Способ гидроразрыва прочных горных пород и комбинированное устройство для бурения и гидроразрыва прочных горных пород

Изобретения относятся к горному делу - к разупрочнению прочных горных пород методом направленного гидроразрыва, используется для управления горным давлением или дегазации. Способ включает бурение скважины, последующее нарезание инициирующей щели на ее боковой поверхности, герметизацию области скважины с инициирующей щелью и нагнетание рабочей жидкости в загерметизированное пространство под высоким давлением до осуществления гидроразрыва. Указанные операции проводят с помощью комбинированного устройства для бурения и гидроразрыва прочных горных пород, включающего корпус, состоящий из стакана, в котором выполнено продольное окно и установлен режущий орган, закрепленный на поршне, размещенном внутри стакана с возможностью осевого перемещения, при этом в полости поршня установлен регулируемый подпорный клапан. Корпус снабжен втулкой, жестко соединенной с открытой частью стакана, а донная часть стакана оснащена буровой коронкой. На внешней поверхности втулки установлен связанный с гидроцилиндром уплотнительный элемент для герметизации участка скважины с инициирующей щелью, а поршень имеет шток с размещенным на нем клапаном и ограничителем хода. Клапан установлен с возможностью взаимодействия с установленным в полости втулки золотниковым клапаном для подвода рабочей жидкости к гидроцилиндру через отверстия во втулке. Технический результат - уменьшение количества оборудования и времени реализации способа путем сокращения количества операций по установке и демонтажу оборудования, обеспечивающего бурение скважины, нарезание инициирующих щелей, герметизацию скважины и проведение гидроразрывов. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Технические решения относятся к горному делу, а именно к разупрочнению прочных горных пород методом направленного гидроразрыва с целью управления горным давлением или дегазации.

В качестве прототипа выбран способ гидроразрыва, реализованный в устройстве для гидроразрыва пород в скважине (патент РФ №2268359, Е21В 43/26, опубл. 20.01.2006 г.) и включающий герметизацию скважины с последующим нагнетанием в загерметизированный участок скважины рабочей жидкости под высоким давлением до осуществления гидроразрыва.

Недостатком способа является то, что до герметизации скважины и проведения гидроразрыва необходимо выполнить ряд операций (бурение скважины, нарезание инициирующей щели), для чего требуется наличие дополнительного оборудования, которое должно устанавливаться на буровой став и демонтироваться в определенной последовательности, что ведет к временным и материальным издержкам, снижая эффективность технологии.

Известно устройство для гидроразрыва пород в скважине (патент РФ №2367791, Е21В 43/26, опубл. 20.09.2009 г. в бюл. №26), включающее полый корпус с отверстиями для рабочей жидкости, на концах которого закреплены упругие уплотнительные элементы, один из которых связан со штуцером, другой - с наконечником. Полый корпус выполнен в виде стакана, соединенного открытой частью с полой втулкой и имеющего в дне сквозное центральное отверстие. В полости корпуса установлен с возможностью перемещения в нем гидравлически неуравновешенный золотник, имеющий сквозное центральное отверстие, таким образом, что одним торцом он прижат рабочей пружиной, установленной в стакане между полой втулкой и указанным золотником, к неподвижному уплотнению, размещенному на дне стакана, а противоположный его конец размещен в полости указанной втулки.

Недостатком данного устройства является то, что с его использованием можно выполнять только функцию герметизации части скважины, а другие операции технологии необходимо реализовывать другими инструментами, что ведет к необходимости многократного перемонтажа. Кроме того, вследствие использования в конструкции двух уплотнительных элементов исключается возможность установки на нем буровой коронки. Совокупность недостатков данного устройства ведет к увеличению времени и стоимости проведения работ по гидроразрыву прочных горных пород, а следовательно, снижает эффективность способа.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является щелеобразователь (патент РФ №2359124, Е21С 37/00, Е21В 43/26, опубл. 20.06.2009 г. в бюл. №17), 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, пружину возврата. 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, а между поршнем и стаканом размещена пружина возврата.

Недостатком данного устройства является то, что оно способно выполнять только функцию нарезания инициирующей щели на стенках скважины, а другие операции технологии необходимо реализовывать другими инструментами, что снижает эффективность способа.

Технической задачей предлагаемых решений является повышение эффективности способа гидроразрыва прочных горных пород и снижение его стоимости за счет уменьшения количества оборудования и времени реализации способа путем сокращения количества операций по установке и демонтажу оборудования, обеспечивающего бурение скважины, нарезание инициирующих щелей, герметизацию скважины и проведение гидроразрывов с использованием устройства того же назначения.

Поставленная задача решается тем, что в способе гидроразрыва прочных горных пород, включающем бурение скважины, последующее нарезание инициирующей щели (далее - ИЩ) на ее боковой поверхности, герметизацию области скважины с ИЩ и нагнетание рабочей жидкости в загерметизированное пространство под высоким давлением до осуществления гидроразрыва, согласно техническому решению указанные операции проводят с помощью предлагаемого комбинированного устройства для бурения и гидроразрыва прочных горных пород (далее - устройство). В этом устройстве, включающем корпус, состоящий из стакана, в котором выполнено продольное окно и установлен режущий орган, закрепленный на поршне, размещенном внутри стакана с возможностью осевого перемещения, при этом в полости поршня установлен регулируемый подпорный клапан, согласно техническому решению корпус снабжен втулкой, жестко соединенной с открытой частью стакана, а донная часть стакана оснащена буровой коронкой, при этом на внешней поверхности втулки установлен связанный с гидроцилиндром уплотнительный элемент для герметизации участка скважины с инициирующей щелью, а поршень имеет шток с размещенным на нем клапаном и ограничителем хода, причем клапан установлен с возможностью взаимодействия с установленным в полости втулки золотниковым клапаном для подвода рабочей жидкости к гидроцилиндру через отверстия во втулке.

Использование данного устройства в технологии гидроразрыва прочных горных пород позволяет проводить с его помощью несколько операций: бурение скважины, нарезание на ее стенках ИЩ и герметизацию области скважины с ИЩ с последующим гидроразрывом. Это позволяет значительно снизить время на проведение гидроразрыва в одной скважине, уменьшить количество требуемого для этого оборудования, что ведет к повышению эффективности способа и устройства гидроразрыва прочных горных пород, снижает стоимость предлагаемого способа.

Сущность технических решений поясняется описанием реализации способа гидроразрыва прочных горных пород и конструкции устройства, его реализующего, и фиг. 1, на котором представлен общий вид устройства в продольном разрезе во время бурения скважины, и фиг. 2, на котором показано то же во время нарезания ИЩ и проведения гидроразрыва.

Устройство включает корпус (на фиг. 1, 2 поз. не обозначен), состоящий из стакана 1 (фиг. 1), в котором расположен режущий орган 2, клапан 3 со съемным седлом 4 (фиг. 2), толкатель 5 и пружина 6, а также втулки 7. В стакане 1 выполнены отверстия 8 для подвода рабочей жидкости к области бурения и продольное окно (на фиг. 1, 2 поз. не обозначено). Открытая часть стакана 1 через резьбу соединена со втулкой 7, имеющей отверстия 9, на внешней поверхности которой размещен связанный с гидроцилиндром 10 уплотнительный элемент 11 для герметизации участка скважины с ИЩ. Внутри втулки 7 размещен поршень 12 со штоком 13 и вилкой 14 для крепления режущего органа 2, золотниковый клапан 15 с пружиной 16. Со свободного торца втулка 7 при помощи резьбы соединена с монтажной гайкой 17 с внутренней резьбой под штанги бурового станка. Внутри поршня 12 размещен подпорный клапан 18 с центральным 19 и радиальными 20 отверстиями для подвода к нему рабочей жидкости. Шток 13 поршня 12 имеет упорное кольцо 21, а на его поверхности установлен клапан 22 с пружиной 23 с возможностью взаимодействия с установленным в полости втулки 7 золотниковым клапаном 15. На конце штока 13 размещен ограничитель хода 24, подпружиненный пружиной 25 возврата. На донную часть стакана 1, посредством съемного седла 4, навинчена буровая коронка 26 со сквозным центральным отверстием под толкатель 5 и отверстиями 27 для подвода рабочей жидкости в область бурения.

Способ гидроразрыва прочных горных пород с использованием указанного устройства реализуют следующим образом. Во время бурения буровая коронка 26 постоянно находится в контакте с забоем скважины, поэтому толкатель 5, перемещаясь внутри сквозного центрального отверстия буровой коронки 26, сжимает пружину 6 и отводит клапан 3 от съемного седла 4, что обеспечивает подачу рабочей жидкости в область бурения через отверстие монтажной гайки 17, полость втулки 7 и отверстия 8 и 27. После окончания бурения скважины устройство отводят назад, буровая коронка 26 теряет контакт с забоем и толкатель 5, перемещаясь в обратном направлении за счет пружины 6, прижимает клапан 3 к съемному седлу 4, что приводит к повышению давления в полости втулки 7 и открытию подпорного клапана 18, настроенного на определенное давление, создающее усилие на поршне 12, необходимое для выдвижения режущего органа 2 и нарезания ИЩ, а промывку осуществляют по каналам 19 и 20.

В процессе нарезания ИЩ поршень 12 перемещается совместно с клапаном 22 и ограничителем хода 24, при этом расчетное расстояние A₁ меньше расстояния А₂ (фиг. 1), поэтому в первую очередь клапан 22 входит в контакт с золотниковым клапаном 15 и они начинают совершать совместное движение до того момента, пока ограничитель хода 24 не достигнет упора во втулке 7 (на фиг. 1, 2 поз. не обозначен), при этом закрывается отверстие между золотниковым клапаном 15 и клапаном 22 и рабочая жидкость перестает поступать к подпорному клапану 18, прекращая промывку зоны нарезания ИЩ, но открываются отверстия 9. В этот момент датчик давления (на фиг. 1, 2 не показан) отключает вращение устройства и процесс нарезания ИЩ прекращается. Далее рабочая жидкость через отверстия 9 попадает в гидроцилиндр 10 и, перемещая его, сжимает уплотнительный элемент 11, происходит герметизация области скважины с ИЩ. При дальнейшем увеличении давления рабочей жидкости золотниковый клапан 15 отходит от клапана 22, открывая доступ рабочей жидкости к подпорному клапану 18 и далее через него в область нарезанной ИЩ. Давление поднимается до значения, при котором осуществляется гидроразрыв, после чего давление рабочей жидкости в системе сбрасывается до нуля, под действием упругих свойств уплотнительный элемент 11 возвращается в исходное положение. Затем под действием пружин 16, 23, 25 поршень 12 перемещается в обратном направлении и задвигает режущий орган 2 внутрь стакана 1. Устройство готово к продолжению бурения скважины или демонтажу.

1. Комбинированное устройство для бурения и гидроразрыва прочных горных пород, включающее корпус, состоящий из стакана, в котором выполнено продольное окно и установлен режущий орган, закрепленный на поршне, размещенном внутри стакана с возможностью осевого перемещения, при этом в полости поршня установлен регулируемый подпорный клапан, отличающееся тем, что корпус снабжен втулкой, жестко соединенной с открытой частью стакана, а донная часть стакана оснащена буровой коронкой, при этом на внешней поверхности втулки установлен связанный с гидроцилиндром уплотнительный элемент для герметизации участка скважины с инициирующей щелью, а поршень имеет шток с размещенным на нем клапаном и ограничителем хода, причем клапан установлен с возможностью взаимодействия с установленным в полости втулки золотниковым клапаном для подвода рабочей жидкости к гидроцилиндру через отверстия во втулке.

2. Способ гидроразрыва прочных горных пород, включающий бурение скважины, последующее нарезание инициирующей щели на ее боковой поверхности, герметизацию области скважины с инициирующей щелью и нагнетание рабочей жидкости в загерметизированное пространство под высоким давлением до осуществления гидроразрыва, отличающийся тем, что указанные операции проводят с помощью комбинированного устройства для бурения и гидроразрыва прочных горных пород по п.1.