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. Сущность изобретения заключается в том, что скважинное устройство включает внешнюю и внутреннюю трубы, связанные между собой посредством резьбового соединения, на односторонних торцах которых выполнены кольцевые конические упоры с вершинами, обращенными друг к другу, герметизирующую втулку, выполненную из монолитного материала, переходящего под действием внешней нагрузки в сыпучее состояние, и винт, установленный в одной из труб, при этом внутренняя труба ввинчена в конец внешней трубы, имеющей прорезь на участке внутренней резьбы, связывающей винт с внешней трубой. Изобретение обеспечивает повышение эффективности работы устройства. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

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 скважинное устройство для образования направленных трещин по авторскому свидетельству СССР 1714123, кл. Е 21 С 37/04, опубл. в БИ 7, 1992 г. , включающее две связанные между собой резьбой с возможностью продольного перемещения одна относительно другой коаксиальные трубы с кольцевыми упорами на односторонних торцах. На конце внутренней трубы под кольцевым упором наружной трубы последовательно установлены кольцевой герметизатор и распорное кольцо из эластичного материала. Устройство содержит систему нагнетания жидкости во внутреннюю трубу и узел вращения труб одна относительно другой. При этом распорное кольцо выполнено из связанных между собой с помощью пружины секторов с выточками на внутренних поверхностях, образующих конусный кольцевой паз. Кольцевой упор внутренней трубы выполнен в виде раструба, установленного в кольцевом пазу.

Это устройство предназначено для эксплуатации лишь при наличии инициирующей щели (без зацепления за инициирующую щель устройство под действием высокого давления жидкости выдавливается из скважины) и положительной температуре (при отрицательной температуре теряется требуемая эластичность кольцевого герметизатора), что ограничивает область его применения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является скважинное устройство для образования направленных трещин по патенту РФ 1806265, кл. Е 21 С 37/04, опубл. в БИ 12, 1993 г., включающее две коаксиально установленные трубы, связанные между собой посредством резьбового соединения, на торцах которых выполнены конические упоры с вершинами, обращенными друг к другу, и узел вращения труб. Между упорами размещена герметизирующая втулка, которая выполнена из монолитного материала, переходящего под действием внешней нагрузки в сыпучее состояние. Во внутренней трубе находится поршень, контактирующий с винтом.

Это устройство предназначено для образования направленной трещины флюидом, находящимся во внутренней трубе (корпусе). Если во внутренней трубе не помещается флюид, достаточный для образования направленной трещины нужных размеров, то устройство необходимо разбирать и заправлять, что существенно снижает эффективность его работы.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении эффективности работы устройства за счет возможности без его разборки подавать в создаваемую трещину флюид в не ограниченном конструкцией объеме.

Задача решается тем, что в скважинном устройстве для образования направленных трещин, включающем внешнюю и внутреннюю трубы, связанные между собой посредством резьбового соединения, на односторонних торцах которых выполнены кольцевые конические упоры с вершинами, обращенными друг к другу, герметизирующую втулку, выполненную из монолитного материала, переходящего под действием внешней нагрузки в сыпучее состояние, и винт, установленный в одной из труб, согласно предлагаемому техническому решению внутренняя труба ввинчена в конец внешней трубы, имеющей прорезь на участке внутренней резьбы, связывающей винт с внешней трубой.

Внутреннюю трубу из-за того, что ввинчивают в конец внешней трубы, удается делать короткой и, следовательно, дешевой. Поэтому ее можно относить к расходным материалам и не выполнять дополнительных операций по извлечению из скважины (шпура), что повышает эффективность образования направленных трещин. Прорезь во внешней трубе позволяет без разборки устройства подавать в создаваемую трещину флюид в неограниченном объеме. Это в сравнении с выбранным прототипом существенно повышает эффективность работы устройства.

Целесообразно винт соединить с реверсивным механизмом вращения, периодически меняющим направление вращения и тем самым обеспечивающим возвратно-поступательное движение винта. Это позволяет механизировать процесс нагнетания флюида, что повышает эффективность образования трещины.

Целесообразно также устройство снабдить емкостью с каналом подвода ее содержимого к прорези. Это обеспечивает автоматическую подачу во внешнюю трубу содержимого емкости.

Целесообразно во внешней трубе выполнить радиальное отверстие и установить в нем штуцер для нагнетания жидкости. Изменением расхода нагнетаемой жидкости достигается требуемая вязкость флюида.

Таким образом, совокупность указанных признаков в сравнении с выбранным прототипом позволяет существенно повысить эффективность образования направленных трещин больших размеров.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами.

На фиг. 1 показано скважинное устройство для образования направленных трещин в исходном состоянии, продольный разрез; на фиг.2 - то же, в момент образования трещины, продольный разрез.

Скважинное устройство для образования направленных трещин (фиг.1) состоит из внешней трубы (корпуса) 1, в конец которой ввинчена внутренняя труба 2. На односторонних торцах труб 1 и 2 выполнены кольцевые конические упоры 3 и 4 с вершинами, обращенными друг к другу. Между кольцевыми коническими упорами 3 и 4 на внутреннюю трубу 2 нанизана втулка 5 из монолитного материала, переходящего под действием внешней нагрузки в сыпучее состояние. На свободном от внутренней трубы 2 конце внешней трубы 1 нарезана внутренняя резьба 6 и ввинчен винт 7. Винт 7 соединен с реверсивным механизмом 8 вращения. Во внешней трубе 1 на участке внутренней резьбы 6 выполнена прорезь 9. Устройство снабжено емкостью 10, которая через канал 11 подвода ее содержимого подсоединена к прорези 9. На внешней трубе 1 установлен штуцер 12 для подачи в нее через шланг (на фиг.1 и 2 не показан) жидкости. На основании кольцевого конического упора 4 установлена шпилька 13, на которую надета шайба 14. При этом шпилька 13 смещена относительно осей внутренней трубы 2 и шайбы 14. На корпусе реверсивного механизма 8 вращения установлены рукоятки 15. Устройство подано до упора в забой скважины 16, в которой образуют трещину 18 (фиг. 2).

Втулку 5 изготавливают в специальной форме из смеси песка и связующего его вещества. При навинчивании внешней трубы 1 на внутреннюю трубу 2 под давлением кольцевых конических упоров 3 и 4 втулка 5 рассыпается на составляющие ее частицы. Частицы песка, обладая высокой прочностью, внедряются в стенки скважины 16, а частицы связующего песок вещества заполняют пространство между частицами песка. В результате между внутренней трубой 2 и стенками скважины 16 образуется кольцевая пробка 17, которая, с одной стороны, удерживает устройство от продольного перемещения, ибо имеет сильное сцепление с горной породой, а с другой - не пропускает флюид, так как пространство между частицами песка забито непроницаемым веществом.

Условия применения устройства предусматривают использование специального флюида, обладающего большим сопротивлением движению по трещине 18. Связано это с тем, что создаваемая трещина 18 на определенной стадии отделения горной массы от массива выходит на свободную поверхность. Если использовать жидкость, то она через выходящую на поверхность трещину 18 будет свободно вытекать наружу. От этого давление в жидкости резко снизится и процесс разрыва горной породы прекратится. Нужно создать такие условия, чтобы возникал эффект внедряющегося клина, когда, несмотря на наличие впереди свободного пространства, поверхности трещины 18 при подаче в нее флюида раздвигаются. Эти условия обеспечиваются применением пластичных масс.

Пластичные массы типа пластилина (смесь глины и отработанного масла), как показали эксперименты, не продавливаются через винтовую пару при давлении, достаточном для разрушения горной породы любой прочности. Поэтому во внешней трубе 1 устанавливать поршень нет необходимости, что существенно упрощает изготовление устройства.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Устройство до нижней границы прорези 9 заполняют флюидом и со стороны кольцевого упора 4 внутренней трубы 2 подают в скважину 16 до упора в забой. С помощью рукояток 15 внешнюю трубу 1 навинчивают на внутреннюю трубу 2, которая удерживается от вращения распором шайбы 14 о стенки скважины 16. При этом кольцевые конические упоры 3 и 4 сближаются, раздавливают втулку 5 и спрессовывают образовавшийся сыпучий материал с формированием непроницаемой кольцевой пробки 17 между стенками скважины 16 и устройством. Включают реверсивный механизм 8 вращения, от чего винт 7 совершает возвратно-поступательное движение. Емкость 10 заполняют сыпучим материалом, а через штуцер 12 в заданном режиме нагнетают жидкость. Когда винт 7 ввинчивается во внешнюю трубу 1 за пределы нижней границы прорези 9, внутри устройства повышается давление до значения, достаточного для разрыва стенок скважины 16 возле забоя с образованием и последующим развитием трещины 18. Каждый раз, когда винт находится выше нижней границы прорези 9, во внешнюю трубу из емкости 10 через канал 11 поступает порция сыпучего материала (содержимого емкости 10), который пропитывается нагнетаемой через штуцер 12 жидкостью до нужной степени насыщения. Последующим движением вниз винт 7 спрессовывает смесь сыпучего материала и жидкости, образуя пластичную массу (флюид), используемую для дальнейшего развития трещины 18. Изменением расхода подаваемой через штуцер 12 жидкости обеспечивают требуемую вязкость флюиду. Отметим, что из-за высокого сопротивления движению флюид, который находится внутри устройства, не следует за винтом 7 во время его подъема и поэтому устанавливать клапан для пропуска флюида лишь в одном направлении нет необходимости. Создав трещину 18 нужных размеров нагнетанием в нее соответствующего объема флюида, отключают реверсивный механизм 8 вращения, отсоединяют шланг от штуцера 12, трубу 1 скручивают с трубы 2 и извлекают из скважины 16. В трубу 1 со стороны кольцевого конического упора 3 вкручивают другой узел, включающий трубу 2, втулку 5, шпильку 13 и шайбу 14. После этого устройство готово для подачи в очередную скважину. Оставшиеся в использованной скважине 16 детали устройства относят к расходным материалам либо извлекают для дальнейшего применения после отделения горной массы от массива.

Содержимое емкости 10 должно поступать во внешнюю трубу 1 через канал 11 лишь под действием собственного веса, сравнительно быстро насыщаться нагнетаемой через штуцер 12 жидкостью и под действием давления винта 7 становиться сплошной пластичной массой (флюидом). Такой способностью обладает измельченная сухая глина. В качестве нагнетаемой через штуцер 12 жидкости предполагается использовать воду или отработанное техническое масло. При непрерывном ведении работ и в больших объемах применение воды (водной эмульсии) экологически и экономически оправдано. Однако после окончания работы устройство каждый раз необходимо тщательно очищать и промывать от остатков флюида (иначе глина отвердеет внутри устройства). Преимущество использования масла заключается в том, что его смесь с глиной легче проникает в создаваемую трещину 18 (можно образовывать трещину больших размеров), не изменяет своих свойств во времени, снижает нагрузку на винт 7 (уменьшается трение флюида о внутренние стенки устройства), не требует промывки устройства после работы. Отметим, что существуют вещества, которые могут применяться для образования трещины 18 с помощью устройства без подачи через штуцер 12 жидкости. К таковым относится, например, воск. При атмосферном давлении измельченный воск обладает свойством сыпучего твердого материала, а под давлением становится пластичным и текучим.

Устройство можно использовать при добыче кристаллического сырья, блочного камня; строительстве туннелей и дорог в гористой местности; разборке старых сооружений и завалов; раскалывании негабаритов. Оно отличается простотой эксплуатации и эффективностью. Может быть изготовлено практически в любой механической мастерской.

Формула изобретения

1. Скважинное устройство для образования направленных трещин, включающее внешнюю и внутреннюю трубы, связанные между собой посредством резьбового соединения, на односторонних торцах которых выполнены кольцевые конические упоры с вершинами, обращенными друг к другу, герметизирующую втулку, выполненную из монолитного материала, переходящего под действием внешней нагрузки в сыпучее состояние, и винт, установленный в одной из труб, отличающееся тем, что внутренняя труба ввинчена в конец внешней трубы, имеющей прорезь на участке внутренней резьбы, связывающей винт с внешней трубой.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что винт соединен с реверсивным механизмом вращения.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что оно снабжено емкостью с каналом подвода ее содержимого к прорези.

4. Устройство по одному из пп. 1-3, отличающееся тем, что во внешней трубе выполнено радиальное отверстие, в котором установлен штуцер для нагнетания жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2