Устройство для образования направленных трещин в скважинах

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для образования в скважине инициирующей трещины, задающей ориентацию плоскости разрыва горной породы при добыче ценного кристаллического сырья и камня, строительстве дорог и туннелей в гористой местности, разрушении негабаритов. Устройство включает трубу, выполненную с кольцевым упором на торце и продольными прорезями, и шток, размещенный в трубе с возможностью продольного перемещения. Труба заполнена неньютоновской жидкостью, а на ее торце со стороны кольцевого упора установлена тарельчатая пружина с вершиной, обращенной к штоку. В штоке выполнено поперечное отверстие, в котором установлен стержень, проходящий через продольные прорези. Изобретение обеспечивает повышение эффективности работы устройства, сокращение времени на осуществление разрыва горной породы, а также упрощение его конструкции. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для образования в скважине инициирующей трещины, задающей ориентацию плоскости разрыва горной породы при добыче ценного кристаллического сырья и камня, строительстве дорог и туннелей в гористой местности, разрушении негабаритов.

Известно устройство для образования направленных трещин в скважинах по авт. св. СССР 1555483, кл. Е 21 С 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 цанг, связанных концами лепестков с вершиной кольцевого распорного элемента. Корпус у торца, оппозитного торцевому каналу подвода рабочей жидкости, выполнен с конусным заострением, прилегающим к внутренним поверхностям лепестков цанг. Выходное отверстие расположено на торце корпуса со стороны клинового заострения. Закалывающие клинья расположены на свободных концах лепестков цанги.

Это устройство предназначено для образования трещин в горных породах с низкой прочностью. Оно имеет сложную конструкцию, работает только при наличии высоконапорного насоса, предполагает внедрение в стенки скважины клиньев. Все это обуславливает низкую эффективность его применения для образования трещины в горной породе с высокой прочностью.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является скважинное устройство для образования направленных трещин по патенту СССР 1806266, кл. Е 21 С 37/04, опубл. в БИ 12, 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 сложную конструкцию. Для извлечения его из скважины после образования трещины в горной породе требуется выполнение дополнительных операций по удалению материала герметизирующей втулки. Ориентация плоскости формируемой трещины существенно зависит от способа бурения скважины. В случае применения ударно-поворотного либо ударно-вращательного способа бурения, при котором в груди забоя возникают техногенные трещины, для обеспечения нужной ориентации разрыва горной породы требуется дополнительная обработка скважины алмазным инструментом. Все это обуславливает относительно низкую эффективность использования устройства для создания инициирующей трещины в заданной плоскости.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении эффективности работы устройства за счет снижения влияния техногенных трещин на ориентацию создаваемой инициирующей трещины, сокращения времени на осуществление разрыва горной породы, а также упрощения его конструкции.

Задача решается тем, что в устройстве для образования направленных трещин в скважинах, включающем трубу, выполненную с кольцевым упором на торце и продольными прорезями, и шток, размещенный в трубе с возможностью продольного перемещения, согласно предлагаемому техническому решению, труба заполнена неньютоновской жидкостью, а на ее торце со стороны кольцевого упора установлена тарельчатая пружина с вершиной, обращенной к штоку, при этом в штоке выполнено поперечное отверстие, в котором установлен стержень, проходящий через продольные прорези.

Заполнение трубы неньютоновской жидкостью устраняет необходимость применения специальных элементов для герметизации скважины и отдельных узлов устройства, обеспечивает возможность создания необходимого для разрыва горной породы давления в узкой зоне. Это сокращает время образования инициирующей трещины за счет исключения операций по герметизации скважины и повышает надежность работы устройства за счет упрощения его конструкции.

Установка тарельчатой пружины на торце трубы со стороны кольцевого упора исключает попадание неньютоновской жидкости в техногенные трещины (следовательно, и их развитие) в груди забоя. При этом благодаря тому, что вершина тарельчатой пружины обращена к штоку, во время повышения давления в неньютоновской жидкости она стремится сплющиться, от чего по линии ее контакта с горной породой концентрируются напряжения. Такое расположение тарельчатой пружины позволяет также направлять поток частиц неньютоновской жидкости в создаваемую трещину. Все это повышает вероятность разрыва горной породы в заданной плоскости, снижает требования к давлению неньютоновской жидкости, сокращает время образования инициирующей трещины.

Поперечное отверстие со стержнем, проходящим через продольные прорези, обеспечивает извлечение трубы вместе со штоком из скважины без выполнения относительно сложных соединительных узлов между отдельными частями устройства. Это упрощает конструкцию.

Таким образом, совокупность отмеченных признаков, снижающих влияние техногенных трещин на ориентацию создаваемой инициирующей трещины, сокращающих время на осуществление разрыва горной породы и упрощающих конструкцию, в сравнении с выбранным прототипом, позволяет существенно повысить эффективность работы устройства.

Целесообразно при этом в штоке выполнить второе поперечное отверстие, в котором установить второй стержень, выходящий за пределы штока, а на шток между вторым стержнем и трубой надеть пружину. Благодаря пружине труба в момент повышения в ней давления неньютоновской жидкости отходит от поверхности тарельчатой пружины на существенно меньшую (чем при отсутствии пружины) величину. Из-за этого неньютоновская жидкость воздействует на горную породу в относительно узкой полосе, способствуя образованию трещины поперек скважины. Кроме этого, пружина снижает вероятность выдавливания штоком неньютоновской жидкости из трубы при перемещении устройства по скважине в направлении забоя.

Целесообразно трубу намагнитить. Намагниченная труба притягивает и удерживает тарельчатую пружину при перемещении устройства по скважине. Поэтому применять другие способы крепления тарельчатой пружины к торцу трубы нет необходимости. Это упрощает конструкцию и эксплуатацию устройства.

Целесообразно трубу выполнить из упругого материала. Труба из упругого материала во время повышения давления неньютоновской жидкости способна расширяться, устраняя тем самым зазор между кольцевым упором и стенками скважины. Это снижает требования к бурению скважины (допускается отклонение диаметра скважины на большую величину).

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами.

На фиг. 1 показано устройство для образования направленных трещин в скважинах в исходном состоянии, продольный разрез; на фиг.2 - то же, в момент образования трещины, продольный разрез; на фиг.3 - тарельчатая пружина, вид в плане.

Устройство для образования направленных трещин в скважинах (фиг.1, 2) состоит из трубы 1 с кольцевым упором 2 на торце и продольными прорезями 3. В трубе 1 установлен шток 4 с поперечным отверстием 5, в которое вставлен стержень 6, проходящий через продольные прорези 3. В штоке 4 выполнено второе поперечное отверстие 7, в которое вставлен второй стержень 8, выходящий за пределы штока 4. Между вторым стержнем 8 и трубой 1 на шток 4 надета пружина 9. Со стороны кольцевого упора 2 на торце трубы 1 установлена тарельчатая пружина 10 с вершиной, обращенной к штоку 4. Часть трубы 1 между штоком 4 и тарельчатой пружиной 10 заполнена неньютоновской жидкостью 11. Труба 1 может быть выполнена из упругого материала, металла либо намагниченной стали. Устройство установлено в скважине 12, через которую образована трещина 13.

Тарельчатую пружину 10 изготавливают (фиг.3) методом штамповки. Угол наклона поверхности и диаметр тарельчатой пружины 10 должны быть такими, чтобы с одной стороны обеспечивалась возможность ее внедрения в стенки скважины во время действия давления неньютоновской жидкости, с другой - чтобы устройство могло перемещаться в направлении забоя скважины 12. Для выполнения этих условий в тарельчатой пружине 10 выполняют радиальные надрезы 14, а образовавшиеся при этом лепестки 15 при их сгибании нахлестывают друг на друга.

В качестве неньютоновской жидкости используют пластичные массы типа пластилина, которые практически не изменяют свойств во времени и не вытекают из трубы 1 без соответствующего воздействия на них со стороны штока 4.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Устройство со стороны тарельчатой пружины 10 подают в скважину 12 до упора в забой. К свободному торцу штока 4 прикладывают ударную нагрузку. Ударная нагрузка через шток 4 передается неньютоновской жидкости 11 и формирует в ней импульс давления, которое воздействует на выпуклую поверхность тарельчатой пружины 10, торец трубы 1 и через возникающий при этом зазор между трубой 1 и тарельчатой пружиной 10 на стенки скважины 12. Тарельчатая пружина 10, пытаясь сплющиться и внедриться в горную породу, концентрирует по линии ее контакта со стенками скважины 12 высокие напряжения. От одновременного воздействия на горную породу неньютоновской жидкости 11 в узкой зоне и тарельчатой пружины 10 поперек скважины 12 возникает трещина 13. Дальнейшее развитие трещины 13 происходит в результате проникновения в нее неньютоновской жидкости 11 под давлением. Конечные размеры трещины 13 определяются свойствами горной породы и объемом поданной в нее неньютоновской жидкости 11. Создав трещину 13, устройство извлекают из скважины.

Нужный объем неньютоновской жидкости 11 в трубе 1 обуславливается ее свойствами, механической прочностью горной породы, величиной ударной нагрузки, размерами трубы 1 и скважины 12. Определяется он экспериментально. При этом следует учитывать, что для повышения эффективности передачи ударной нагрузки тарельчатой пружине 10 объем неньютоновской жидкости 11 нужно уменьшать. Однако с уменьшением начального объема неньютоновской жидкости 11 в трубе 1 уменьшаются конечные размеры создаваемой инициирующей трещины 13. Объем неньютоновской жидкости 11 задается местоположением отверстия 5 со стержнем 6 в штоке 4.

Необходимое давление на горную породу между трубой 1 и тарельчатой пружиной 10 достигается следующим образом. Во-первых, используется специальная неньютоновская жидкость 11, обладающая высоким сопротивлением движению между двумя сближенными поверхностями. Таким свойством обладают пластичные массы, в частности пластилин. Во-вторых, добиваются минимального зазора между кольцевым упором 2 и стенками скважины 12 (В идеальном случае кольцевой упор 2 должен перемещаться по скважине 12 подобно поршню по соответствующему цилиндру). Достигается это бурением скважины 12 под диаметр кольцевого упора 2, либо выполнением трубы 1 из упругого материала, например полиуретана. Следует отметить, что труба 1 из упругого материала улучшает герметизацию скважины, однако ухудшает передачу ударного импульса от штока 4 горной породе и не способна намагничиваться для удержания тарельчатой пружины 10 магнитным полем. Труба 1 из металла (стали) предъявляет более высокие требования к диаметру скважины 12. Неньютоновскую жидкость и материал для трубы 1 выбирают в зависимости от свойств горной породы, параметров ударного механизма и оборудования для бурения скважины 12.

Материал для тарельчатой пружины 10 выбирают исходя из условий и характера выполняемой работы. Если тарельчатую пружину 10 не нужно оставлять в скважине 12, то ее механические параметры должны быть такими, чтобы максимальная нагрузка не превышала предела ее упругости. Тогда после создания инициирующей трещины 13 тарельчатая пружина 10 возвращается в исходное состояние и, притягиваясь магнитным полем к торцу трубы 1, извлекается из скважины 12 вместе с устройством. Если дальнейшее углубление скважины 12 не предусматривается, а к заданию направленности разрушения горной породы предъявляются повышенные требования, тарельчатую пружину 10 следует оставлять в скважине 12. Это существенно снижает вероятность развития техногенных трещин в груди забоя и направляет основной поток подводимой в дальнейшем энергии на отделение горной массы от массива по заданной плоскости (развитие инициирующей трещины 13). В этом случае тарельчатую пружину 10 делают такой, что под действием ударной нагрузки она расплющивается (предел ее упругости ниже максимального давления неньютоновской жидкости 11) и от этого затем (после нагрузки) продолжает частично входит в инициирующую трещину 13. К немагнитной трубе 1 тарельчатую пружину 10 приклеивают специальным клеем, либо применяют липкую неньютоновскую жидкость 11.

Устройство предназначено для образования направленных трещин в скважинах, пробуренных в горный породе с любой прочностью. Оно может быть изготовлено механическими мастерскими практически любых горных предприятий.

Формула изобретения

1. Устройство для образования направленных трещин в скважинах, включающее трубу, выполненную с кольцевым упором на торце и продольными прорезями, и шток, размещенный в трубе с возможностью продольного перемещения, отличающееся тем, что труба заполнена неньютоновской жидкостью, а на ее торце со стороны кольцевого упора установлена тарельчатая пружина с вершиной, обращенной к штоку, при этом в штоке выполнено поперечное отверстие, в котором установлен стержень, проходящий через продольные прорези.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в штоке выполнено второе поперечное отверстие, в котором установлен второй стержень, выходящий за пределы штока, а на шток между вторым стержнем и трубой надета пружина.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что труба намагничена.

4. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что труба выполнена из упругого материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3