Скважинное устройство для образования направленных трещин

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для отделения блоков от массивов, добычи ценного кристаллического сырья и строительного камня, разрушения негабаритов. Устройство включает трубу, установленный на конце трубы герметизатор из эластичного материала и систему нагнетания жидкости в трубу. На одном конце трубы установлена заглушка, другой ее конец выполнен в виде цанги, а вдоль трубы выполнены продольные прорези. Со стороны цанги на трубу последовательно надеты уплотнительная шайба из эластичного материала и металлическая втулка. Герметизатор выполнен в виде уплотнительного кольца, которое установлено в кольцевом углублении, выполненном на боковой поверхности заглушки. В качестве системы нагнетания жидкости в трубу использован гидроцилиндр, установленный с возможностью вхождения его плунжера в трубу со стороны цанги. На конце гидроцилиндра со стороны выхода из него плунжера выполнено ступенчатое утончение, на внешней поверхности которого имеется кольцевое углубление для сцепления с цангой трубы. Повышается эффективность работы устройства за счет снижения трудоемкости его эксплуатации и энергии на образование трещины. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для отделения блоков от массивов, добычи ценного кристаллического сырья и строительного камня, разрушения негабаритов.

Известно скважинное устройство для образования направленных трещин по патенту РФ №2230185, кл. Е21В 43/26, Е21С 37/04, опубл. в БИ №16, 2004 г. Оно включает трубу, установленный на конце трубы распорный элемент, систему нагнетания жидкости в трубу, узел вращения трубы относительно распорного элемента. Распорный элемент выполнен в виде витой пружины с контактирующими между собой витками, один конец которой закреплен на трубе неподвижно. Часть витков пружины имеет диаметр, больший диаметра скважины.

Устройство обеспечивает образование трещины исключительно перпендикулярно скважине и возле ее забоя. Для подачи жидкости в трещину необходимо продавливать ее через трубу. Это значительно увеличивает затрату энергии на формирование трещины. Устройство обладает высокой трудоемкостью эксплуатации из-за необходимости его вкручивания в скважину на всю ее длину. Поэтому устройство обладает сравнительно низкой эффективностью.

Наиболее близким по технической сущности, совокупности существенных признаков и достигаемому результату является скважинное устройство для образования направленных трещин по патенту РФ №2184214, кл. Е21В 37/06, опубл. в БИ №18, 2002 г. Оно 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.

В этом устройстве жидкость в формируемую трещину подается через трубу, на что требуется дополнительно затрачивать значительную энергию. Оно обладает высокой трудоемкостью эксплуатации из-за необходимости вращения трубы для герметизации скважины. Устройство обеспечивает образование трещины только поперек шпура. Совокупность отмеченных недостатков обуславливает сравнительно низкую эффективность работы устройства.

Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности работы устройства за счет снижения трудоемкости его эксплуатации и энергии на образование трещины.

Задача решается тем, что в скважинном устройстве для образования направленных трещин, включающем трубу, установленный на конце трубы герметизатор из эластичного материала и систему нагнетания жидкости в трубу, согласно предлагаемому техническому решению на одном конце трубы установлена заглушка, другой ее конец выполнен в виде цанги, а вдоль трубы выполнены продольные прорези. Со стороны цанги на трубу последовательно надеты уплотнительная шайба из эластичного материала и металлическая втулка, а герметизатор выполнен в виде уплотнительного кольца, которое установлено в кольцевом углублении, выполненном на боковой поверхности заглушки. В качестве системы нагнетания жидкости в трубу использован гидроцилиндр, установленный с возможностью вхождения его плунжера в трубу со стороны цанги. На конце гидроцилиндра со стороны выхода из него плунжера выполнено ступенчатое утончение, на внешней поверхности которого имеется кольцевое углубление для сцепления с цангой трубы.

Труба с заглушкой на одном конце, имеющей на боковой поверхности кольцевое углубление, в котором установлен герметизатор в виде уплотнительного кольца, и последовательно надетые на другой ее конец уплотнительная шайба из эластичного материала и металлическая втулка позволяют герметизировать скважину на участке от ее устья до местоположения заглушки. Выполнение вдоль трубы продольных прорезей обеспечивает возможность задавать формируемой трещине нужную ориентацию и подавать в нее жидкость без продавливания последней через трубу. Гидроцилиндр, установленный с возможностью вхождения его плунжера в трубу со стороны цанги, обеспечивает вытеснение жидкости из трубы в формируемую трещину. Благодаря цанге и выполнению на конце гидроцилиндра со стороны выхода из него плунжера ступенчатого утончения, на внешней поверхности которого имеется кольцевое углубление, возможно сцепление трубы с гидроцилиндром. В результате формирование трещины осуществляют без продавливания всего столба жидкости по трубе и без дополнительных операций по герметизации скважины, а для вытеснения жидкости из множества труб (скважин) используют только один гидроцилиндр. При этом создаются условия для сравнительно простой автоматизации процесса формирования трещины. Таким образом, совокупность отмеченных признаков в сравнении с выбранным прототипом позволяет существенно повысить эффективность работы устройства.

Целесообразно на внешних поверхностях металлической втулки и цанги выполнить кольцевые выступы, между которыми на металлическую втулку надеть пружину. Это позволяет расцеплять трубу и гидроцилиндр автоматически.

Целесообразно на внешнюю поверхность трубы нанести слой герметика. Это исключает возможность проникновения жидкости в зазор между трубой и стенками скважины, что обеспечивает возникновение формируемой трещины в заданной плоскости.

Целесообразно трубу заполнить неньютоновской жидкостью. Это исключает операцию по заполнению трубы жидкостью на участке формирования трещины.

Целесообразно продольные прорези в трубе заклеить полосами из непрочного материала. Это существенно упрощает заправку неньютоновской жидкостью трубы до ее подачи в скважину.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами (фиг.1-4).

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 - разрез А-А в увеличенном масштабе; на фиг.4 - разрез Б-Б.

Скважинное устройство для образования направленных трещин (далее устройство) состоит из трубы 1 (фиг.1, 2), на одном конце которой установлена заглушка 2. Другой конец трубы 1 выполнен в виде цанги 3. Вдоль трубы 1 выполнены продольные прорези 4 (фиг.3). Со стороны цанги 3 на трубу 1 последовательно надеты уплотнительная шайба 5 из эластичного материала и металлическая втулка 6. На боковой поверхности заглушки 2 выполнено кольцевое углубление (на фиг.1 и 2 не обозначено), в котором установлено уплотнительное кольцо 7 из эластичного материала. На внешних поверхностях металлической втулки 6 и цанги 3 выполнены кольцевые выступы 8 и 9 соответственно, между которыми на металлическую втулку 6 надета пружина 10. Устройство имеет систему нагнетания жидкости в трубу, в качестве которой использован гидроцилиндр 11, установленный с возможностью вхождения его плунжера 12 в трубу 1 со стороны цанги 3. На конце гидроцилиндра 11 со стороны выхода из него плунжера 12 выполнено ступенчатое утончение 13, на внешней поверхности которого имеется кольцевое углубление 14 для сцепления с цангой 3 трубы 1. Гидроцилиндр 11 снабжен штуцерами 15 и 16 для подсоединения его к гидравлической системе. Плунжер 12 объединен с поршнем 17. К торцу ступенчатого утончения 13 гидроцилиндра 11 прикреплена (приклеена) уплотнительная шайба 18 из упругого материала. На внешнюю поверхность трубы 1 нанесен слой герметика (на фигурах не показан). Продольные прорези 4 заклеены полосами из непрочного материала (на фигурах не показаны), например бумаги, резины. Труба 1 заполнена неньютоновской жидкостью 19 (пластичным веществом). Устройство подано в скважину 20, через которую сформируют трещину 21 (фиг.3).

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Заполненную неньютоновской жидкостью 19 трубу 1 (фиг.1) со стороны заглушки 2 через металлическую втулку 6 с надетой на нее пружиной 10 и уплотнительной шайбой 5 подают в скважину 20 до контакта кольцевого выступа 9 с пружиной 10. К цанге 3 подводят гидроцилиндр 11 со стороны ступенчатого утончения 13 и перемещают в направлении устья скважины 20 до упора кольцевого выступа 9 в торец металлической втулки 6. При этом концы лепестков цанги 3 входят в кольцевое углубление 14, отчего труба 1 сцепляется с гидроцилиндром 11, а уплотнительная шайба 5 придавливается к поверхности разрушаемого объекта и тем самым герметизирует устье скважины 20. От гидравлической системы через штуцер 16 в гидроцилиндр 11 подают жидкость под давлением. Это давление через поршень 17 воздействует на плунжер 12, который входит в трубу 1 (фиг.2), и через неньютоновскую жидкость 19, прорези 4 и полосы из бумаги воздействует на стенки скважины 20, отчего полосы из бумаги разрываются, а в стенках скважины 20 возникает трещина 21 (фиг.4). Дальнейший рост трещины 21 происходит в результате вытеснения в нее неньютоновской жидкости 19 из трубы 1 плунжером 12. После полного выдвижения плунжера 12 из гидроцилиндра 11 давление нагнетаемой через штуцер 16 жидкости сбрасывают до нуля и начинают нагнетать жидкость под давлением в штуцер 15, от чего плунжер 12 возвращается в исходное положение. Затем гидроцилиндр 11 отодвигают от устья скважины 20. При этом труба 1 выдвигается из скважины 20, под действием пружины 10 металлическая втулка 6 отодвигается от кольцевого выступа 9 и гидроцилиндр 11 расцепляется с трубой 1. После этого гидроцилиндр 11 перемещают к следующей трубе, поданной в другую скважину. Отметим, что при необходимости создания трещины 21 с размерами, превышающими возможности ее формирования объемом неньютоновской жидкости 19 в трубе 1, в одну скважину 20 заполненные неньютоновской жидкостью 19 трубы 1 подают несколько раз.

Устройство предназначено для технической реализации способа образования вдоль скважины 20 направленной трещины 21, формируемой неньютоновской жидкостью 19, нагнетаемой в статическом режиме. В отличие от обычной жидкости (вода, масло) неньютоновская жидкость 19 (пластичное вещество) движется между сближенными поверхностями с большим сопротивлением, обусловленным необходимостью постоянного изменения своей формы. Эта особенность существенно снижает требования к уплотнительным элементам, герметизирующим участок скважины 20, на котором формируют трещину 21. Например, при использовании в качестве неньютоновской жидкости 19 воска, уплотнительные шайбы 5, 18 и кольцо 7 не нужны. Воск забивает все зазоры и обеспечивает на контакте с торцом плунжера 12 давление, достаточное для разрыва горной породы. В трещине 21 неньютоновская жидкость 19 проявляет свойство клина, заключающееся в том, что ее граница значительно отстает от границы трещины 21. Разрыв происходит в результате распора поверхностей трещины 21. Однако в отличие от механического клина неньютоновская жидкость 19 контактирует с большой площадью поверхности разрыва и, изменяя свою форму, постоянно адаптируется к размерам формируемой трещины 21. В результате создается сплошная симметричная оси скважины 20 трещина 21, которая продолжает развиваться и тогда, когда часть ее границы выходит на свободную поверхность. За счет большой площади контакта неньютоновской жидкости 19 с поверхностью разрыва в трещине 21 создается такое распорное усилие, которое не может быть достигнуто известными механизмами. Применение гидроцилиндра 11 с плунжером 12 для вытеснения неньютоновской жидкости 19 из трубы 1 позволяет изменением расхода жидкости, подаваемой через штуцер 16, варьировать в широком диапазоне режим силового воздействия на поверхности формируемой трещины 21. Это позволяет оптимизировать процесс разрыва, при котором с одной стороны поверхности формируемой трещины 21 оказываются удовлетворительно ровными (необходимо при добыче строительного камня), а с другой стороны время разрыва сокращается до минимально возможного значения. Механизм подачи гидроцилиндра 11 выбирают в зависимости от условий формирования трещины 21. Например, при добыче строительного камня с применением станка строчного бурения механизм подачи гидроцилиндра 11 устанавливают на единой с буровым станком платформе (для облегчения совмещения гидроцилиндра 11 и трубы 1). Крепление гидроцилиндра 11 к механизму его подачи может быть различным (поэтому оно не показано на фигурах).

После отодвигания гидроцилиндра 11 от устья скважины 20 пружина 10 перемещает металлическую втулку 6 по трубе 1 от кольцевого выступа 9 и тем самым позволяет раздвигаться лепесткам цанги 3, от чего цанга 3 автоматически расцепляется с гидроцилиндром 11. До отодвигания гидроцилиндра 11 от устья скважины 20 цанга 3 обжимается (фиг.2) металлической втулкой 6, что исключает возможность раздвижения ее лепестков (расцепления с гидроцилиндром 11).

Устройство предполагается использовать для формирования трещины 21 в горных породах любой прочности, включая граниты и их аналоги. Инициирование начала разрыва в прочных горных породах целесообразно осуществлять неньютоновской жидкостью 19 с пониженной вязкостью. В этом случае за счет более равномерного распределения давления в неньютоновской жидкости 19 увеличивается усилие воздействия на стенки скважины 20. Поэтому устройство предусматривает возможность работы с применением неньютоновских жидкостей 19, обладающих различной вязкостью. Для этого помимо показанных на фигурах уплотнительного кольца 7, уплотнительных шайб 6 и 18 при использовании неньютоновской жидкости 19 с пониженной вязкостью на внешнюю поверхность трубы 1 наносят слой герметика. Он исключает возможность проникновения в зазор между трубой 1 и стенками скважины 20 неньютоновской жидкости 19 и тем самым исключает развитие разрывов по естественным плоскостям ослабления, не совпадающим с плоскостью формируемой трещины 21.

Заполнение трубы 1 неньютоновской жидкостью 19 предполагается осуществлять на специально оборудованном для этих целей участке. Трубу 1 можно рассматривать не только как составную часть устройства, выполняющую соответствующие функции по формированию трещины 21, но и как гильзу, в которую многократно подают (заряжают) и вытесняют (разряжают) неньютоновскую жидкость 19. Благодаря этому существенно снижается трудоемкость по формированию трещины 21 на участке разрыва горной породы (исключаются операции по заполнению трубы 1 неньютоновской жидкостью 19), что повышает эффективность применения устройства.

Заполнение трубы 1 предполагается осуществлять веществами, которые при одних условиях проявляют свойство обычной жидкости, способной заполнять весь объем трубы 1 без воздушных включений, а при других условиях - свойство неньютоновской жидкости 19 (пластичного вещества). К таким веществам относятся неньютоновские жидкости 19, вязкость которых существенно зависит от температуры, например воск, пластилин, смесь глины и мазута. Подобные неньютоновские жидкости 19 разогревают до температуры, при которой они проявляют свойство обычной жидкости, и при этой температуре заливают в трубу 1, продольные прорези 4 которой предварительно заклеивают полосами из непрочного материала, например бумаги, резины. Отметим, что для исключения быстрого твердения неньютоновской жидкости 19 во время ее подачи в трубу 1 трубу 1 также разогревают примерно до температуры неньютоновской жидкости 19. При понижении температуры труба 1 оказывается плотно (без воздушных включений) заполненной неньютоновской жидкостью 19, которая уже не способна изменять свою форму (течь) без внешнего силового воздействия. Свойства неньютоновской жидкости 19 подбирают с учетом температуры на участке формирования трещины 21. Отметим, что свойства отмеченных неньютоновских жидкостей 19 можно изменять в широких пределах добавлением в них различных масел (отработанных смазочных материалов).

В устройстве предполагается использовать гидроцилиндры 11, которые выпускаются промышленностью и широко применяются в различных механизмах, например для подъема кузовов самосвалов. Поэтому оно может быть изготовлено силами практически любого горного предприятия.

1. Скважинное устройство для образования направленных трещин, включающее трубу, установленный на конце трубы герметизатор из эластичного материала и систему нагнетания жидкости в трубу, отличающееся тем, что на одном конце трубы установлена заглушка, другой ее конец выполнен в виде цанги, а вдоль трубы выполнены продольные прорези, при этом со стороны цанги на трубу последовательно надеты уплотнительная шайба из эластичного материала и металлическая втулка, а герметизатор выполнен в виде уплотнительного кольца, которое установлено в кольцевом углублении, выполненном на боковой поверхности заглушки, причем в качестве системы нагнетания жидкости в трубу использован гидроцилиндр, установленный с возможностью вхождения его плунжера в трубу со стороны цанги, при этом на конце гидроцилиндра со стороны выхода из него плунжера выполнено ступенчатое утончение, на внешней поверхности которого имеется кольцевое углубление для сцепления с цангой трубы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на внешних поверхностях металлической втулки и цанги выполнены кольцевые выступы, между которыми на металлическую втулку надета пружина.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на внешнюю поверхность трубы нанесен слой герметика.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что труба заполнена неньютоновской жидкостью.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что продольные прорези в трубе заклеены полосами из непрочного материала.