ЩЕЛЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для образования поперечных зародышевых трещин в массиве горных пород для направленного разупрочнения геотехническими методами гидроразрыва.
Известно устройство для образования поперечных полостей на стенках скважин по патенту СССР №1790674, Е21С 37/00, опубл. в БИ №3 за 1993 г., включающее толкатель с шарнирно закрепленными на нем режущими органами и упорную направляющую. Толкатель выполнен с наконечником в форме двузубой вилки, между зубьями которой перекрестно установлены режущие органы, а упорная направляющая выполнена в форме стакана с продольными окнами для выхода режущих органов и донными перекрестными оппозитными уклонами для разворота режущих органов. Толкатель установлен в стакане с возможностью упора зубьями вилки в его дно в конце рабочего хода и подпружинен относительно стакана.
Недостатком этого устройства является сложность его конструкции. Кроме того, прямолинейные уклоны обусловливают взаимодействие режущих органов со стенками скважины всей режущей поверхностью, что значительно повышает нагрузку на режущие органы и негативно сказывается на их долговечности, понижая тем самым эффективность и надежность данного устройства.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является щелеобразователь (см. патент РФ 2263776, Е21В 43/26, Е21С 37/00, опубл. в БИ №31, 2005), включающий стакан с продольными окнами, в котором перекрестно установлены режущие органы, толкатель, перекрестные оппозитные направляющие уклоны и пружину возврата толкателя. Режущие органы установлены с возможностью выхода их режущих частей из продольных окон стакана по указанным уклонам при перемещении толкателя. Перекрестные оппозитные направляющие уклоны выполнены на толкателе и имеют фигурный профиль. Толкатель установлен с возможностью вдвижения в стакан, а пружина возврата толкателя размещена на стакане и зафиксирована в исходном положении. Режущие органы установлены на общей оси и зафиксированы в исходном положении на указанных уклонах с помощью фигурных пружин.
Недостатком этого щелеобразователя является то, что он может быть использован для прорезания инициирующих щелей только в конце скважины (у забоя), так как режущие органы выходят из продольных окон стакана под воздействием осевого усилия от бурового станка через штангу с обязательным упором в забой. Таким образом, в случае необходимости создания нескольких инициирующих щелей в горном массиве через определенный шаг, необходимо производить предварительное бурение скважин на заданную глубину в зависимости от места запланированного разрыва горного массива, что усложняет технологический процесс послойного разупрочнения горного массива. Кроме того, в конструкции данного щелеобразователя не предусмотрена возможность контроля над прорезкой инициирующей щели на полную глубину, что может отразиться на качестве выполнения последующей операции по разупрочнению горного массива. Это объясняется тем, что сопоставить величину подачи
штанги с величиной раскрытия режущих органов визуально в подземных условиях очень сложно.
Технической задачей предлагаемого решения является упрощение технологического процесса разупрочнения массива горных пород и обеспечение контроля над качеством выполнения работ при прорезании инициирующей щели.
Поставленная задача достигается тем, что в щелеобразователе, включающем стакан с продольными окнами, в котором на одной оси перекрестно установлены режущие органы, зафиксированные в исходном положении с помощью цилиндрических пружин растяжения, толкатель с перекрестными оппозитными направляющими уклонами, установленный с возможностью вдвижения в стакан, и пружину возврата толкателя, причем режущие органы установлены с возможностью выхода их режущих частей из продольных окон стакана по указанным уклонам при перемещении толкателя, согласно техническому решению толкатель выполнен в виде поршня со штоком, размещенных в цилиндрической полости, выполненной в стакане. Шток пропущен через посадочное отверстие в дне стакана, а перекрестные оппозитные направляющие уклоны выполнены на головке, которая закреплена на конце указанного штока. Упомянутый толкатель имеет связанные между собой осевое и радиальное отверстия, которыми соединены поршневая и штоковая полости в стакане. Радиальное отверстие расположено от посадочного отверстия на расстоянии, равном ходу толкателя.
Указанная совокупность признаков в предлагаемом щелеобразователе позволяет проводить работы по прорезке инициирующих щелей на любом уровне пробуренной ранее скважины без упора буровой штанги в забой при соблюдении контроля над полнотой прорезания инициирующих щелей путем получения своевременного сигнала об окончании хода толкателя, и следовательно, о полном
раскрытии режущих органов. Это позволяет значительно упростить технологический процесс разупрочнения массива горных пород при обеспечении контроля над качеством выполнения работ.
Сущность технического решения иллюстрируются примером конкретного исполнения и чертежами:
фиг.1 - общий вид щелеобразователя в продольном разрезе;
фиг.2 - общий вид головки с перекрестными оппозитными направляющими уклонами.
Щелеобразователь состоит из стакана 1 (фиг.1), в котором выполнены продольные окна 2 и цилиндрическая полость 3. Режущие органы 4 перекрестно установлены в стакане 1 на общей оси 5 с возможностью вдвижения в продольные окна 2 стакана 1. В цилиндрической полости 3 стакана 1 помещен толкатель 6 в виде поршня со штоком, делящим цилиндрическую полость 3 на поршневую и штоковую полости (позициями не обозначены). Шток имеет связанные между собой осевое 7 и радиальное 8 отверстия, которыми соединены поршневая и штоковая полости стакана 1. Шток толкателя 6 пропущен через посадочное отверстие в дне стакана 1. На конце штока толкателя 6 закреплена при помощи стопорного кольца 9 головка 10 (фиг.2) с перекрестными оппозитными направляющими уклонами 11. Режущие органы 4 зафиксированы в исходном положении на перекрестных оппозитных направляющих уклонах 11 при помощи цилиндрических пружин 12 растяжения, установленных между проушинами 13 режущих органов 4 и осями 14 в стакане 1. Пружина 15 возврата толкателя 6 размещена в штоковой полости стакана 1 и сжата под определенным усилием между поршнем толкателя 6 и дном стакана 1 со стороны штоковой полости.
Со стороны штоковой полости в дне стакана 1 имеются отверстия 16, соединяющие штоковую полость стакана 1 с полостью скважины.
Стопорение толкателя 6 в цилиндрической полости 3 стакана 1 обеспечивается упором 17.
Щелеобразователь работает следующим образом. Перед началом работы толкатель 6 вместе с головкой 10 устанавливается в нижнее положение до упора 17 пружиной 15 возврата. Режущие органы 4 устанавливаются в продольных окнах 2 стакана 1 и фиксируются в исходном положении цилиндрическими пружинами 12 растяжения. Затем щелеобразователь при помощи буровой штанги и бурового станка вводят в раннее пробуренную скважину и останавливают на необходимом для гидроразрыва уровне. После остановки буровой штанги дается команда на вращение и по ней в поршневую полость подается под давлением промывочно-охлаждающая жидкость, перемещающая толкатель 6, а вместе с ним и головку 10 в сторону режущих органов 4. При этом головка 10 своими перекрестными оппозитными направляющими уклонами 11 нажимает на режущие органы 4, которые поворачиваясь вокруг общей оси 5, выходят из продольных окон 2 и, преодолевая усилие фиксации цилиндрических пружин 12 растяжения, врезаются в стенки скважины, формируя инициирующую щель в целике массива. Одновременно с процессом резания по осевому отверстию 7 и радиальному отверстию 8 и далее по отверстиям 16 в дне стакана 1 со стороны штоковой полости в забой поступает промывочно-охлаждающая жидкость, которая возвращается по скважине вместе со штыбом и сигнализирует бурильщику, что процесс резания идет. Перед концом формирования инициирующей щели толкатель 6 перемещается в крайнее выдвинутое положение, при этом радиальное отверстие 8 перекрывается стенками посадочного отверстия толкателя 6 в дне стакана 1 со стороны штоковой полости, и доступ промывочно-охлаждающей жидкости в забой, а следовательно, и вымыв штыба из скважины прекращаются. Это является
сигналом бурильщику, что режущие органы полностью раскрыты, процесс резания закончен и формирование инициирующей щели завершено.
После окончания работы толкатель 6 возвращается в исходное положение под действием пружины 15 возврата толкателя 6, а режущие органы 4 занимают первоначальное положение под действием цилиндрических пружин 12 растяжения.