Скважинное устройство для образования направленных трещин

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для образования трещин в скважинах с целью отделения блоков от массивов, добычи ценного кристаллического сырья и строительного камня. Скважинное устройство для образования направленных трещин включает 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 трубки выполнена коническая резьба, а на другом ее конце надет стакан с центральным отверстием в дне. Шток пропущен через трубу и центральное отверстие в дне стакана и выполнен с кольцевым упором в дно стакана изнутри и кольцевым выступом на свободном от вибратора конце. По всей длине боковой поверхности кольцевого выступа выполнена винтовая канавка. Герметизирующая втулка выполнена из упругопластичного материала. Штуцер для нагнетания рабочей жидкости установлен на трубе между кольцевым упором и кольцевым выступом штока. Изобретение повышает надежность устройства путем упрощения его конструкции. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к горному делу и может быть использовано для образования трещин в скважинах с целью отделения блоков от массивов, добычи ценного кристаллического сырья и строительного камня.

Известно устройство для образования направленных трещин в скважинах по авторскому свидетельству СССР N 1222837, кл. E 21 C 37/06, E 21 B 43/25, опубл. в БИ N 13, 1986 г. Оно включает полый цилиндрический корпус с торцевым каналом подвода рабочей жидкости; соосный корпусу эластичный рукав с накладками с рабочими органами в виде клиньев на наружной поверхности; обжимные кольца, связывающие накладки между собой и с эластичным рукавом; кольцевой герметизатор, установленный на корпусе со стороны канала подвода рабочей жидкости, запорный клапан, установленный на противоположной стороне корпуса с возможностью продольного перемещения, и фиксатор положения клапана. Эластичный рукав установлен на корпусе между кольцевым герметизатором и запорным клапаном и жестко связан с ним своими торцами. В стенках корпуса выполнены отверстия, сообщающие его полость с пространством под эластичным рукавом и запорным клапаном. Фиксатор положения клапана выполнен в виде зацепов, связанных с накладками жестко, а с клапаном - с возможностью расцепления при раздвигании накладок.

Это устройство имеет относительно сложную конструкцию, не предназначено для образования трещины непосредственно у забоя скважины. На ориентацию трещины оказывает влияние находящийся под высоким давлением жидкости сравнительно большой участок скважины между ее забоем и герметизатором. До внедрения в горную породу клиньев подача жидкости в герметизируемое пространство не представляется возможной. Совокупность отмеченных недостатков обуславливает сравнительно узкую область применения, низкую эффективность и надежность работы устройства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является скважинное устройство для образования направленных трещин по патенту СССР N 1806266, кл. E 21 C 37/04, опубл. в БИ N 12 за 1993 г., включающее коаксиальные наружную и внутреннюю трубы, связанные между собой посредством резьбового соединения и выполненные с кольцевыми упорами на торцах, герметизирующую втулку, установленную между кольцевыми упорами, узел вращения труб относительно друг друга, шток, размещенный во внутренней трубе с возможностью продольного перемещения, вибратор, обратный клапан, штуцер для нагнетания жидкости во внутреннюю трубу и шпонки. При этом шток выполнен со сквозным осевым каналом, обратный клапан установлен в канале штока со стороны герметизирующей втулки, вибратор закреплен на свободном торце штока, внутренняя труба выполнена с продольными прорезями на боковой поверхности, а шпонки закреплены на боковой поверхности штока и установлены в прорезях.

Это устройство имеет сравнительно сложную конструкцию. Ударная нагрузка через шток и штуцер передается шлангу, который подсоединяют к устройству для подачи рабочей жидкости. Все это обуславливает относительно низкую надежность устройства.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении надежности устройства путем упрощения его конструкции.

Задача решается тем, что в скважинном устройстве для образования направленных трещин, включающем трубу, герметизирующую втулку, надетую на конец трубы, узел вращения трубы относительно герметизирующей втулки шток, размещенный в трубе с возможностью продольно перемещения, вибратор, закрепленный на конце штока, штуцер для нагнетания рабочей жидкости в трубу, согласно предлагаемому техническому решению, на конце трубы со стороны герметизирующей втулки выполнена коническая резьба, а на другой 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.

По сравнению с прототипом в предлагаемом техническом решении за счет взаимодействия конической резьбы на конце трубы и втулки из упругопластичного материала удается осуществлять герметизацию скважины без дополнительной внутренней трубы, узла вращения труб относительно друг друга и шпонок на боковой поверхности штока, что существенно упрощает конструкцию устройства. Кроме этого, выполнение конической резьбы на конце трубы позволяет путем ее ввинчивания в герметизирующую втулку из упругопластичного материала более простыми действиями герметизировать скважину и после образования трещины не требует специальных мер по устранению герметизирующего материала с целью извлечения устройства из скважины.

Кольцевой упор и кольцевой выступ штока обеспечивают его центровку и зазор между штоком и трубой. Это позволяет выполнять шток без сквозного осевого канала, а шланг и штуцер для нагнетания рабочей жидкости подсоединять к трубе, которая не подвержена ударным нагрузкам, что повышает надежность работы устройства.

Винтовая канавка на боковой поверхности кольцевого выступа штока, обеспечивающая практически беспрепятственное протекание в герметизированный участок скважины рабочей жидкости, нагнетаемой в статическом режиме, оказывает существенное сопротивление прохождению гидравлических импульсов, что позволяет обходиться без запорного клапана.

Таким образом, совокупность указанных признаков в сравнении с выбранным прототипом позволяет существенно упростить конструкцию устройства и, следовательно, повысить его надежность.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежом.

На чертеже показано скважинное устройство для образования направленных трещин, продольный разрез.

Скважинное устройство для образования направленных трещин (см. чертеж) представляет собой трубу 1 (полый цилиндрический корпус) с конической резьбой 2 на конце. На другом конце трубы 1 надет стакан 3 с центральным отверстием в дне. Стакан 3 связан с трубой 1 резьбовым соединением. В трубу 1 вставлен шток 4 с кольцевым упором 5 в дно стакана 3 изнутри и кольцевым выступом 6 на свободном от вибратора конце. По всей длине боковой поверхности кольцевого выступа 6 штока 4 выполнена винтовая канавка 7. На конце штока 4 установлен вибратор 8. Труба 1 через коническую резьбу 2 связана с герметизирующей втулкой 9 из упругопластичного материала. Для ввинчивания трубы 1 в герметизирующую втулку 9 в боковой поверхности стакана 3 выполнены радиальные отверстия с резьбой, в которые ввинчены рукоятки 10. Чтобы при вывинчивании трубы 1 из герметизирующей втулки 9 исключить возможность скручивания с нее стакана 3, в трубе 1 выполнены углубления (поз. не обозначены), в которые заходят концы рукояток 10. На трубе 1 установлен штуцер 11 для нагнетания рабочей жидкости, к которому подсоединяют шланг. На боковой поверхности центрального отверстия в дне стакана 3 сделан кольцевой паз, в который вставлено уплотнительное кольцо 12. Между трубой 1 и дном стакана 3 изнутри установлена уплотнительная шайба 13. Устройство установлено в скважине 14, через которую создают направленную трещину 15.

Уплотнительное кольцо 12 и уплотнительная шайба 13 предотвращают утечку рабочей жидкости из устройства, минуя герметизированный участок скважины 14.

Кольцевой упор 5 делают на таком расстоянии от торца штока 4, чтобы при упоре кольцевого выступа 6 в забой скважины 14 вибратор 8 не имел непосредственного контакта со стаканом 3.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Устройство со стороны герметизирующей втулки 9 подают в скважину 14 до упора в забой. Вращением рукояток 10 ввинчивают трубу 1 в герметизирующую втулку 9. При этом за счет того, что резьба на конце трубы 1 является конической, происходит расширение герметизирующей втулки 9 и герметизация скважины 14. После этого к штуцеру 11 для нагнетания рабочей жидкости подсоединяют шланг (на чертеже не показан) от гидросистемы и подают рабочую жидкость, которая вначале через зазор между трубой 1 и штоком 4, а затем через винтовую канавку 7 попадает в герметизированное пространство. Под давлением рабочей жидкости шток 4 отходит от забоя скважины 14 до контакта кольцевого упора 5 с дном стакана 3 изнутри. Затем включают вибратор 8 в режиме одиночных ударных импульсов. Благодаря ударным импульсам в герметизированном пространстве периодически возрастает давление рабочей жидкости до величины, превышающей прочность горной породы. В результате в плоскости забоя скважины 14 возникает и развивается трещина 15. Создав трещину 15 нужных размеров, выключают вибратор 8 и прекращают нагнетание рабочей жидкости, от штуцера 11 для нагнетания рабочей жидкости отсоединяют шланг, с помощью рукояток 10 вывинчивают трубу 1 из герметизирующей втулки 9 и устройство извлекают из скважины 14.

Герметизирующая втулка 9 при ввинчивании в нее трубы 1 не должна проворачиваться в скважине 14. Для этого до подачи устройства в скважину 14 герметизирующую втулку 9 навинчивают на коническую резьбу 2 таким образом, чтобы с одной стороны устройство сравнительно легко перемещалось по скважине 14 в направлении забоя, а с другой стороны, чтобы между герметизирующей втулкой 9 и стенками скважины 14 создавалось необходимое трение. Механизм установки герметизирующей втулки 9 в скважине 14 аналогичен закреплению в стенке шурупа с помощью дюбеля, который вместе с шурупом вставляют в предварительно просверленное в стене отверстие. В устройстве предлагается использование одноразовых герметизирующих втулок 9, которые в зависимости от условий образования направленной трещины 15 изготавливают от различных упругопластичных материалов, например пластмассы или мягкого металла (алюминия, меди).

Изменением режима работы вибратора 8 и нагнетания жидкости можно обеспечить различные виды нагрузок на горную породу, например, статическую (при выключенном вибраторе 8), в виде гармонических колебаний (шток 4 перемещается между дном стакана 3 и забоем скважины 14 по синусоидальному закону) и ударную с различным уровнем статического подпора.

Устройство разработано для работы на карьерах по добыче блочного камня на основе ориентированного флюидоразрыва горных пород. С его помощью можно разрушать блоки любой прочности и практически неограниченных размеров.

Формула изобретения

Скважинное устройство для образования направленных трещин, 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, отличающееся тем, что 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.

РИСУНКИ

Рисунок 1