устройство для образования направленных трещин в скважинах

Формула изобретения

1. Устройство для образования направленных трещин в скважинах, включающее цилиндрический корпус и рабочие органы в виде клиньев на его наружной поверхности, отличающееся тем, что в цилиндрическом корпусе выполнено осевое отверстие, в которое вставлен плунжер, имеющий на свободном конце ступенчатое утолщение и кольцевой выступ, при этом на конце цилиндрического корпуса имеется клин, а на плунжер между кольцевым выступом и цилиндрическим корпусом надета пружина.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пружина надета на ступенчатое утончение, которое выполнено на свободном от клина конце цилиндрического корпуса.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что на конце плунжера со стороны, свободной от ступенчатого утолщения, имеется клин.

Описание изобретения к патенту

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для образования трещин в скважинах с целью добычи ценного кристаллического сырья и природного камня, строительства дорог и туннелей в гористой местности, разборки завалов и сооружений, дробления негабаритов.

Известно устройство для образования направленных трещин в скважинах по патенту РФ № 2081314, кл. Е 21 С 37/06, 37/02, опубл. в БИ № 16, 1997, включающее полый цилиндрический корпус с кольцевым коническим выступом, центральным каналом подвода и радиальными отверстиями для выхода рабочей жидкости, кольцевой герметизатор, установленный на корпусе, и рабочие органы в виде клиньев на наружной поверхности. На его конце, противоположном каналу подвода рабочей жидкости, установлена камера с эллиптическим поперечным сечением, к которой подсоединена трубка, при этом клинья закреплены на наружной поверхности камеры в плоскости большой оси ее поперечного сечения, а трубка пропущена через полость корпуса вдоль его оси.

Это устройство имеет относительно сложную конструкцию. На прокачку через него рабочей жидкости высокой вязкости типа пластилина требуется дополнительное сравнительно высокое давление. Устройство способно работать только при статическом режиме нагнетания рабочей жидкости, для чего необходима полная герметизация скважины и, следовательно, наличие специального герметизатора. Все это обуславливает относительно низкую эффективность работы устройства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для образования направленных трещин в скважинах по патенту РФ № 2168018, кл. E 21 С 37/06, опубл. в БИ № 15, 2001, включающее цилиндрический корпус с кольцевым выступом и рабочие органы в виде клиньев на наружной поверхности. В корпусе выполнена, по крайней мере, одна продольная прорезь, в которой установлено кольцо из упругого материала с внешним диаметром, большим чем у скважины.

Устройство способно образовывать трещины в горной породе только при использовании механизма с относительно большой энергией ударов. Это обусловливает низкую эффективность его работы, так как необходимо применять тяжелое и дорогостоящее дополнительное оборудование.

Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности работы устройства за счет снижения необходимой для образования трещин энергии ударов.

Задача решается тем, что в устройстве для образования направленных трещин в скважинах, включающем цилиндрический корпус и рабочие органы в виде клиньев на его наружной поверхности, согласно предлагаемому техническому решению в цилиндрическом корпусе выполнено осевое отверстие, в которое вставлен плунжер, имеющий на свободном конце ступенчатое утолщение и кольцевой выступ, при этом на конце цилиндрического корпуса имеется клин, а на плунжер между кольцевым выступом и цилиндрическим корпусом надета пружина.

Площадь поперечного сечения у плунжера меньше, чем у цилиндрического корпуса, за счет чего для создания одинакового давления в рабочей жидкости требуется меньшая ударная нагрузка. В исходное состояние плунжер возвращается пружиной, действующей на его кольцевой выступ. Ступенчатое утолщение плунжера ограничивает его ход и тем самым предотвращает запредельное воздействие на пружину со стороны ударной нагрузки. Выполнение цилиндрического корпуса в виде клина обеспечивает направленность передачи нагрузки на стенки скважины. Это позволяет наиболее полно использовать особенность горной породы разрушаться растягивающими усилиями с наименьшей энергией. В результате снижаются требования к энергии наносимых ударов и, следовательно, уменьшается вес и стоимость ударных механизмов, что повышает эффективность работы устройства.

Целесообразно пружину надеть на ступенчатое утончение, которое выполнить на свободном от клина конце цилиндрического корпуса. Это центрирует пружину и повышает тем самым надежность ее работы.

Целесообразно, чтобы на конце плунжера со стороны, свободной от ступенчатого утолщения, имелся клин. Это снижает сопротивление внедрению плунжера в рабочую жидкость.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами.

На фиг.1 показано устройство для образования направленных трещин в скважинах, продольный разрез; на фиг.2 - то же, вид сбоку; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2 в скважине во время формирования трещины.

Устройство (фиг.1-3) состоит из цилиндрического корпуса 1 (далее корпуса 1), у которого с одной стороны имеется клин 2, а с другой стороны выполнено ступенчатое утончение (поз. не обозначено). В корпусе 1 выполнено осевое отверстие 3 и со стороны клина 2 продольная прорезь 4. В отверстие 3 вставлен плунжер 5 со ступенчатым утолщением 6 и кольцевым выступом 7. В плунжере 5 выполнено поперечное отверстие 8, в которое вставлен стержень 9. На ступенчатое утолщение 5 плунжера 5 и ступенчатое утончение корпуса 1 надета пружина 10. На наружной поверхности корпуса 1 в плоскости, проходящей через ось устройства и вершину клина 2, установлены рабочие органы 11 в виде клиньев (далее рабочие органы 11). Устройство подают в скважину 12 (фиг.3), в которой формируют трещину 13.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Устройство со стороны клина 2 подают в скважину 12 (фиг.3), которую предварительно заполняют высоковязкой рабочей жидкостью (не показано). Со стороны, противоположной клину 2, воздействуют ударной нагрузкой. Под действием ударных импульсов устройство погружается в высоковязкую рабочую жидкость (далее рабочую жидкость) и начинает вытеснять ее из скважины 12. В результате в рабочей жидкости повышается давление до значения, при котором происходит разрыв горной породы с образованием трещины 13 в плоскости расположения рабочих органов 11 и вершины клина 2. При дальнейшем перемещении устройства в сторону забоя скважины 12 рабочая жидкость выдавливается в трещину 13 и развивает ее. Заполнение скважины 12 рабочей жидкостью и подачу в нее устройства осуществляют многократно до тех пор, пока трещина 13 не достигнет требуемых размеров.

Начальная трещина 13 возникает при максимальном давлении рабочей жидкости, численно равном прочности горной породы на растяжение. С ростом трещины давление, необходимое для поддержания процесса ее развития, уменьшается. Давление в скважине 12 создается путем перемещения корпуса 1 (его можно рассматривать как поршень) к забою. При отсутствии плунжера 5 давление возле клина 2 определяется как отношение усилия со стороны ударной нагрузки (с учетом силы, затрачиваемой на образование насечек рабочими органами 11) к площади поперечного сечения корпуса 1. Поэтому с уменьшением диаметра скважины (корпуса 1) трещина 13 (необходимое давление на стенки скважины 12) возникает при меньших усилиях со стороны ударной нагрузки. Однако в этом случае из скважины 12 в трещину 13 вытесняется меньший объем рабочей жидкости и, следовательно, трещина 13 оказывается меньших размеров. Кроме этого, бурение скважин 12 малого диаметра (менее 42 мм) в прочных горных породах (гранитах) представляет известные трудности.

Чтобы снизить требования к усилию со стороны ударной нагрузки в момент возникновения трещины 13, в предлагаемом устройстве установлен плунжер 5, диаметр которого не зависит от размеров скважины 12 и может варьироваться в больших пределах. Давление возле клина 2 возрастает (при прочих равных условиях) с уменьшением площади поперечного сечения плунжера 5. Зависимость давления рабочей жидкости от диаметра плунжера 5 является сложной (определяется упругостью пружины 10, свойствами рабочей жидкости, углом заострения клина 2, энергией и временем действия ударной нагрузки). Поэтому параметры плунжера 5 подбирают для конкретной горной породы, диаметра скважины 12 и ударного механизма экспериментальным путем. При этом нужно учитывать следующее. В начальный момент перемещения устройства по скважине 12 под действием ударной нагрузки, усилия от которой передаются через пружину 10 и ступенчатое утолщение 6 корпусу 1, клин 2 внедряется в рабочую жидкость, а рабочие органы 11 на стенках скважины 12 образуют насечки треугольной формы. Рабочая жидкость уплотняется, заполняет все имеющиеся пустоты и, повышая давление на горную породу, увеличивает сопротивление внедряющемуся в нее клину 2 до прекращения перемещения устройства по скважине 12. В этот момент плунжер 5 начинает выполнять свою основную функцию. Он внедряется в практически несжимаемую рабочую жидкость, из-за чего давление возле клина 2 резко возрастает, концентрация напряжений в насечках достигает предела прочности горной породы на растяжение, и в плоскости расположения рабочих органов 11 возникает трещина 13. Затем рабочая жидкость из скважины 12 вытекает в трещину 13, от чего клин 2, испытывая меньшее сопротивление перемещению по скважине 12, движется в направлении забоя. Отметим, что положительный эффект от плунжера 5 проявляется на протяжении всего времени работы устройства. Он раздвигает рабочую жидкость впереди клина 2 и тем самым уменьшает ее сопротивление движению корпуса 1 по скважине 12.

Благодаря клину 2 давление, обусловленное внедрением плунжера 5 в рабочую жидкость, передается в основном стенкам скважины 12 и растягивает горную породу в заданной плоскости. При этом усилия в направлении выталкивания устройства из скважины 12 из-за кратковременности действия ударной нагрузки и острого угла клина 2 оказываются несущественными.

Пружина 10 предназначена для возврата плунжера 5 в исходное состояние после действия ударной нагрузки. Упругость пружины 10 выбирают, исходя из возможности ее сжатия ударным механизмом (с учетом усилия на плунжер 5, требуемого для создания нужного давления рабочей жидкости) до контакта ступенчатого утолщения 6 с корпусом 1. Ступенчатое утолщение 6 ограничивает ход плунжера 5 и тем самым предотвращает запредельное воздействие на пружину 10 со стороны ударной нагрузки. Кроме этого, ступенчатое утолщение 6 на плунжере 5 совместно со ступенчатым утончением на корпусе 1 центрирует пружину 10 и тем самым повышает надежность работы устройства.

В результате снижения энергии ударов на образование трещин отпала необходимость использования устройства в качестве навесного орудия к самоходным машинам. Оно в комплекте с кольцевым пневмоударником представляет собой ручной инструмент, способный разрывать горную породу любой прочности в труднодоступных (для самоходных машин) местах.

Устройство предназначено для разрыва горной породы специальной рабочей жидкостью, обладающей большим сопротивлением движению по трещине 13. Связано это с тем, что создаваемая трещина 13 выходит на свободную поверхность. В высокоподвижной жидкости (воде) при наличии выходящей на свободную поверхность трещины 13 создать требуемое для разрыва горной породы давление практически невозможно. Нужно обеспечить такие условия, чтобы возникал эффект внедряющегося клина, когда, несмотря на наличие впереди свободного пространства, поверхности трещины 13 при подаче в нее рабочей жидкости раздвигались бы. Вместе с этим желательно, чтобы рабочая жидкость проникала в трещину 13 на возможно большую глубину, ибо тогда увеличивается площадь ее контакта с горной породой, следовательно, и разрывающие усилия. Рабочие жидкости, которые обладают перечисленными свойствами, были найдены в ходе специальных исследований. Ими оказались пластичные массы типа пластилина. Из них наиболее дешевыми и удобными в эксплуатации являются смеси глины с отработанными смазочными материалами (машинным маслом). Соотношение входящих в смеси компонентов, обеспечивающее наиболее эффективную работу устройства, определяется условиями образования трещин.