УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ ТРЕЩИН В СКВАЖИНАХ

Название	УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ ТРЕЩИН В СКВАЖИНАХ
Разработчик (Авторы)	Кю Н.Г., Цыганков Д.А.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2209969
Дата регистрации	10.08.2003
Правообладатель	Институт горного дела СО РАН

Описание изобретения

Предлагаемое техническое решение 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, 1997 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 (неньютоновской жидкости) требуется дополнительное сравнительно высокое давление. Устройство способно работать только при статическом режиме нагнетания флюида, что связано с необходимостью 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, кл. E 21 С 37/06, опубл. в БИ 15, 2001 г., 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 диаметр скважины.

В этом устройстве кольца в скважину втягиваются пропущенными через них стержнями. Поэтому ударная нагрузка действует в направлении растяжения колец. Это не способствует повышению давления колец на горную породу и, следовательно, не увеличивает концентрацию напряжения по линии их контакта со стенками скважины. Устройство предназначено для создания трещины, исходящей от устья скважины. Инициирующие бороздки образуются на всем протяжении перемещения устройства по скважине, включая и тот участок (от устья скважины до зоны разрыва горной породы), на котором неньютоновская жидкость отсутствует. Все это обуславливает относительно низкую эффективность работы устройства, особенно при необходимости формирования трещины на значительном удалении от устья скважины.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, заключается в повышении эффективности его работы за счет увеличения концентрации напряжения по линии предполагаемого разрыва горной породы в момент действия ударной нагрузки и снижения затрат энергии на перемещение устройства по участку скважины, на котором отсутствует неньютоновская жидкость.

Задача решается тем, что в устройстве для образования направленных трещин в скважинах, включающем корпус и рабочие органы в виде колец из упругого материала, согласно предлагаемому техническому решению, в кольцах параллельно их диаметрам и друг другу выполнены сквозные отверстия, через которые кольца последовательно нанизаны на стержни, установленные на конце корпуса перпендикулярно его торцу, при этом каждое последующее кольцо контактирует с предыдущим кольцом, а за последним кольцом на стержнях установлены ограничители перемещения колец.

Ударная нагрузка через корпус устройства воздействует на первое кольцо и за счет того, что кольца контактируют между собой, передается следующим кольцам. В момент действия ударной нагрузки кольца стремятся приобрести форму эллипса, большая ось которого направлена в сторону стенок скважины. Поэтому по линиям контакта колец со стенкой скважины концентрируются высокие напряжения, обусловливающие ориентацию плоскости разрыва горной породы. При отсутствии ударной нагрузки давление колец на горную породу незначительное (практически его нет), из-за чего устройство сравнительно легко может перемещаться по скважине, не расходуя энергии на образование бороздок. Таким образом, повышается эффективность работы устройства.

Целесообразно в качестве ограничителей перемещения колец использовать гайки, навинченные на резьбы, выполненные на свободных концах стержней. Гайки позволяют регулировать размеры колец и тем самым сводить до минимума зазор между ними и стенками скважины. Это повышает эффективность передачи ударной нагрузки горной породе, так как практически устраняется холостой ход колец.

Целесообразно между торцом корпуса и кольцами установить втулку из эластичного материала, за счет которой в момент действия ударной нагрузки перекрывается зазор между устройством и стенками скважины. Это увеличивает давление жидкости в зоне контакта колец с горной породой и тем самым повышает эффективность образования направленной трещины.

Целесообразно с обеих сторон втулки из эластичного материала установить шайбы. Благодаря шайбам нагрузки на торцы втулки распределяются более равномерно. Кроме этого, упрощается изготовление устройства, так как в этом случае в качестве корпуса можно использовать штангу без кольцевого выступа.

На фиг. 1 показано устройство для образования направленных трещин в скважинах до разрыва горной породы, продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А после разрыва горной породы.

Устройство для образования направленных трещин в скважинах состоит из цилиндрического корпуса 1 (фиг.1) с отверстиями 2 с торца, в которых с помощью резьбового соединения (не отмечено) установлены стержни 3. На стержни 3 последовательно нанизаны втулка 4 из эластичного материала и кольца 5 из упругого материала. Кольца 5 на стержни 3 нанизаны через сквозные отверстия 6, выполненные параллельно их диаметрам и друг другу со стороны их боковых поверхностей. Между торцом корпуса 1 и втулкой 4, а также между втулкой 4 и кольцами 5 могут быть установлены металлические шайбы 7. Диаметр отверстий 6 у колец 5 и отверстий (не показано) у втулки 4 больше диаметра стержней 3. На свободных концах стержней 3 нарезана резьба 8 и установлены гайки 9, которые являются ограничителями перемещения колец 5 по стержням 3. Устройство подано в скважину 10 для образования трещины 11 (фиг.2).

Работа устройства осуществляется следующим образом.

С помощью гаек 9 (фиг.1) сжимают кольца 5 таким образом, чтобы они легко входили в скважину 10, но имели минимальный зазор с горной породой (чтобы кольца 5 с обеих сторон практически контактировали со стенками скважины 10). Затем устройство со стороны свободных концов стержней 3 подают в скважину 10, которую предварительно заполняют (не показано) сперва неньютоновской жидкостью, а затем - обычной жидкостью (водой). При этом участок скважины 10 с обычной жидкостью оказывается немного длиннее суммарной длины колец 5. Устройство подают в скважину 10 до упора в неньютоновскую жидкость. После этого к корпусу 1 прикладывают ударную нагрузку, под действием которой устройство перемещается в направлении забоя скважины 10. Из-за большого сопротивления неньютоновской жидкости вхождению в нее устройства между примыкающим к гайкам 9 кольцом 5 и корпусом 1 возникают сжимающие усилия, которые сдавливают втулку 4 и кольца 5. При этом втулка 4 деформируется и герметизирует скважину 10, а кольца 5 на контакте с горной породой (со стенками скважины 10) концентрируют высокие напряжения. Так как устройство перемещается (под действием ударной нагрузки) в направлении забоя скважины 10, то под втулкой 4 создается большое давление жидкости (втулка 4 работает как поршень). В результате на стенки скважины 10 одновременного действуют две силы (давление жидкости и колец 5). От этого происходит разрыв горной породы в заданной плоскости с возникновением трещины 11 (фиг.2). Ударную нагрузку прикладывают периодически. Поэтому после начального разрыва горной породы устройство продолжает двигаться (ступенчато) к забою, вытесняя неньютоновскую жидкость из скважины 10 в трещину 11. За счет этого трещина 11 развивается. Неньютоновскую жидкость вытесняют из скважины 10 до тех пор, пока трещина 11 не достигнет нужных размеров. Затем устройство извлекают из скважины 10.

Устройством реализуется технология направленного разрушения горных пород двумя несмешивающимися жидкостями (например, пластилин и вода), обладающими принципиально разными возможностями. Обычная жидкость в сравнении с неньютоновской жидкостью имеет преимущество в начальный момент возникновения формируемой трещины. Она существенно усиливает воздействие ударной нагрузки на горную породу, ибо даже импульсное давление в ней практически мгновенно передается на большую поверхность стенок скважины. Обладая высокой подвижностью, обычная жидкость легко проникает в зарождающуюся трещину и воздействует на ее поверхности, создавая значительные растягивающие усилия в заданной плоскости. Вместе с этим высокая подвижность обычной жидкости является ее одним из основных недостатков, из-за которого не удается управлять процессом направленного разрыва горной породы. Такая жидкость при выходе любого участка фронта разрыва горной породы на свободную поверхность вытекает наружу, не создавая требуемого давления в формируемой трещине. Она движется по пути наименьшего сопротивления, который обусловлен в основном структурой горной породы (по плоскостям ослабления). Формируемая обычной жидкостью трещина с удалением от места приложения ударной нагрузки развивается преимущественно в одном направлении и несимметрично относительно источника нагнетания. Таким образом, обычную жидкость целесообразно применять для инициирования разрыва горной породы с заданной ориентацией либо разрушения объектов небольших размеров, например негабаритов. Однако из-за отмеченных недостатков она практически не используется для отделения больших блоков (например, строительного камня) от массивов.

Неньютоновская жидкость не проникает и, следовательно, не развивает встречающиеся на пути создаваемой трещины поры и микротрещины, которые имеются в любой горной породе. Для неньютоновской жидкости, обладающей значительным сопротивлением изменению внешней формы, легче раздвигать поверхности создаваемой трещины, чем проникать в нее на большую глубину. Она продолжает развивать трещину и тогда, когда последняя выходит на свободную поверхность. Неньютоновская жидкость проявляет свойства адаптирующегося под параметры формируемой трещины клина, который дает возможность управлять процессом разрыва горной породы и создавать симметричные трещины. Но в отличие от механического клина она передает давление на большую площадь взаимного контакта с горной породой, из-за чего не возникают запредельные контактные напряжения, а прикладываемая к ней сила (нагрузка) передается поверхностям трещины существенно увеличенной (как в гидроусилителе). Усилие, с которым неньютоновская жидкость воздействует на поверхности трещины, не может быть достигнуто существующими механизмами. Поэтому с ее помощью можно весьма эффективно осуществлять разборку массива на блоки практически любых размеров. Вместе с тем из-за высокого сопротивления изменению формы применение неньютоновской жидкости для инициирования разрыва горной породы (образования начальной трещины) по сравнению с обычной жидкостью (по причинам, отмеченным выше) менее предпочтительно.

Устройство при соответствующей длительности и амплитуде ударной нагрузки способно разрывать горную породу в заданной плоскости и при применении одного вида жидкости (преимущественно неньютоновской). Обусловлено это инерционностью колец 5 и жидкости в скважине 10. Образование начальной трещины 11 происходит от ближнего к корпусу 1 кольца 5 в направлении свободных концов стержней 3. Однако в этом случае к используемым ударным механизмам предъявляются повышенные требования (например, требуется большая энергия удара).

Материал и размеры втулки 4 выбираются с учетом возможности передачи через нее требуемой энергии удара кольцам 5 и устранения зазора между устройством и стенками скважины 10 во время действия ударной нагрузки. Подбираются они экспериментально. В настоящее время втулку 4 предполагается изготавливать из полиуретана.

Шайбы 7 предназначены для рассредоточения нагрузки на торцы втулки 4. Очевидно, что чем больше площадь шайб 7, тем меньшие напряжения будут возникать во втулке 4 во время действия ударной нагрузки. Поэтому шайбы 7 изготавливают, учитывая необходимость перемещения устройства по заданной скважине 10, максимального для нее диаметра. Кроме этого, применение шайб 7 упрощает изготовление устройства, так как в этом случае в качестве корпуса 1 можно использовать штангу без кольцевого выступа.

Параметры и форму колец 5 выбирают, исходя из возможности создания максимальной концентрации напряжений по линии предполагаемого разрыва горной породы при заданном диаметре скважины 10 и наличии конкретного ударного механизма. Для этого кольца 5 заостряют по внешней окружности. Контактируя между собой и находясь во взаимосвязи, кольца 5 представляют собой звенья одной пружины, общая деформация которой распределяется по всей длине. Поэтому, с одной стороны, в каждом отдельном кольце практически исключаются запредельные деформации от ударной нагрузки, а с другой - совокупность колец 5 работает как единый механизм, концентрирующий напряжения в одной плоскости.

Стержни 3 с гайками 9 выполняют функцию связующего звена, объединяющего отдельные узлы устройства в единую конструкцию. Кроме этого, они удерживают кольца 5 в одной плоскости. Отметим, что для выполнения этих функций в принципе можно использовать один стержень некруглого поперечного сечения. Однако это усложнит изготовление устройства из-за необходимости выполнения некруглых отверстий в кольцах 5, шайбах 7 и втулке 4. Диаметр стержней 3 делают меньше диаметра отверстий в кольцах 5 и втулке 4 для беспрепятственной деформации последних во время действия ударной нагрузки.

Устройство предполагается использовать при добыче ценного кристаллического сырья и строительного камня, разборке старых сооружений и завалов; раскалывании негабаритов. Оно может быть изготовлено в механических мастерских практически любых горных предприятий.

Формула изобретения

1. Устройство для образования направленных трещин в скважинах, включающее корпус и рабочие органы в виде колец из упругого материала, отличающееся тем, что в кольцах параллельно их диаметрам и друг другу выполнены сквозные отверстия, через которые кольца последовательно нанизаны на стержни, установленные на конце корпуса перпендикулярно его торцу, при этом каждое последующее кольцо контактирует с предыдущим кольцом, а за последним кольцом на стержнях установлены ограничители перемещения колец.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве ограничителей перемещения колец служат гайки, навинченные на резьбы, выполненные на свободных концах стержней.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что между торцом корпуса и кольцами установлена втулка из эластичного материала.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что с обеих сторон втулки из эластичного материала установлены шайбы.

Изобретение "УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ ТРЕЩИН В СКВАЖИНАХ" (Кю Н.Г., Цыганков Д.А.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога