Патент на изобретение №2350749

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ ТРЕЩИН В СКВАЖИНАХ

(57) Реферат:

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для отделения блоков от массивов, добычи ценного кристаллического сырья и строительного камня, разрушения негабаритов. Повышается эффективность устройства за счет образования направленных трещин с ровными поверхностями и в горной породе любой прочности. Устройство включает полый цилиндрический корпус с торцевым каналом подвода рабочей жидкости, отверстиями в стенках и рабочими органами на наружной поверхности, соосный корпусу эластичный рукав, клапан, установленный на конце корпуса. Корпус выполнен из упругого материала, а отверстия в его стенках – в виде продольных прорезей, между которыми на поверхности корпуса установлены рабочие органы в виде резцов горной породы. Эластичный рукав установлен внутри корпуса, его один конец соединен с каналом подвода рабочей жидкости, а другой – с клапаном. Между эластичным рукавом и корпусом установлена трубка из упругого материала с продольными прорезями таким образом, что она перекрывает продольные прорези корпуса. 1 з.п. ф-лы, 2 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 устройство для образования зародышевых трещин по авт. свид. СССР №907247, кл. Е21С 3700, включающее корпус и рабочий орган. Оно снабжено пружиной, соединенной с рабочим органом, выполненным в виде клина. При этом образующая режущей части описана установленной зависимостью.

Устройство обеспечивает образование трещины перпендикулярно скважине и на ограниченном длиной корпуса расстоянии от ее устья. Оно не может образовывать трещины одновременно в нескольких плоскостях. Поэтому устройство обладает сравнительно низкой эффективностью.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для образования направленных трещин в скважинах по авт. свид. СССР №1222837, кл. Е21С 37/06, Е21В 43/25, опубл. в БИ №13, 1986 г., включающее полый цилиндрический корпус с торцевым каналом подвода рабочей жидкости, соосный корпусу эластичный рукав с накладками с рабочими органами в виде клиньев на наружной поверхности. Оно снабжено обжимными кольцами, связывающими накладки между собой, и с эластичным рукавом, кольцевым герметизатором, установленным на корпусе со стороны канала подвода рабочей жидкости, запорным клапаном, установленным на противоположной стороне корпуса с возможностью продольного перемещения, и фиксатором положения клапана. Эластичный рукав установлен на корпусе между кольцевым герметизатором и запорным клапаном и жестко связан с ним своими торцами. В стенках корпуса выполнены отверстия, сообщающие его полость с пространством под эластичным рукавом и запорным клапаном. Фиксатор положения клапана выполнен в виде зацепов, связанных с накладками жестко, а с клапаном – с возможностью расцепления при раздвигании накладок.

Это устройство предназначено для образования направленных трещин в горных породах, обладающих относительно слабой прочностью, в которые могут внедряться клинья. Внедрение клиньев в стенки скважины, пройденной в прочных горных породах типа гранитов и их аналогов, в настоящее время не представляется возможным. Кроме того, силовое внедрение клиньев в горную породу формирует в ней трещины с относительно неровными поверхностями, что увеличивает потери при добыче природного камня. Этим обуславливается сравнительно низкая эффективность работы устройства.

Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности устройства за счет образования направленных трещин с ровными поверхностями и в горной породе любой прочности.

Задача решается тем, что в устройстве для образования направленных трещин в скважинах, включающем полый цилиндрический корпус с торцевым каналом подвода рабочей жидкости, отверстиями в стенках и рабочими органами на наружной поверхности, соосный корпусу эластичный рукав, клапан, установленный на конце корпуса, согласно техническому решению корпус выполнен из упругого материала, а отверстия в его стенках – в виде продольных прорезей, между которыми на поверхности корпуса установлены рабочие органы в виде резцов горной породы. Эластичный рукав установлен внутри корпуса, один его конец соединен с торцевым каналом подвода рабочей жидкости, а другой – с клапаном. Между эластичным рукавом и корпусом установлена трубка из упругого материала с продольными прорезями таким образом, что она перекрывает продольные прорези корпуса.

Выполнение полого цилиндрического корпуса из упругого материала и отверстий в его стенках в виде продольных прорезей позволяет установленным на поверхности корпуса рабочим органам раздвигаться в радиальном направлении, что устраняет необходимость использования накладок. Установка эластичного рукава внутри корпуса и соединение одного его конца с каналом подвода рабочей жидкости, а другого – с клапаном обеспечивает требуемое усилие резания горной породы поддержанием нужного давления рабочей жидкости. Установка расположена между эластичным рукавом и корпусом трубки из упругого материала с продольными прорезями таким образом, что она перекрывает продольные прорези корпуса, исключает продавливание материала эластичного рукава через прорези в корпусе и, следовательно, его повреждение. Причем давление поступающей в зону формирования трещины жидкости и усилие резания задаются и не зависят от свойств горной породы. В результате обеспечивается возможность образования направленных трещин с заданными усилиями и в горных породах любой прочности, а поверхности трещин из-за их формирования резанием становятся более ровными. Все это существенно повышает эффективность устройства.

Целесообразно клапан выполнить в виде втулки, один конец которой соединить с эластичным рукавом, а на другой ее конец надеть стакан с продольными прорезями в стенках, при этом стакан выполнить из упругого материала, а между его дном и торцом втулки установить стержень из эластичного материала. Это упрощает конструкцию клапана, повышая тем самым надежность его работы, и позволяет величиной прижатия стержня из эластичного материала к торцу втулки регулировать давление рабочей жидкости внутри эластичного рукава, следовательно, и усилие резания горной породы. В результате эффективность работы устройства возрастает.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами фиг.1 и 2.

На фиг.1 показано устройство для образования направленных трещин в скважинах, продольный разрез; на фиг.2 – разрез А-А на фиг.1 в увеличенном масштабе.

Устройство для образования направленных трещин в скважинах (далее – устройство) состоит (фиг.1) из полого цилиндрического корпуса 1 (далее корпус 1) с продольными (фиг.2) прорезями 2 (далее – прорези 2). На наружной поверхности корпуса 1 между его прорезями 2 установлены рабочие органы в виде резцов 3 горной породы. Внутри корпуса 1 соосно ему установлен эластичный рукав 4 (далее – рукав 4), один конец которого соединен с торцевым каналом подвода рабочей жидкости (на фиг. не обозначен), а другой – с клапаном 5, установленным на конце корпуса 1. Между рукавом 4 и корпусом 1 установлена трубка 6 из упругого материала с продольными прорезями 7 (далее – прорези 7) таким образом, что она перекрывает прорези 2 корпуса 1. Клапан 5 выполнен в виде втулки 8, один конец которой соединен с рукавом 4, а на другой ее конец надет стакан 9 с продольными прорезями 10 (далее – прорези 10) в стенках. Стакан 9 выполнен из упругого материала. Между его дном и торцом втулки 8 установлен стержень 11 из эластичного материала (далее – стержень 11). Втулка 8 связана с корпусом 1 и стаканом 9 резьбовыми соединениями 12 и 13 соответственно. На свободном от клапана 5 конце корпуса 1 установлена соединительная втулка 14 (далее – втулка 14) посредством резьбового соединения 16. Через втулку 14 устройство связано с колонной труб 15 резьбовым соединением 17. Верхний конец рукава 4 придавлен к внутренней поверхности трубки 6 введенной в него втулкой 18 с внешней конической поверхностью. Отметим, что торцевой канал подвода рабочей жидкости образован соосной установкой втулки 14, втулки 18 и рукава 4.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Устройство навинчивают на колонну труб 15 и опускают в скважину (на фиг. не показано) на нужную глубину. По колонне труб 15 подают рабочую жидкость, которая последовательно проходит через втулку 14, втулку 18, рукав 4, втулку 8, прорези 10 и через зазор между устройством и стенками скважины вытекает наружу. При выходе из втулки 8 рабочая жидкость испытывает сопротивление от придавленного к торцу втулки 8 стержня 11. От этого в рукаве 4 повышается давление, которое через рукав 4, трубку 6 и корпус 1 воздействует на резцы 3 и придавливает их к стенкам скважины. После этого осуществляют возвратно-поступательное движение устройства (через колонну труб 15). В результате в скважине образуются начальные направленные трещины. После образования направленных трещин требуемых размеров прекращают возвратно-поступательное движение устройства, а давление рабочей жидкости сбрасывают до нуля. Под влиянием собственной упругости корпус 1, трубка 6 и рукав 4 возвращаются в исходное положение и резцы 3 отжимаются от стенок скважины. Затем устройство перемещают в другое место для формирования направленных трещин либо извлекают из скважины.

Устройство предполагается использовать в технологии добычи строительного камня с применением алмазного бурения, при котором не возникают дополнительные снижающие качество природного камня трещины. Оно рассчитано на использование алмазных резцов 3 и предназначено для создания концентрации напряжений по заданным линиям путем образования бороздок (начальных трещин) на стенках скважины. Величина напряжений обуславливается в основном остротой (радиусом закругления) вершин образуемых бороздок. За счет этого и при условии отсутствия видимых трещин на поверхности добываемого камня глубину прорезаемых бороздок задают минимальной (единицы миллиметров). Это значительно повышает производительность, так как существенно снижает объем резания горной породы и истирание резцов 3. Вместе с этим из-за возможности образования направленных трещин в нескольких плоскостях одновременно устройство целесообразно использовать и в скважинах, пройденных ударно-вращательным бурением, например при добыче ценного кристаллического сырья или разрушении негабаритов. При этом бороздки прорезают на глубину, обусловленную (ограниченную) размерами резцов 3.

Клапан 5 нужен для поддержания требуемого давления в рукаве 4 и подачи рабочей жидкости в зазор между устройством и стенками скважины с целью охлаждения резцов 3. Упругими элементами, определяющими давление срабатывания клапана 5, являются стакан 9 с прорезями 10 и установленный в нем стержень 11. Регулировку давления срабатывания клапана 5 осуществляют вращением стакана 9 относительно втулки 8.

В зависимости от условий работы (технологии и прочности горной породы) используют алмазные либо твердосплавные резцы 3. Их устанавливают в пазах (на фиг. не обозначены) и крепят к корпусу 1 в одной точке (точечной сваркой). Это позволяет им взаимодействовать с корпусом 1 без возникновения напряжений, обусловленных различными деформационными способностями материалов резцов 3 и корпуса 1.

Отметим, что при вращении корпуса 1 и соответствующей установке резцов 3 устройство можно использовать для образования поперечных скважине трещин. Усилие на соединении корпуса 1 и колонны труб 15 контролируют на приводе датчиком силы.

Отметим также, что представленный вариант устройства можно дополнить герметизирующим элементом (пакером), который установить между колонной труб 15 и втулкой 14. Тогда его можно использовать не только для создания концентраторов напряжения (бороздок на стенках скважины), но и последующего направленного гидравлического разрыва породного массива.

Формула изобретения

1. Устройство для образования направленных трещин в скважинах, включающее полый цилиндрический корпус с торцевым каналом подвода рабочей жидкости, отверстиями в стенках и рабочими органами на наружной поверхности, соосный с корпусом эластичный рукав, клапан, установленный на конце корпуса, отличающееся тем, что корпус выполнен из упругого материала, а отверстия в его стенках – в виде продольных прорезей, между которыми на поверхности корпуса установлены рабочие органы в виде резцов горной породы, при этом эластичный рукав установлен внутри корпуса, один его конец соединен с торцевым каналом подвода рабочей жидкости, а другой – с клапаном, причем между эластичным рукавом и корпусом установлена трубка из упругого материала с продольными прорезями таким образом, что она перекрывает продольные прорези корпуса.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что клапан выполнен в виде втулки, один конец которой соединен с эластичным рукавом, а на другой ее конец надет стакан с продольными прорезями в стенках, при этом стакан выполнен из упругого материала, а между его дном и торцом втулки установлен стержень из эластичного материала.

РИСУНКИ