Устройство для образования направленных трещин в скважинах
DEVICE FOR FORMATION OF DIRECTIONAL FRACTURES IN WELLS

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для образования трещин в скважинах с целью дегазации угольных и соляных пластов, отделения блоков от массивов, добычи ценного кристаллического сырья и строительного камня, обрушения кровли.
Известно устройство для разрушения горных пород по авт. св. СССР № 901522, кл. Е21С 37⁄02, опубл. 30. 01. 1982, бюл. № 4. Оно включает цилиндрический корпус со щелями, распирающие пластины и эластичный баллон со штуцером. Распирающие пластины состоят не менее чем из двух твёрдосплавных сегментов, закреплённых на упругих металлических полосах. При этом распирающие пластины расположены в щелях, выполненных в диаметральной плоскости цилиндрического корпуса.
Общим у аналога с предлагаемым устройством является наличие цилиндрического корпуса со щелями, распирающих пластин и эластичного баллона.
С помощью этого устройства можно создавать сравнительно небольшие трещины, размеры которых определяются воздействием на горную породу лишь распирающими пластинами. Поэтому оно обладает относительно низкой эффективностью.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для образования направленных трещин в скважинах по авт. св. СССР № 1222837, кл. Е21С 37⁄06, E21B 43//25,опубл. 07. 04. 1986, бюл. № 13. Оно включает полый цилиндрический корпус с торцевым каналом подвода рабочей жидкости, соосный корпусу эластичный рукав с накладками с рабочими органами в виде клиньев на наружной поверхности. Устройство 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 жёстко 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 жёстко, а с клапаном – с возможностью расцепления при раздвижении накладок.
Общим у прототипа с предлагаемым устройством является наличие полого цилиндрического корпуса с каналом подвода рабочей жидкости, соосного корпусу эластичного рукава,  клиньев, клапана, отверстий в стенках корпуса, сообщающих его полость с пространством под эластичным рукавом.
Это устройство не позволяет подавать рабочую жидкость в зону образования направленных трещин до внедрения клиньев в стенки скважины, что существенно затрудняет формирование трещин в крепких горных породах (гранит, сиенит, диабаз). Кроме этого, соосный корпусу эластичный рукав не распирает стенки скважины из-за отсутствия с ними непосредственного контакта, от чего существенно усложняется создание дополнительного поля растягивающих напряжений с заданной ориентацией, например, размещением таких устройств в нескольких скважинах, пройденных в одной плоскости. Всё это обуславливает относительно низкую эффективность работы устройства.
Решаемая техническая проблема заключается в повышении эффективности образования направленных трещин в скважинах за счёт одновременного воздействия на породный массив гидравлическим давлением, распором стенок скважины и усилием вдавливания клиньев вне зависимости от глубины внедрения последних в горную породу.
Проблема решается тем, что в устройстве для образования направленных трещин в скважинах, включающем полый цилиндрический корпус с каналом подвода рабочей жидкости, соосный корпусу эластичный рукав, клинья, клапан, отверстия в стенках корпуса, сообщающие его полость с пространством под эластичным рукавом, согласно техническому решению эластичный рукав с обоих концов скреплён с корпусом, клинья установлены на свободном от эластичного рукава конце корпуса в плоскости, проходящей через его ось, клапан выполнен в виде эластичной втулки, надетой на корпус между эластичным рукавом и клиньями, при этом в корпусе выполнены отверстия, сообщающие его полость с пространством под эластичной втулкой, и продольные прорези между клиньями, обеспечивающие возможность раздвижения его боковой поверхности для создания заданного усилия вдавливания клиньев в стенки скважины, а внутри корпуса с исключением продольного перемещения относительно него размещён стакан из эластичного материала таким образом, что  он перекрывает указанные прорези.
Техническое решение реализует идею подачи рабочей жидкости в зону разрыва горной породы, обусловленную в отличие от прототипа не глубиной внедрения, а усилием вдавливания клиньев в стенки скважины. Обусловлено это тем, что открытие клапана для подачи рабочей жидкости в зону разрыва горной породы происходит не в результате внедрения клиньев на заданную глубину в стенки скважины, а в результате достижения давлением рабочей жидкости фиксированного значения, задаваемого упругостью эластичной втулки и местоположением расположенных под ней отверстий в корпусе. При этом эластичный рукав за счёт скрепления его обоих концов с корпусом герметизирует скважину и распирает её стенки. Клинья, установленные на свободном от эластичного рукава конце корпуса в плоскости, проходящей через его ось, концентрируют напряжения, обеспечивающие разрыв горной породы вдоль устройства, начиная от его свободного конца.  Благодаря выполнению клапана  в виде эластичной втулки, надетой на корпус между эластичным рукавом и клиньями, обеспечивается возможность изменением упругости эластичной втулки задавать усилие распора стенок скважины и вдавливания в них клиньев в широком диапазоне, вплоть до механического разрыва горной породы. Выполнение в корпусе отверстий, сообщающих его полость с пространством под эластичной втулкой, позволяет после достижения заданного усилия распора стенок скважины и вдавливания в них клиньев подавать рабочую жидкость в зону разрыва горной породы. Продольные прорези в корпусе между клиньями, обеспечивающие возможность раздвижения его боковой поверхности для создания заданного усилия вдавливания клиньев в стенки скважины, позволяют раздвигать клинья для их внедрения в стенки скважины. Размещение в корпусе с исключением продольного перемещения относительно него стакана из эластичного материала таким образом, что он перекрывает продольные прорези, не позволяет рабочей жидкости проникать в зону разрыва горной породы через указанные прорези. В результате после проникновения в зону разрыва горной породы рабочей жидкости через указанный клапан породный массив подвергается одновременному воздействию гидравлическим давлением, распором стенок скважины и усилием вдавливания клиньев вне зависимости от глубины внедрения последних в горную породу, от чего повышается эффективность работы устройства.
Целесообразно между корпусом и стаканом из эластичного материала разместить перекрывающие указанные прорези пластины. Это исключает  продавливание поверхностей стакана в указанные прорези, что повышает надёжность работы устройства и, следовательно, способствует повышению эффективности образования направленных трещин, ибо снижаются трудозатраты и время на его профилактику и ремонт.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения устройства для образования направленных трещин в скважинах и чертежами фиг. 1 - 4.
На фиг. 1 показана схема устройства для образования направленных трещин в скважинах в исходном состоянии в скважине, продольный разрез; на фиг. 2 -  разрез А – А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б – Б на фиг. 1, на фиг. 4 внешний вид устройства.
Устройство для образования направленных трещин в скважинах (фиг. 1) включает полый цилиндрический корпус 1 (далее – корпус 1) с каналом 2  подвода рабочей жидкости, соосный корпусу 1 эластичный рукав 3 (далее – рукав 3), клинья 4, клапан, отверстия 5 в стенках корпуса 1, сообщающие его полость с пространством под рукавом 3. Рукав 3 с обоих концов скреплён с корпусом 1, например, обжимными кольцами 6 (далее – кольца 6). Клинья 4 установлены на свободном от рукава 3 конце корпуса 1 в плоскости, проходящей через его ось. Клапан выполнен в виде эластичной втулки 7 (далее – втулка 7), надетой на корпус 1 между рукавом 3 и клиньями 4. В корпусе 1 выполнены отверстия 8, сообщающие его полость с пространством под втулкой 7,и продольные прорези 9 (далее – прорези 9) между клиньями 4, обеспечивающие возможность раздвижения его боковой поверхности для создания заданного усилия вдавливания клиньев 4 в стенки скважины 10 (фиг. 2). Внутри корпуса 1 с исключением продольного перемещения относительно него размещён стакан 11 из эластичного материала таким образом, что  он перекрывает прорези 9.  Между корпусом 1 и стаканом 11 могут быть размещены перекрывающие прорези 9 пластины, например, в виде диска 12, полос 13, втулки 14 (фиг. 3). Диск 12, полосы 13 и втулка 14 могут быть скреплены между собой, например, точечной сваркой. При этом полосы 13 с диском 12 и втулкой 14 могут скрепляться непосредственно, а диск 12 с втулкой 14 могут скрепляться через полосы 13.Для облегчения раздвижения стенок корпуса 1 с клиньями 4 на конце прорези 9 (фиг. 4) со стороны втулки 7 может быть выполнено ступенчатое расширение 15 (далее – расширение 15). Втулка 7, чтобы исключить её перемещение вдоль корпуса 1 течением нагнетаемой  рабочей жидкости, может быть скреплена одним концом с корпусом 1, например, обжимным кольцом 16. Для подачи рабочей жидкости в канал 2 корпус 1 соединён резьбой 17 с трубой 18. Внутри корпуса 1 для исключения продольного перемещения по нему стакана 11 давлением рабочей жидкости могут быть выполнены выступы 19 (фиг. 1). Устройство подано в скважину 10 до упора в её забой.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Устройство подсоединяют к трубе 18 (колонне труб) и подают в скважину 10 до упора в её забой. По трубе 18 подают рабочую жидкость, под давлением которой рукав 3 герметизирует скважину 10 и распирает её стенки, а стакан 11 через полосы 13 воздействует на стенки корпуса 1, от чего клинья 4 придавливаются к горной породе (стенкам скважины 10). При этом стакан 11 удерживается от продольного перемещения относительно корпуса 1 выступами 19 и диском 12 и, благодаря втулке 14, не продавливается в расширение 15. Рабочая жидкость, когда давление в ней достигает предела удержания её во внутренней полости корпуса 1втулкой 7, продавливается через образуемый давлением рабочей жидкости зазор между корпусом 1 и втулкой 7 в скважину 10 в область нахождения клиньев 4. После этого породный массив одновременно подвергается воздействию гидравлическим давлением на участке нахождения клиньев 4, распором стенок скважины 10 на их контакте с рукавом 3, усилием вдавливания клиньев 4 по линиям их контакта с горной породой, по которым  концентрируются напряжения, определяющие место возникновения начальной трещины (место начала разрыва породного массива). При достижении напряжений на контакте клиньев 4 и стенок скважины 10 предела прочности горной породы возникает начальная трещина, куда устремляется рабочая жидкость и развивает её.  Отметим, что размеры трещины, формируемой гидравлическим разрывом горной породы, при прочих равных условиях определяются объёмом закаченной в неё рабочей жидкости. Подав в зону разрыва горной породы заданный объём рабочей жидкости, сбрасывают давление последней, от чего узлы и детали устройства возвращаются под действием сил упругости в исходное состояние. После этого устройство извлекают из скважины 10.
Важной особенностью устройства является также возможность его использования в качестве силового элемента для распора стенок множества скважин, пройденных в одной плоскости, с целью создания поля растягивающих напряжений с заданной ориентацией, например, для реализации способа принудительного обрушения кровли.