устройство для образования направленных трещин в скважинах

Формула изобретения

1. Устройство для образования направленных трещин в скважинах, включающее цилиндрический корпус и клинья, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде трубы из упругого материала, имеющей на внешней поверхности продольные клинья.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что продольные клинья установлены по трем линиям пересечения корпуса с плоскостями, проходящими через ось устройства и ориентированными под углом 120^o друг к другу.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что поперечное сечение корпуса имеет некруглую форму.

Описание изобретения к патенту

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 патенту РФ 2081314, кл. Е 21 С 37/06, 37/02, опубл. в БИ 16, 97 г., 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 высоковязкого флюида типа пластилина требуется дополнительное сравнительно высокое давление. Устройство способно работать только при статическом режиме нагнетания флюида, что обуславливает необходимость полной герметизации скважины и, следовательно, наличия специального герметизатора. Все это обуславливает относительно низкую надежность и эффективность работы устройства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для образования направленных трещин в скважинах по патенту РФ 2168018 Cl, E 21 C 37/06, 2001 г., включающее цилиндрический корпус с кольцевым выступом и по крайней мере одной продольной прорезью, в которой установлено заостренное по внешней окружности кольцо из упругого материала с внешним диаметром большим, чем диаметр скважины.

Это устройство предназначено для формирования трещины только в одной плоскости, что ограничивает эффективность его работы.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении эффективности работы устройства за счет образования трещин одновременно в нескольких плоскостях.

Задача решается тем, что в устройстве для образования направленных трещин в скважинах, включающем цилиндрический корпус с кольцевым выступом, согласно предлагаемому техническому решению корпус выполнен в виде трубы из упругого материала, имеющей на внешней поверхности продольные клинья.

Выполнение корпуса в виде трубы из упругого материала, имеющей на внешней поверхности продольные клинья, в сравнении с выбранным прототипом повышает эффективность работы устройства за счет возможности одновременно образовывать трещины по трем и более направлениям.

Целесообразно продольные клинья устанавливать по трем линиям пересечения корпуса с плоскостями, проходящими через ось устройства и ориентированными под углом 120 градусов друг к другу. Это позволяет образовывать систему из трех одинаковых симметричных скважине (шпуру) трещин, наиболее просто управлять процессом разрыва горной породы, применять эффективную технологию отделения блоков камня от массива.

Целесообразно, чтобы поперечное сечение корпуса имело некруглую форму. У поперечного сечения корпуса некруглой формы линию контура можно делать более длинной (в сравнении с круглой формой для заданного диаметра шпура) и тем самым обеспечивать требуемое давление клиньев на горную породу в широком диапазоне изменения диаметра шпура (скважины). Это снижает требование к качеству бурения.

В исходном состоянии (до подачи устройства в скважину) внешний диаметр устройства в области клиньев больше диаметра скважины. Устройство в скважину вводят с усилием, при котором клинья смещаются в направлении его оси и сжимают корпус (трубу). Так как корпус выполнен из упругого материала, то он стремится выпрямиться, придавливая клинья к стенкам скважины. В результате по линии контакта клиньев с горной породой концентрируются напряжения, из-за чего, когда в скважине возникает давление, превышающее прочность горной породы, образуются трещины в плоскостях расположения клиньев.

Давление на горную породу достигается внедрением корпуса устройства в высоковязкий флюид (неньютоновскую жидкость), которым предварительно заполняют скважину. Чтобы создать давление, достаточное для разрыва горной породы без проведения специальных операций по герметизации скважины, устройство во флюид внедряют в импульсном режиме. При этом на корпус надевают втулку из эластичного материала и используют ее в качестве уплотнительного элемента. Для подачи устройства в скважину в импульсном режиме на торце его корпуса устанавливают ударный механизм.

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 - разрез А-А на фиг.1 в период формирования трещины; на фиг.3 - устройство с тремя рядами клиньев, расположенных под углом 120^o друг относительно друга, поперечный разрез; на фиг.4 - устройство с корпусом, имеющим некруглую форму поперечного сечения, поперечный разрез.

Устройство (фиг. 1-4) состоит из корпуса 1 в виде трубы из упругого материала, с одной стороны которого выполнены радиальные отверстия 2. В радиальных отверстиях 2 установлены продольные клинья 3, выступающие за пределы корпуса 1. На корпус 1 со стороны, противоположной радиальным отверстиям 2, надета уплотнительная втулка 4 из эластичного материала. Корпус 1 со стороны уплотнительной втулки 4 посажен на штангу 5 до упора в выполненный на ней кольцевой выступ 6. Устройство подано в скважину (шпур) 7, пробуренную в породном массиве 8 и заполненную неньютоновской жидкостью 9 (специальным флюидом). В стенках скважины 7 образована трещина 10 (фиг.2).

Количество линий на корпусе 1, по которым устанавливают продольные клинья 3, определяется технологией разрушения горной породы. На фиг.1 и 2 продольные клинья 3 установлены по двум линиям, лежащим в одной плоскости. В этом случае можно образовывать трещины 10 только в одной плоскости (плоскости расположения клиньев 3). Установка продольных клиньев 3 для образования трещин по трем направлениям показана на фиг.3 и 4. Возможны и другие варианты (например, установка продольных клиньев 3 для формирования трещин по четырем направлениям).

Корпус 1 (трубу) выполняют из материала, способного в пределах упругой деформации прижимать продольные клинья 3 к стенкам скважины 7 с усилием, достаточным для создания в горной породе требуемой концентрации напряжения. В качестве такого материала предполагается использовать пружинную сталь.

Наиболее простой для изготовления устройства является круглая форма поперечного сечения корпуса 1 (фиг.1-3). Вместе с этим для некоторых горных предприятий, где может быть большой разброс диаметра шпуров (скважин 7), например буримых ручными перфораторами, использованием корпуса 1 с круглой формой поперечного сечения не всегда удается обеспечивать требуемое давление продольных клиньев 3 на стенки скважины 7. Поэтому в устройстве предусмотрена возможность применения корпуса 1 с поперечным сечением некруглой формы (фиг. 4), позволяющей делать линию его контура более длинной. Связано это с тем, что с увеличением длины линии контура поперечного сечения корпус 1 при прочих равных условиях способен деформироваться в радиальном направлении на большую величину, обеспечивая нужное давление продольных клиньев 3 на горную породу в широком диапазоне изменения диаметра скважины 7 (шпура).

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Устройство со стороны продольных клиньев 3 подают в скважину 7, которую предварительно заполняют неньютоновской жидкостью 9. К свободному торцу штанги 5 прикладывают ударную нагрузку. Под действием ударных импульсов продольные клинья 3, проникая в скважину 7, смещаются к оси устройства и сжимают корпус 1, который, стремясь выпрямиться, прижимает их к горной породе. В результате по линии контакта продольных клиньев 3 со стенками скважины 7 возникают напряжения. Кроме этого, от перемещения продольных клиньев 3 по скважине 7 на ее стенках образуются бороздки (на фигурах не показано), в которых также концентрируются напряжения. Двигаясь в направлении забоя скважины 7, корпус 1 заполняется неньютоновской жидкостью 9, которую затем стремится вытеснить из скважины 7. Вытеканию неньютоновской жидкости 9 за пределы скважины 7 препятствует уплотнительная втулка 4, удерживаемая от продольного перемещения кольцевым выступом 6. От этого в момент действия ударной нагрузки в зоне нахождения продольных клиньев 3 создается давление неньютоновской жидкости 9 на стенки скважины 7. В результате сочетания давления неньютоновской жидкости 9 и направленного воздействия продольных клиньев 3 на стенки скважины 7 происходят ориентированные разрывы горной породы с образованием трещин 10 (фиг.2). Плоскости трещин 10 совпадают с плоскостями расположения продольных клиньев 3. При дальнейшем перемещении устройства в сторону забоя скважины 7 неньютоновская жидкость 9 выдавливается в трещины 10 и развивает их. Заполнение скважины 7 неньютоновской жидкостью 9 и подачу в нее устройства осуществляют многократно до тех пор, пока размеры трещин 10 не достигнут требуемых размеров.

Из механики горных пород известно, что трещины образуются в плоскостях растягивающих и развиваются в направлении сжимающих напряжений. Растягивающие усилия в горной породе возникают от давления неньютоновской жидкости 9 на стенки скважины 7. Происходит это в момент ударной нагрузки на торец штанги 5. За счет уплотнительной втулки 4 максимальное давление неньютоновской жидкости 9 создается в зоне расположения продольных клиньев 3. Сжимающие напряжения в горной породе обеспечиваются силовым воздействием продольных клиньев 3 на стенки скважины 7. Сочетание этих факторов обуславливает формирование поля напряжений, которое обеспечивает разрыв горной породы в плоскостях расположения продольных клиньев 3 с образованием трещин 10. Дальнейшее развитие трещин 10 происходит в результате вытеснения в них неньютоновской жидкости 9 из скважины 7 путем перемещения устройства в направлении забоя.

Параметры корпуса 1 и продольных клиньев 3 задаются из условия возможности вхождения устройства в скважину 7 под действием применяемого ударного механизма и создания в горной породе требуемого поля напряжений.

Условия применения устройства предусматривают использование неньютоновской жидкости 9, обладающей большим сопротивлением движению по трещинам 10. Связано это с тем, что создаваемые трещины 10 выходят на свободную поверхность. В высокоподвижной жидкости (например, воде) при наличии выходящих на свободную поверхность трещин 10 создать требуемое для разрыва горной породы давление, как показали эксперименты, практически невозможно. Нужно обеспечить такие условия, чтобы возникал эффект внедряющихся клиньев, когда, несмотря на наличие впереди свободного пространства, поверхности трещин 10 при подаче в них неньютоновской жидкости 9 раздвигались. Вместе с этим желательно, чтобы неньютоновская жидкость 9 проникала в трещины 10 на возможно большую глубину, ибо тогда увеличивается площадь ее контакта с горной породой, следовательно, и разрывающие усилия. Неньютоновские жидкости 9, 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 различными эмульсиями. Соотношения входящих в смеси компонентов, обеспечивающих наиболее эффективное использование предлагаемого устройства, определяются механическими свойствами горных пород и параметрами ударных импульсов.

Устройство предполагается использовать при добыче кристаллического сырья, блочного камня; строительстве туннелей и дорог в гористой местности; разборке старых сооружений и завалов; раскалывании негабаритов. Оно может работать в сочетании практически с любыми ударными механизмами, которые используются на горных предприятиях, например, для бурения шпуров, включая ручные перфораторы.