седле 9 и центральный канал 10 в поршне 6 для прохода жидкости в зону щелеобразования, при этом нож 3 скользит по направляющему уклону 4, выдвигаясь в радиальном направлении из корпуса 1 и нарезая инициирующую щель.

После щелеобразования путем нарезания инициирущей щели для продолжения бурения скважины отключают вращение бурового става и подают его на забой до упора в него толкателя 19. При этом давление в системе щелеобразователя падает, т.к. жидкость снова свободно проходит в забой скважины, а пружина 12 возврата разжимается, возвращая поршень 6 с вилкой 5 и ножом 3 в исходное положение, после чего включают вращение бурового става и продолжают процесс бурения до места следующего щелеобразования.

1. Щелеобразователь, включающий корпус, в котором выполнено продольное окно и установлен нож с возможностью перемещения по направляющему уклону и выхода его режущей части из продольного окна корпуса, при этом направляющий уклон выполнен на внутренней поверхности корпуса, а нож установлен на вилке поршня, размещенных внутри корпуса с возможностью осевого перемещения, причем в полости поршня установлен подпорный клапан, а между поршнем и корпусом размещена пружина возврата, отличающийся тем, что на головной части корпуса установлена буровая коронка, через центральное отверстие которой проходит толкатель, имеющий жесткую связь с обратным клапаном, установленным в торцевых частях корпуса и буровой коронки, при этом подклапанная полость обратного клапана соединена каналом с подпоршневой полостью, а толкатель установлен с возможностью контактирования с забойной частью скважины или шпура и перемещения в осевом направлении.

2. Способ щелеобразования в скважинах и шпурах, включающий бурение скважины или шпура и последующее щелеобразование в них путем нарезания инициирующей щели, отличающийся тем, что указанные операции проводят с помощью щелеобразователя по п. 1.