СКВАЖИННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ ТРЕЩИН
BOREHOLE DEVICE FOR FORMATION OF DIRECTED FRACTURES

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для отработки технологии добычи ценного кристаллического сырья и природного камня, разборки завалов и сооружений, дробления негабаритов, проведения физического моделирования процессов разрушения горных пород.
Известно скважинное устройство для образования направленных трещин (авт. св. СССР №1714123, кл. Е21С 37/04, опубл. в БИ №7, 1992), включающее две связанные между собой резьбой с возможностью продольного перемещения одна относительно другой коаксиальные трубы с кольцевыми упорами на односторонних торцах, последовательно установленные на конце внутренней трубы под кольцевым упором наружной трубы кольцевой герметизатор из эластичного материала и распорное кольцо из эластичного материала, систему нагнетания жидкости во внутреннюю трубу, узел вращения труб одна относительно другой. Распорное кольцо выполнено из связанных между собой с помощью пружины секторов с выточками на внутренних поверхностях, образующих конусный кольцевой паз. Кольцевой упор внутренней трубы выполнен в виде раструба, установленного в кольцевом пазу.
Это устройство предназначено для реализации способов с предварительным созданием инициирующих щелей, с которыми оно сцепляется для исключения выталкивания из скважины давлением нагнетаемой рабочей жидкости. Оно не способно работать в новых способах, в которых используют принципы, позволяющие осуществлять ориентированный разрыв горной породы без начальных щелей, прорезаемых механическим путем, что существенно ограничивает его возможности.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является скважинное устройство для образования направленных трещин (патент РФ №1806265, кл. Е21С 37/04, опубл. в БИ №12, 1993), включающее две коаксиально установленные трубы, связанные между собой посредством резьбового соединения, на торцах которых выполнены конические упоры с вершинами, обращенными одна к другой, узел вращения труб, поршень, установленный во внутренней трубе, и герметизирующую втулку, размещенную между коническими упорами. Герметизирующая втулка выполнена из монолитного материала, переходящего под действием внешней нагрузки в сыпучее состояние.
При использовании этого устройства необходимо разрушать втулку для герметизации скважины и иметь дополнительное оборудование для извлечения его из скважины после разрыва горной породы. Все это обуславливает относительно низкую эффективность работы устройства из-за сравнительно высокой трудоемкости его эксплуатации.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности работы устройства за счет снижения трудоемкости его эксплуатации.
Задача решается тем, что в скважинном устройстве для образования направленных трещин, включающем две коаксиально установленные трубы, связанные между собой посредством резьбового соединения, поршень, установленный во внутренней трубе, кольцевые упоры и герметизирующую втулку, размещенную между кольцевыми упорами, согласно техническому решению кольцевые упоры выполнены на внешней трубе, герметизирующая втулка выполнена в виде навитого на внешнюю трубу рукава из проницаемого для жидкости материала и заполненного порошком, который при взаимодействии с жидкостью образует отвердевающую смесь, сцепляющуюся с горной породой. Конец внешней трубы со стороны герметизирующей втулки выполнен в виде цанги, образующей концами лепестков один из указанных кольцевых упоров. Поршень выполнен в виде винта, связанного резьбовым соединением с накидной гайкой, навинченной на свободный конец внутренней трубы.
Выполнение кольцевых упоров на внешней трубе и герметизирующей втулки в виде навитого на внешнюю трубу рукава из проницаемого для жидкости материала, заполненного порошком, который при взаимодействии с жидкостью образует отвердевающую смесь, сцепляющуюся с горной породой, позволяет герметизировать скважину после подачи в нее устройства без дополнительных операций. Выполнение конца внешней трубы со стороны герметизирующей втулки в виде цанги, образующей концами лепестков один из указанных кольцевых упоров, обеспечивает удержание устройства от выталкивания его из скважины давлением рабочей жидкости, когда внутренняя труба входит в цангу, прижимая ее лепестки к внутренней поверхности герметизирующей втулки. При выкручивании внутренней трубы из внешней трубы лепестки цанги приобретают способность отжиматься внутрь герметизирующей втулки, обеспечивая возможность свободного извлечения устройства из скважины без трудоемких операций и дополнительного оборудования на разрушение и извлечение герметизирующей втулки. Использование при этом в качестве поршня винта обусловлено тем, что устройство предназначено для разрыва горной породы пластичными веществами, обладающими свойством герметика, не продавливающегося через винтовые пары при давлении, обеспечивающем разрыв горной породы любой прочности. Поэтому такое решение при сохранении требований к устройству снижает трудоемкость его изготовления за счет исключения операций по притирке поршня к внутренней поверхности внутренней трубы. Связь винта резьбовым соединением с накидной гайкой, навинченной на свободный конец внутренней трубы, обеспечивает постоянство длины резьбового соединения винта с устройством, не зависящее от величины вхождения винта во внутреннюю трубу. В результате обеспечивается разрыв горной породы без операций по разрушению герметизирующей втулки и извлечение устройства из скважины после разрыва горной породы - без дополнительного оборудования. Все это повышает эффективность устройства за счет снижения трудоемкости его эксплуатации.
Целесообразно другой из указанных кольцевых упоров выполнить двухступенчатым и на ступень с меньшим диаметром надеть кольцо в виде круга с круглым отверстием, смещенным относительно центра круга, при этом центр указанной ступени сместить относительно продольной оси устройства. Это без выполнения дополнительных операций исключает вращение внешней трубы в скважине при выкручивании из нее внутренней трубы, что повышает эффективность устройства за счет снижения трудоемкости его эксплуатации.
Целесообразно для заполнения рукава использовать порошок, который при взаимодействии с жидкостью образует отвердевающую смесь, расширяющуюся при отвердении. Это исключает продольное перемещение герметизирующей втулки относительно скважины не только из-за ее сцепления с горной породой путем приклеивания к ней, но и из-за распора в стенки скважины, что повышает надежность работы устройства, за счет чего снижается трудоемкости его эксплуатации.
Целесообразно между внешней трубой и герметизирующей втулкой поместить втулку из тонкого материала. Это предотвращает прилипание лепестков цанги к внутренней поверхности герметизирующей втулки, что снижает трудоемкость эксплуатации устройства, благодаря облегчению его извлечения из скважины после разрыва горной породы.
Целесообразно внутреннюю трубу на конце со стороны цанги выполнить сужающейся в сторону концов лепестков цанги. Это освобождает внутреннюю трубу от зажатия ее лепестками цанги уже на первом обороте ее выкручивания из внешней трубы. Поэтому дальнейшее выкручивание внутренней трубы из внешней трубы проходит при сравнительно малом трении и, следовательно, с меньшей трудоемкостью, что повышает эффективность работы устройства.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения скважинного устройства для образования направленных трещин и чертежами.
На фиг. 1 показан общий вид скважинного устройства для образования направленных трещин, продольный разрез; на фиг. 2 - разрез Α-A на фиг. 1; на фиг. 3 - часть устройства, примыкающая к другому из указанных кольцевых упоров, в увеличенном размере.
Скважинное устройство для образования направленных трещин (фиг. 1, 2) включает две коаксиально установленные трубы: внешнюю трубу 1 (далее - труба 1) и внутреннюю трубу 2 (далее - труба 2). Трубы 1 и 2 связаны между собой посредством резьбового соединения 3. В трубе 2 установлен поршень в виде винта 4. Для вращения трубы 2 на ее конце со стороны винта 4 установлены рукоятки 5. На трубе 1 выполнены два кольцевых упора 6 и 7 (далее - упор 6 и упор 7). Между упорами 6 и 7 размешена герметизирующая втулка, выполненная в виде навитого на трубу 1 рукава 8 из проницаемого для жидкости материала, заполненного порошком, который при взаимодействии с жидкостью образует отвердевающую смесь, сцепляющуюся с горной породой. Конец трубы 1 со стороны герметизирующей втулки выполнен в виде цанги, образующей концами ее лепестков 9 один из указанных кольцевых упоров - упор 7. Винт 4 связан резьбовым соединением 10 с накидной гайкой 11, навинченной на свободный конец трубы 2, и снабжен рукояткой 12 для вращения. Другой из указанных кольцевых упоров - упор 6 выполнен двухступенчатым. На его ступень 13 с меньшим диаметром надето кольцо 14 в виде круга с круглым отверстием, смещенным относительно центра круга. Центр ступени 13 смещен относительно продольной оси устройства. Рукав 8 может быть заполнен порошком, который при взаимодействии с жидкостью образует отвердевающую смесь, расширяющуюся при отвердении. Между трубой 1 и герметизирующей втулкой помещена втулка (на фиг. не показана) из тонкого материала. Труба 2 на конце 15 со стороны цанги выполнена сужающейся в сторону концов лепестков 9 цанги. Для исключения схода кольца 14 со ступени 13 на трубу 1 надето упругое кольцо 16. Устройство заполнено пластичным веществом 17 (далее - вещество 17) и подано в скважину 18, в забое которой сформирована трещина 19.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Устройство заполняют веществом 17 и со стороны герметизирующей втулки опускают в сосуд с жидкостью, которой пропитывают рукав 8. Затем устройство подают в скважину 18 до упора в забой, в которой в плоскости предполагаемого разрыва горной породы предварительно создана инициирующая трещина (на фиг. не показана из-за малых ее размеров) известным способом. При взаимодействии жидкости и заполнившего рукав 8 порошка образуется смесь, которая отвердевает, расширяется, сцепляется с горной породой и, таким образом, без выполнения дополнительных операций надежно герметизирует скважину 18 и исключает возможность перемещения по ней герметизирующей втулки. После отвердения указанной смеси вращением винта 4 вытесняют вещество 17 из устройства в предварительно созданную в забое скважины 18 инициирующую трещину (концентратор напряжений малых размеров) с образованием трещины 19. Размеры трещины 19 оценивают по объему поданного в нее вещества 17. Отметим, что при одноразовой подаче устройства в скважину 18 заполнять его веществом 17 можно многократно (при необходимости подачи в трещину 19 вещества 17 в объеме, больше объема устройства). Образовав трещину 19 проектных размеров, сбрасывают давление в веществе 17 выкручиванием винта 4 из трубы 2. Затем выкручивают трубу 2 из трубы 1, от чего лепестки 9 цанги освобождаются от их принудительного прижатия к внутренней поверхности герметизирующей втулки и обеспечивают свободное извлечение устройства из скважины 18.
Для работы устройства необходимо герметизировать скважину 18 и удерживать устройство от его выталкивания из скважины 18 давлением нагнетаемого вещества 17. Обе эти функции может выполнять втулка из твердого материала, прочно сцепленная со стенками скважины 18. В предлагаемом устройстве такая втулка образуется при отвердении и расширении отвердевающей смеси жидкости и заполняющего рукав 8 порошка. Сцепление с горной породой такой втулки происходит за счет приклеивания и придавливания ее внешней поверхности к стенкам скважины 18. Для снижения влияния на работу устройства зазора между ним и стенками скважины 18, через который может поддавливаться указанная смесь в жидком состоянии, нужно, чтобы ее расширение происходило при отвердении. Это требование выполняется при использовании в качестве порошка невзрывчатого разрушающего средства (НРС). Отметим, что для исключения разрушения стенок скважины 18 НРС, его требуемое количество рассчитывают по известной методике или определяют экспериментально.
Усилие вращения трубы 2 передается трубе 1 из-за трения в их резьбовом соединении 3. Поэтому труба 1 может начать вращаться при выкручивании из нее трубы 1, когда лепестки 9 цанги отожмутся от внутренней поверхности герметизирующей втулки, но концы цанги еще не сойдутся настолько, чтобы свободно проходить через герметизирующую втулку. Чтобы этого не происходило, в устройстве предусмотрен узел (фиг. 3), исключающий вращение трубы 1 в скважине 18. Он включает двухступенчатый упор 6 и кольцо 14, надетое на ступень 13. При этом кольцо 14 можно считать кругом, а ступень 13 - его осью вращения, которая смещена относительно центра круга и оси устройства. Таким образом, образуется эксцентричная связь между кольцом 14 и упором 6. Величину смещения ступени 13 по отношению к оси устройства выбирают из условия исключения вращения в скважине 18 кольца 14 относительно упора 6 или жестко связанной с ним трубы 1. Отметим, что надежность работы указанного узла подтверждена неоднократно практически.