Устройство для гидроразрыва горных пород из скважины Российский патент 2023 года по МПК E21B33/124 E21B43/26 

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для герметизации участка скважины при проведении из нее поинтервального (пошагового) гидроразрыва массива горных пород посредством нагнетания жидкости под давлением.

Известно устройство для гидроразрыва пород в скважине (патент RU 2268359, Е21В 43/26, опубл. 20.01.2006 в бюл. № 02), состоящее из корпуса с каналом, установленных на нем упругих уплотнительных элементов, между которыми размещена поршневая пара с уплотнительными кольцами, и стопорящей гайки, при этом рабочая камера поршневой пары сообщена с каналом, а в ее цилиндре выполнено радиальное отверстие с возможностью сообщения с рабочей камерой поршневой пары при пакеровании скважины упругими уплотнительными элементами и дополнительного сжатия упругих уплотнительных элементов при давлении гидроразрыва с самозапиранием изолированного участка скважины.

Общими признаками с заявляемым решением являются следующие: корпус с каналом, установленные на нем упругие уплотнительные элементы, между которыми размещена поршневая пара с уплотнительными кольцами, и стопорящая гайка. При этом рабочая камера поршневой пары сообщена с каналом корпуса.

Недостатком этого устройства является то, что при подаче рабочей жидкости в поршневую пару упругие уплотнительные элементы могут увеличиться в диаметре от осевого сжатия не более, чем на 5%. Это ограничивает его применение в скважинах при бурении в мягких, малопрочных породах, например, в угольном массиве, которые характеризуются невыдержанным диаметром по длине. Кроме того, радиальное отверстие в цилиндре поршневой пары открывается только после определенного фиксированного хода поршня и, при меньшем диаметре скважины от номинального проектного значения, оно может не открыться, а при большем - не обеспечивает требуемого усилия прижатия упругих уплотнительных элементов к стенкам скважины. Эти недостатки значительно ограничивают область применения устройства и, как следствие – снижают эффективность его применения.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для гидроразрыва горных пород (патент RU 2553659, Е21В 43/26, E21B 33/124, опубл. 20.06.2015 в бюл. № 17), состоящее из корпуса с каналом, установленных на нем упругих уплотнительных элементов, между которыми размещена поршневая пара с уплотнительными кольцами, и стопорящей гайки, при этом рабочая камера поршневой пары сообщена с каналом корпуса, а в ее цилиндре выполнено радиальное отверстие с возможностью сообщения с рабочей камерой поршневой пары при пакеровании скважины упругими уплотнительными элементами и дополнительного сжатия упругих уплотнительных элементов при давлении гидроразрыва с самозапиранием изолированного участка скважины, упругие уплотнительные элементы выполнены из мягкого материала и армированы жесткими элементами с различными упругими свойствами с возможностью равномерного радиального расширения этих уплотнительных элементов по всей их длине.

Общими признаками с заявляемым решением являются следующие: корпус с каналом, установленные на нем упругие уплотнительные элементы, между которыми размещена поршневая пара с уплотнительными кольцами, и стопорящая гайка. При этом рабочая камера поршневой пары сообщена с каналом корпуса.

Недостатком прототипа является относительно небольшое увеличение диаметра упругих уплотнительных элементов (5…6% от исходного диаметра), что требует строгой выдержанности диаметра скважины по всей длине. Ход поршня в поршневой паре строго регламентирован расположением радиального отверстия в ее цилиндре, и в случае зауженности диаметра скважины, по технологической или другой причине, поршень не пройдет это отверстие, следовательно, рабочая жидкость не поступит в загерметизированный участок скважины для создания гидроразрыва.

Эти недостатки снижают эффективность применения устройства.

Проблемой решения является повышение эффективности работы устройства за счет повышения степени герметизации скважины и исключения возможности снижения давления в поршневой паре при переходе устройства от герметизации скважины к гидроразрыву.

Поставленная проблема достигается тем, что в устройстве для гидроразрыва горных пород из скважины, состоящем из корпуса с каналом, установленных на нем упругих уплотнительных элементов, между которыми размещена поршневая пара с уплотнительными кольцами, и стопорящей гайки, при этом рабочая камера поршневой пары сообщена с каналом корпуса, согласно техническому решению упругие уплотнительные элементы выполнены комбинированными, со вставками из более мягкого материала, а в канале корпуса установлен обратный клапан, за которым, в корпусе, выполнено радиальное отверстие, сообщающееся с радиальным отверстием в поршне через его проточку.

Наличие вставок в упругих уплотнительных элементах позволяет увеличивать их диаметр при осевом сжатии более, чем на 35%, а обратный клапан позволяет при этом соединять межпакерную полость с каналом в корпусе независимо от хода поршня и исключает возможность снижения давления в поршневой паре при переходе устройства от герметизации скважины к гидроразрыву. Предложенная совокупность признаков позволит производить гидроразрывы в скважинах с отклонениями по диаметру и, как следствие, повысит эффективность устройства.

Сущность технического решения поясняется примером конструктивного исполнения устройства для гидроразрыва горных пород из скважины и чертежами фиг. 1, 2. На фиг. 1 показано исходное положение устройства, на фиг. 2 – положение устройства после раздвижки поршневой пары.

Устройство для гидроразрыва горных пород из скважины состоит из корпуса 1 с каналом 2, в котором установлен обратный клапан, состоящий из шарика 3 и пружины 4. Перед обратным клапаном, в корпусе 1, выполнено радиальное отверстие 5, соединяющее канал 2 с рабочей камерой 6 поршневой пары, образованной цилиндром 7 и поршнем 8, а за обратным клапаном – радиальное отверстие 9, соединяющее канал 2 с межпакерным пространством через проточку 10 и радиальное отверстие 11 в поршне 8 (как показано на фиг. 1). Поршневая пара установлена на корпусе 1 между упругими уплотнительными элементами 12, которые выполнены комбинированными, со вставками 13 из более мягкого материала. С одной стороны корпуса 1 установлена стопорящая гайка 14, а с противоположной выполнено гнездо 15 для подвода рабочей жидкости от источника нагнетания. На поршне 8 и цилиндре 7 установлены кольцевые уплотнения 16. Стопорящая гайка 14 фиксирует в исходном положении упругие уплотнительные элементы 12 со вставками 13 и поршневую пару.

Устройство работает в следующей последовательности. В исходном положении (фиг. 1) устройство размещают в скважине. Затем рабочую жидкость под давлением подают в гнездо 15, далее через канал 2 и радиальное отверстие 5 она попадает в рабочую камеру 6 поршневой пары, вызывая разнонаправленное движение цилиндра 7 и поршня 8 по корпусу 1, постепенно сжимая упругие уплотнительные элементы 12 со вставками 13. Вставки 13, выполненные из более мягкого материала, чем упругие уплотнительные элементы 12, сжимаются интенсивнее, что приводит к значительному увеличению их диаметра, как показано на фиг. 2, и к повышению эффективности герметизации скважин с невыдержанными по длине диаметрами. В процессе герметизации участка скважины осевое усилие воздействия поршневой пары регулируется настройкой пружины 4 обратного клапана и, после его открытия, рабочая жидкость через радиальное отверстие 9, проточку 10, и радиальное отверстие 11 поступает в межпакерное пространство. В последующем давление повышают до величины, при которой происходит гидроразрыв стенки скважины. После завершения гидроразрыва давление сбрасывают, под действием упругих сил упругих уплотнительных элементов 12 со вставками 13 поршневая пара возвращается в исходное положение (фиг. 1), устройство демонтируют или перемещают по скважине на следующий участок гидроразрыва.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для герметизации участка скважины при проведении из нее поинтервального гидроразрыва массива горных пород посредством нагнетания жидкости под давлением. Устройство для гидроразрыва горных пород из скважины состоит из корпуса с каналом и стопорящей гайки. На корпусе установлены упругие уплотнительные элементы. Между уплотнительными элементами размещена поршневая пара с уплотнительными кольцами. Рабочая камера поршневой пары сообщена с каналом корпуса. Упругие уплотнительные элементы выполнены комбинированными со вставками из более мягкого материала. В канале корпуса установлен обратный клапан. За обратным клапаном в корпусе выполнено радиальное отверстие, сообщающееся с радиальным отверстием в поршне через его проточку. Обеспечивается повышение эффективности работы устройства за счет повышения степени герметизации скважины и исключения возможности снижения давления в поршневой паре при переходе устройства от герметизации скважины к гидроразрыву. 2 ил.

Устройство для гидроразрыва горных пород из скважины, состоящее из корпуса с каналом, установленных на нем упругих уплотнительных элементов, между которыми размещена поршневая пара с уплотнительными кольцами, и стопорящей гайки, при этом рабочая камера поршневой пары сообщена с каналом корпуса, отличающееся тем, что упругие уплотнительные элементы выполнены комбинированными со вставками из более мягкого материала, а в канале корпуса установлен обратный клапан, за которым в корпусе выполнено радиальное отверстие, сообщающееся с радиальным отверстием в поршне через его проточку.