СКВАЖИННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ ТРЕЩИН Российский патент 2004 года по МПК E21B43/26 E21C37/04 

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. СССР №1714123, кл. Е 21 С 37/04, опубл. в БИ №7, 1992, 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 из эластичного материала и распорное кольцо. 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 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.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является скважинное устройство для образования направленных трещин по патенту РФ №2184214, кл. Е 21 В 37/06, опубл. в БИ №18, 2002, включающее трубу с конической резьбой, последовательно установленные на конце трубы герметизатор из эластичного материала и заостренное по внешней окружности распорное кольцо с прорезью и торцевыми отверстиями, в которые вставлены стержни, систему нагнетания жидкости в трубу и узел вращения трубы относительно герметизатора. При этом распорное кольцо образует с трубой винтовую пару.

Это устройство из-за сравнительно сложной конструкции имеет относительно низкую надежность.

Задача, решаемая предлагаемым техническим решением, заключается в повышении надежности работы устройства за счет упрощения его конструкции.

Задача решается тем, что в скважинном устройстве для образования направленных трещин, включающем трубу, установленный на конце трубы распорный элемент, систему нагнетания жидкости в трубу, узел вращения трубы относительно распорного элемента, согласно предлагаемому техническому решению, распорный элемент выполнен в виде витой пружины с контактирующими между собой витками, один конец которой соединен с трубой неподвижно.

Использование витой пружины с контактирующими между собой витками, один конец которой соединен с трубой неподвижно, устраняет необходимость наличия герметизатора из эластичного материала, конической резьбы и стержней, установленных в торцевых отверстиях распорного элемента (как в прототипе). Обусловлено это тем, что витая пружина способна перекрывать зазор между корпусом устройства и стенками скважины, а также концентрировать напряжения на контакте с горной породой. Это позволяет обходиться без механизма концентрации напряжения по линии предполагаемого разрыва горной породы и не требует дополнительных элементов для герметизации скважины.

Таким образом, совокупность отмеченных признаков в сравнении с выбранным прототипом позволяет упростить конструкцию устройства путем уменьшения числа деталей и узлов и тем самым повысить надежность его работы.

Целесообразно нижнюю часть внешней поверхности витой пружины выполнить конической с расширением в направлении системы нагнетания жидкости в трубу. Это обеспечивает вхождение части пружины в скважину до вращения трубы, что облегчает подачу устройства в зону образования трещины.

Целесообразно, чтобы витки витой пружины имели форму плоских круглых разрезных пружинных шайб, которые заострены по внешней окружности. Это увеличивает сопротивление движению жидкости между витками витой пружины и тем самым улучшает герметизацию скважины, а также позволяет концентрировать напряжения на контакте витой пружины с горной породой.

Целесообразно на поверхности витой пружины наносить герметизирующее вещество. Это улучшает герметизацию зоны разрыва.

Целесообразно винт в системе нагнетания жидкости в трубу выполнить таким образом, чтобы направление его вкручивания в корпус совпадало с направлением раскручивания витой пружины. Это позволяет совместить операции нагнетания жидкости, герметизации скважины и концентрации напряжении по линии предполагаемого разрыва горной породы.

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, 2) состоит из трубы (корпуса) 1 с резьбой 2 на одном конце, кольцевым углублением 3 и радиальным отверстием 4 на другом конце. На резьбу 2 навинчен стакан 5. В стакане 5 выполнены радиальные отверстия 6, в которые вставлены рукоятки 7, и центральное отверстие с резьбой 8, в которое вкручен винт 9 с рукояткой 10. Навинченный на резьбу 2 стакан 5 с радиальными отверстиями 6 и вставленные в отверстия 6 рукоятки 7 образуют узел вращения трубы 1 относительно распорного элемента. При этом система нагнетания жидкости в трубу 1 включает стакан 5, вкрученный в его центральное отверстие с резьбой 8 винт 9 с рукояткой 10 и часть самой трубы 1. В кольцевом углублении 3 трубы 1 установлен распорный элемент, представляющий собой витую пружину 11 (далее - пружина 11), нижний конец которой загнут, вставлен в отверстие 4 трубы 1 и, таким образом, соединен с ней неподвижно. Нижняя часть внешней поверхности пружины 11 выполнена конической с расширением в направлении системы нагнетания жидкости в трубу 1. Витки пружины 11 имеют форму плоских круглых разрезных пружинных шайб (шайб Гровера), которые заострены по внешней окружности. На поверхности пружины 11 нанесено герметизирующее вещество 12. Устройство заполнено жидкостью 13 и подано в скважину 14, пробуренную в породном массиве 15, в котором сформирована трещина 16 (фиг.2). Для облегчения прохождения жидкости 13 из трубы 1 в зону разрыва в ряде случаев на конце трубы 1 выполняют радиальные прорези 17.

Направление вкручивания винта 9 в трубу 1 совпадает с направлением раскручивания пружины 11. По этой причине в момент нагнетания жидкости 13 отпадает необходимость прикладывать усилия к рукояткам 7 в направлении, при котором пружина 11 раскручивается и придавливается внешней поверхностью к горной породе, герметизируя тем самым скважину 14. В противном случае во время вращения рукоятки 10 нужно было бы удерживать трубу 1 от вращения, обусловленного трением между винтом 9 и трубой 1 с жидкостью 13.

Параметры пружины 11 задаются из условия возможности вхождения в скважину 14, создания требуемой концентрации напряжения по линии предполагаемого разрыва горной породы, полного перекрытия зазора между трубой 1 и стенками скважины 14, удержания устройства от выталкивания из скважины 14 давлением нагнетаемой жидкости 13.

Кольцевое углубление 3 выполняют такой ширины, чтобы можно было уместить в нем пружину 11 при минимальном диаметре всех ее витков.

Условия применения устройства предусматривают использование в качестве жидкости неньютоновской жидкости (пластичного вещества), обладающей большим сопротивлением движению по трещине 16. Связано это с тем, что создаваемая трещина 16 на определенной стадии отделения горной массы от массива 15 выходит на свободную поверхность. Если использовать обычную жидкость (воду), то она через выходящую на поверхность трещину 16 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 16 при подаче в нее жидкости 13 раздвигались бы. Эти условия обеспечиваются применением пластичного вещества (неньютоновской жидкости), в частности, пластилина. Пластичные вещества 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. По этой же причине при использовании пружины 11, витки которой имеют форму плоских круглых разрезных пружинных шайб, и, следовательно, контактируют между собой на сравнительно большой площади, отпадает необходимость применения специального герметизатора. Давление жидкости 13, стремясь выдавить устройство из скважины 14, сдавливает пружину 11, от чего жидкость 13 не просачиваться между витков пружины 11.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Устройство заполняют жидкостью 13 (неньютоновской жидкостью) и подают в скважину 14 до упора конической поверхности пружины 11 в ее устье (фиг.1). Используя рукоятки 7, вращают трубу 1 в направлении закручивания пружины 11 и одновременно прикладывают усилия в сторону забоя скважины 14. При этом диаметры витков пружины 11 за счет их трения о горную породу уменьшаются, от чего вся пружина 11 входит в скважину 14, а устройство перемещается в сторону забоя. Устройство перемещают до упора в забой скважины 14 (фиг.2). После этого вращают винт 9 рукояткой 10 в направлении раскручивания пружины 11. При этом часть витков пружины 11, которые в исходном состоянии имеют диаметры, большие диаметра скважины 14, сильнее придавливаются к стенкам скважины 14 и стремятся внедриться в горную породу, а жидкость 13 выдавливается из трубы 1 и заполняет зону разрыва. В результате зазор между трубой 1 и стенками скважины 14 оказывается перекрытым, в зоне разрыва поднимается давление жидкости 13, а по линии контакта витков пружины 11 с горной породой концентрируется и увеличивается напряжение до образования трещины 16. Рукоятку 10 вращают до тех пор, пока трещина 16 не достигнет требуемых размеров. Затем с помощью рукояток 7 вращают трубу 1 в направлении закручивания пружины 11 и одновременно прикладывают усилия в сторону устья скважины 14. При этом сцепление витков пружины 11с горной породой уменьшается, от чего устройство извлекается из скважины 14.

Работа устройства основана на зависимости усилия, с которым внешняя поверхность пружины 11 прижимается к стенкам скважины 14, от направления вращения ее концов относительно друг друга. При закручивании пружины 11 ее диаметр уменьшается, от чего сила сцепления со стенками скважины 14 снижается вплоть до нулевого значения. При раскручивании пружины 11 она расширяется и с большим усилием придавливается к горной породе. Если часть пружины 11 имеет плотный контакт с горной породой, то аналогичный результат достигается вращением лишь одного из ее концов. В этом случае второй конец пружины 11 удерживается от вращения силами трения (сцепления) ее внешней поверхности о стенки скважины 14. В предлагаемом устройстве плотный контакт части пружины 11 с горной породой достигается тем, что в исходном состоянии (до подачи в скважину 14) часть витков пружины 11 имеют диаметр, больший диаметра скважины 14. Эта часть витков, войдя в скважину 14, обеспечивает начальное трение. Затем это трение можно уменьшать вращением соединенного с трубой 1 неподвижного конца пружины 11 в направлении закручивания последней или увеличивать, вращая конец пружины 11 в направлении ее раскручивания. Чтобы устройство с пружиной 11, имеющей витки с диаметром, большим диаметра скважины 14, сравнительно легко можно было подавать в зону разрыва, нижнюю часть внешней поверхности пружины 11 выполняют конической, способной частично входить в скважину 14. В этом случае, когда боковая поверхность пружины 11 начинает упираться в устье скважины 14, часть витков пружины 11 оказывается в скважине 14.

Стремление пружины 11 к увеличению диаметров своих витков при раскручивании использовано в предлагаемом устройстве и для концентрации напряжения в плоскости предполагаемого разрыва горной породы. По заостренной внешней стороне витки пружины 11, контактируя со стенками скважины 14 в узкой полосе, пытаются внедриться в горную породу (в горные породы слабой и средней прочности фактически внедряются). Поэтому в зоне разрыва при повышении давления жидкости 13 наибольшие напряжения возникают по линии совместного воздействия на стенки скважины 14 жидкости 13 и нижнего контактирующего с горной породой витка пружины 14. В плоскости расположения этой линии происходит разрыв горной породы с образованием трещины 16.

В предлагаемом устройстве нагнетание жидкости 13 в зону разрыва осуществляется вытеснением ее из трубы 1 винтом 9. Усилие, прикладываемое к винту 9, передается через трубу 1 нижнему концу пружины 11. Направление вкручивания винта 9 в трубу 1 совпадает с направлением раскручивания пружины 11. Поэтому, вкручивая винт 9 в трубу 1, одновременно происходит нагнетание жидкости 13 в зону разрыва и воздействие на пружину 11 в направлении ее раскручивания (увеличения диаметров витков). Таким образом, достигается совмещение операций нагнетания жидкости 13, концентрации напряжений по заданной линии, герметизации скважины и удержание устройства от выталкивания (за счет сцепления пружины 11 с горной породой) из скважины 14 давлением жидкости 13.

Для снижения требований к изготовлению пружины 11, а также расширения области применения устройства за счет возможности использования менее вязких жидкостей 13 поверхности пружины 11 до подачи устройства в скважину 14 желательно покрывать герметизирующим веществом. Герметизирующие вещества (герметики) следует рассматривать как расходный материал, затраты на который в сравнении с общей стоимостью работ несущественны.

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.

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. Обеспечивает повышение надежности работы устройства за счет упрощения его конструкции. Сущность изобретения: устройство включает трубу, узел вращения трубы относительно распорного элемента, систему нагнетания жидкости в трубу, установленный на конце трубы распорный элемент, выполненный в виде витой пружины с контактирующими между собой витками. Один конец пружины соединен с трубой неподвижно. При этом часть витков пружины имеет диаметр, больший диаметра скважины. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Скважинное устройство для образования направленных трещин, включающее трубу, установленный на конце трубы распорный элемент, систему нагнетания жидкости в трубу, узел вращения трубы относительно распорного элемента, отличающееся тем, что распорный элемент выполнен в виде витой пружины с контактирующими между собой витками, один конец которой соединен с трубой неподвижно, при этом часть витков пружины имеет диаметр, больший диаметра скважины.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нижняя часть внешней поверхности витой пружины выполнена конической с расширением в направлении системы нагнетания жидкости в трубу.3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что витки витой пружины имеют форму плоских круглых разрезных пружинных шайб, которые заострены по внешней окружности.4. Устройство по одному из пп. 1-3, отличающееся тем, что на поверхности пружины нанесено герметизирующее вещество.5. Устройство по одному из пп. 1-4, отличающееся тем, что оно имеет винт в системе нагнетания жидкости в трубу, выполненный таким образом, что направление его вкручивания в корпус совпадает с направлением раскручивания витой пружины.