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. Устройство включает трубу, последовательно установленные на конце трубы герметизатор из эластичного материала и распорное кольцо, систему нагнетания жидкости в трубу, узел вращения трубы относительно герметизатора. На конце трубы выполнена коническая резьба, а распорное кольцо заострено по внешней окружности, выполнено с прорезью и торцевыми отверстиями, в которые вставлены стержни, и образует с трубой винтовую пару. Изобретение обеспечивает повышение эффективности и надежности в работе устройства. 3 з.п. ф-лы, 4 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 устройство для образования направленных трещин в скважинах по авт. свид. 1573171, кл. E 21 C 37/06, Е 21 В 43/26, опубл. в БИ 23, 90 г., включающее заполненный рабочим телом корпус в виде стакана с кольцевым упорным буртом на наружной поверхности у днища и радиальными выходными отверстиями, нажимное кольцо, насаженное на корпус с возможностью продольного перемещения, кольцевые герметизаторы трапецеидального поперечного сечения, соосно насаженные на корпусе между упорным буртом и нажимным кольцом с образованием между ними кольцевой щели треугольного поперечного сечения с основанием, прилегающим к радиальным отверстиям, узел продольного перемещения нажимного кольца в виде соосной с корпусом и связанной с ним резьбой трубы с поворотной рукояткой, узел создания давления рабочего тела в корпусе в виде соосного и оппозитного днищу корпуса поршня со штоком и дополнительной поворотной рукояткой, тарельчатые пружины с радиальными прорезями на периферии, соосно установленные на образующих кольцевую щель поверхностях кольцевых герметизаторов, и трубчатую втулку, охватывающую корпус на уровне расположения нажимного кольца с прилегающим к нему кольцевым герметизатором и расположенной между торцом трубы и ближайшей к ней тарельчатой пружиной, при этом на наружной поверхности корпуса выполнен кольцевой выступ для упора в него внутреннего края тарельчатой пружины со стороны упорного бурта.

Это устройство имеет относительно сложную конструкцию. Оно не предназначено для образования трещин в прочных горных породах.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является скважинное устройство для образования направленных трещин по авт. свид. СССР 1714123, кл. Е 21 С 37/04, опубл. в БИ 7, 92 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 имеет также относительно сложную конструкцию, его применение предполагает наличие инициирующей щели (без зацепления за инициирующую щель устройство под действием высокого давления жидкости выталкивается из скважины). Совокупность отмеченных недостатков обуславливает сравнительно низкую эффективность работы устройства.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении эффективности и надежности работы устройства за счет образования направленных трещин в горных породах любой прочности без прорезания инициирующих щелей и упрощения конструкции.

Задача решается тем, что в скважинном устройстве для образования направленных трещин, включающем трубу, последовательно установленные на конце трубы герметизатор из эластичного материала и распорное кольцо, систему нагнетания жидкости в трубу, узел вращения трубы относительно герметизатора, согласно предлагаемому техническому решению на конце трубы выполнена коническая резьба, а распорное кольцо заострено по внешней окружности, выполнено с прорезью и торцевыми отверстиями, в которые вставлены стержни, и образует с трубой винтовую пару.

Использование сочетания трубы с конической резьбой на конце и образующего с трубой винтовую пару заостренного по внешней окружности распорного кольца с прорезью и торцевыми отверстиями, в которые вставлены стержни, позволяет обходиться без инициирующей щели. Обусловлено это тем, что распорное кольцо по линии контакта с горной породой концентрирует напряжения и тем самым заменяет инициирующую щель. Кроме этого, распорное кольцо, вдавливаясь в стенки скважины, предотвращает выталкивание устройства из скважины под действием давления нагнетаемой рабочей жидкости.

Таким образом, совокупность отмеченных признаков в сравнении с выбранным прототипом позволяет существенно повысить эффективность работы устройства.

Целесообразно прорезь в распорном кольце выполнить под углом к оси устройства. Такая прорезь не образует зазор в распорном кольце при его раздвижении. Это обеспечивает полное перекрытие скважины между ее стенками и трубой, что улучшает герметизацию.

Целесообразно стержни на свободных концах заострить. Заостренные концы стержней, попадая в углубления горной породы, создают большое сопротивление скольжению по поверхности забоя скважины. Это позволяет удерживать распорное кольцо от вращения при вкручивании в него трубы.

Целесообразно стержни вставить в торец герметизатора. Это удерживает герметизатор от вращения при вкручивании в него трубы.

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; на фиг.3 - распорное кольцо, вид с боку; на фиг.4 - распорное кольцо, вид в плане.

Скважинное устройство для образования направленных трещин (фиг.1, 2) состоит из трубы (корпуса) 1, с одной стороны которой выполнена коническая резьба 2, а с другой - цилиндрическая (обычная) резьба 3. На цилиндрическую резьбу 3 навинчен стакан 4. В стакане 4 выполнены радиальные отверстия 5, в которые вставлены рукоятки 6, и центральное отверстие с резьбой 7, в которое вкручен винт 8 с рукояткой 9. На конце трубы 1 со стороны конической резьбы 2 последовательно установлены герметизирующая втулка 10 и распорное кольцо 11, которое заострено по внешней окружности и образует с трубой 1 винтовую пару. В распорном кольце 11 выполнены сквозные торцевые отверстия 12 (фиг. 4), через которые пропущены стержни 13, внедряющиеся в торец герметизирующей втулки 10. Внешние концы стержней 13 заострены и на них нанизана шайба 14 из неньютоновской жидкости (пластичной массы). Устройство подано в скважину 15, пробуренную в породном массиве 16, в котором создана трещина 17 (фиг.2). В распорном кольце 11 выполнена прорезь 18 (фиг.3 и 4) под углом к оси устройства.

Параметры распорного кольца 11 задаются из условия возможности перемещения устройства по скважине 15 в направлении забоя, создания требуемой концентрации напряжения по линии контакта его заостренной части с горной породой в момент возникновения трещины 17 и удержания устройства от выталкивания из скважины 15 давлением нагнетаемой неньютоновской жидкости. Прорезь 18 (фиг.3 и 4) выполняют таким образом, чтобы примыкающие к ней участки распорного кольца 11 при максимальном его раздвижении перекрывали (в плане) друг друга. В этом случае улучшается герметизация скважины 15, так как зазор между ее стенками и трубой 1 оказывается перекрытым не только герметизирующей втулкой 10, но и полностью (без промежутка) распорным кольцом 11.

Герметизирующую втулку 10 изготавливают из полиуретана или другого заменяющего его упругого материала. На внутренней ее поверхности под действием внедряющейся конической резьбы 2 формируется соответствующая винтовая канавка. Радиальное раздвижение герметизирующей втулки 10 осуществляют вкручиванием в нее трубы 1.

Размеры выступающих концов стержней 13 задаются из условия возможности перемещения трубы 1 в направлении забоя скважины 15 до максимального раздвижения распорного кольца 11. Стержни 13 внедряют в торец герметизирующей трубки 10 для предотвращения ее вращения относительно распорного кольца 11 при вкручивании в нее трубы 1.

Шайба 14 уменьшает объем неньютоновской жидкости, который нужно подавать из трубы 1 для полного заполнения герметизированного участка скважины 15 до образования трещины 17.

Условия применения устройства предусматривают использование неньютоновской жидкости (специального флюида), обладающей большим сопротивлением движению по трещине 17. Связано это с тем, что создаваемая трещина 17 на определенной стадии отделения горной массы от массива 16 выходит на свободную поверхность. Если использовать обычную жидкость (воду), то она через выходящую на поверхность трещину 17 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 17 при подаче в нее неньютоновской жидкости раздвигались. Эти условия обеспечиваются применением пластичных масс, в частности пластилина. Пластичные массы типа пластилина, как показали эксперименты, не продавливаются через винтовую пару при давлении, достаточном для разрушения горной породы любой прочности. Поэтому в трубе 1 устанавливать поршень нет необходимости, что существенно упрощает изготовление устройства.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Устройство заполняют неньютоновской жидкостью и со стороны стержней 13 подают в скважину 15 до упора в забой. Используя рукоятки 6, вращают трубу 1 и тем самым навинчивают ее на герметизирующую втулку 10 и распорное кольцо 11. При этом распорное кольцо 11 пытается внедриться в стенки скважины 15 (в некоторых случаях внедряется), а герметизирующая втулка 10 перекрывает зазор между стенками скважины 15 и трубой 1. В результате пространство между забоем скважины 15 и герметизирующей втулкой 10 оказывается герметизированным, а по линии контакта распорного кольца 11 со стенками скважины 15 концентрируются напряжения. Затем вращением рукоятки 9 ввинчивают винт 8 в трубу 1. Винт 8 вытесняет неньютоновскую жидкость из устройства в герметизированное пространство скважины 15 и создает в нем давление, от чего между забоем скважины 15 и распорным кольцом 11 возникают растягивающие усилия, которые концентрируются по линии контакта распорного кольца 11 с горной породой. При достижении растягивающими усилиями предела прочности горной породы на растяжение образуется трещина 17 (фиг.2). В трещину 17 поступает неньютоновская жидкость и развивает ее. Рост трещины 17 продолжается до тех пор, пока в нее нагнетают неньютоновскую жидкость. Создав трещину 17 нужных размеров, прекращают вращение винта 9. С помощью рукояток 6 трубу 1 вывинчивают из герметизирующей втулки 10 и распорного кольца 11 до тех пор, пока они, благодаря упругости, не уменьшат свои диаметры до величины, обеспечивающей возможность перемещения устройства по скважине 15. Затем устройство извлекают из скважины 15.

Устройство можно использовать при добыче кристаллического сырья, блочного камня; строительстве туннелей и дорог в гористой местности; разборке старых сооружений и завалов; раскалывании негабаритов. Оно не требует дополнительных механизмов и источников энергии, отличается простотой эксплуатации, эффективностью и надежностью в работе.

Формула изобретения

1. Скважинное устройство для образования направленных трещин, включающее трубу, последовательно установленные на конце трубы герметизатор из эластичного материала и распорное кольцо, систему нагнетания жидкости в трубу, узел вращения трубы относительно герметизатора, отличающееся тем, что на конце трубы выполнена коническая резьба, а распорное кольцо заострено по внешней окружности, выполнено с прорезью и торцевыми отверстиями, в которые вставлены стержни, и образует с трубой винтовую пару.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что прорезь в распорном кольце выполнена под углом к оси устройства.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что стержни на свободных концах заострены.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что стержни вставлены в торец герметизатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4