УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОРАЗРЫВА ПОРОД В СКВАЖИНЕ
DEVICE FOR HYDRAULIC FRACTURE OF ROCKS IN WELL

Техническое решение относится к горному делу, в частности к приборам горной геофизики, и предназначено для определения напряжений в породном массиве путем нагнетания жидкости под давлением в герметизированный участок скважины до разрушения ее стенок.
Известно устройство для гидроразрыва пород в скважине по авт. св. СССР №1737116, кл. Е21С 39/00, опубл. в БИ №20, 1992 г., включающее цилиндрический корпус с установленными на его концах уплотнительными элементами и механизм сжатия последних. В корпусе выполнены два канала, механизм сжатия уплотнительных элементов выполнен в виде установленной на корпусе между уплотнительными элементами поршневой пары с отверстием в цилиндре, рабочая камера поршневой пары соединена с одним из каналов корпуса, а второй канал корпуса сообщен с отверстием цилиндра.
Недостатком данного устройства является то, что для подвода жидкости в каналы цилиндрического корпуса, соединенные с рабочей камерой поршневой пары и с отверстием в цилиндре, необходимо иметь два подводящих трубопровода, что утяжеляет конструкцию, затрудняет монтаж устройства в скважине. Кроме того, незначительная разгерметизация любого подводящего трубопровода снижает надежность работы устройства в целом.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для гидроразрыва пород в скважине по патенту РФ №2320870, кл. Е21С 39/00, опубл. в БИ №9, 2008 г., включающее цилиндрический корпус с установленными на его концах уплотнительными элементами, механизм сжатия которых выполнен в виде установленной на цилиндрическом корпусе между уплотнительными элементами поршневой пары с отверстием в цилиндре, и с выполненными в цилиндрическом корпусе двумя каналами, один из которых соединен с рабочей камерой поршневой пары, а другой - с отверстием в ее цилиндре. В цилиндрическом корпусе со стороны торца установлены соосно два обратных клапана, один из которых имеет с одной стороны хвостовик, выступающий из цилиндрического корпуса и опертый на эксцентрик рукоятки управления, а с противоположной стороны - зауженной формы толкатель, установленный с возможностью взаимодействия с другим обратным клапаном.
Недостатком данного устройства является то, что при его размещении на расстоянии более 10 метров от устья скважины сложно обеспечить установку рукоятки управления в требуемые позиции, задающие угол поворота эксцентрика. Это приводит к недостаточно точным перемещениям хвостовика, выступающего из цилиндрического корпуса и опертого на эксцентрик рукоятки управления, влечет за собой нарушение последовательности сообщения выполненных в цилиндрическом корпусе двух каналов с каналом для подвода жидкости, что затрудняет процесс управления гидроразрывом, снижая надежность работы устройства.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, заключается в повышении надежности работы устройства за счет упрощения процесса управления им.
Задача решается тем, что в устройстве для гидроразрыва пород в скважине, включающем цилиндрический корпус с каналом для подвода жидкости, установленные на концах цилиндрического корпуса уплотнительные элементы, механизм сжатия последних в виде установленной на корпусе между уплотнительными элементами поршневой пары с отверстием в цилиндре, установленный в цилиндрическом корпусе со стороны торца обратный клапан и выполненные в цилиндрическом корпусе два канала, первый из которых соединен с рабочей камерой поршневой пары, а второй - с отверстием в ее цилиндре, согласно предлагаемому техническому решению в цилиндрическом корпусе установлен золотник с шейкой в средней части, один торец которого оперт на пружину, установленную в предклапанной полости обратного клапана, а другой торец входит в кольцевую проточку, выполненную в цилиндрическом корпусе и сообщенную с заклапанной полостью обратного клапана и первым каналом, причем указанный золотник установлен с возможностью осевого перемещения и сообщения второго канала с каналом для подвода жидкости.
Указанная совокупность признаков позволяет управлять последовательностью сообщения двух каналов, выполненных в цилиндрическом корпусе, с каналом для подвода жидкости при помощи установленного в корпусе золотника с шейкой в средней части. Последним управляют путем изменения давления жидкости от насоса, при этом хвостовик, выступающий из цилиндрического корпуса, перемещают только после завершения гидроразрыва пород с целью демонтажа устройства, что не требует большой точности. Это упрощает процесс управления устройством, повышая надежность его работы, особенно при размещении устройства на больших расстояниях от устья скважины.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами. На фиг.1 показано устройство для гидроразрыва пород в скважине, общий вид с частичным вертикальным разрезом; на фиг.2 - место А на фиг.1 в увеличенном масштабе в разрезе.
Устройство для гидроразрыва пород в скважине (далее устройство) состоит (фиг.1) из цилиндрического корпуса 1 (далее корпус 1), установленных на его концах уплотнительных элементов 2 и механизма сжатия последних в виде установленной на корпусе 1 между уплотнительными элементами 2 поршневой пары 3 с отверстием 4 в цилиндре. Внутри корпуса 1 выполнены два канала: первый канал 5 (далее канал 5), соединенный с рабочей камерой (поз. не обозначена) поршневой пары 3, и второй канал 6 (далее канал 6), соединенный с отверстием 4 в цилиндре поршневой пары 3. В корпусе 1 со стороны торца (фиг.2) установлен обратный клапан 7 (далее клапан 7), выполненный с хвостовиком 8, выступающим из корпуса 1. Клапан 7 прижат к седлу 9 пружиной 10. В корпусе 1 установлен также золотник 11 с шейкой 12 в средней части, один торец которого оперт на пружину 13, установленную в предклапанной полости 14 клапана 7, а другой торец, в исходном положении, расположен в кольцевой проточке 15, сообщенной с каналом 5 и заклапанной полостью 16 клапана 7, как показано на фиг.2. Гнездо 17 для подвода жидкости в устройство соединено каналом 18 для подвода жидкости (далее канал 18) с предклапанной полостью 14 клапана 7 и кольцевой проточкой 19, а кольцевая проточка 20 - с каналом 6, как показано на фиг.2.
Работает устройство следующим образом. Устройство с подсоединенным к гнезду 17 (фиг.2) подводящим трубопроводом устанавливают в скважине на выбранной глубине, после чего включают насос и нагнетают жидкость. Жидкость по каналу 18 поступает в предклапанную полость 14, преодолев усилие пружины 10, открывает клапан 7 и поступает в заклапанную полость 16, из которой по каналу 5 проходит в рабочую камеру поршневой пары 3 (фиг.1) и в кольцевую проточку 15 под торец золотника 11. При этом золотник 11 удерживается пружиной 13 в исходном положении, поскольку давление в предклапанной полости 14 выше, чем давление в канале 5 за счет перепада давления на клапане 7, а давление жидкости, подводимой к проточке 19 не вызывает осевых перемещений золотника 11. При поступлении жидкости в рабочую камеру поршневой пары 3 последняя раздвигается, сжимая уплотнительные элементы 2, которые, расширяясь в радиальном направлении, соприкасаются со стенками скважины и герметизируют исследуемый участок скважины (фиг.1). После герметизации исследуемого участка скважины насос выключают, при этом давление в предклапанной полости 14 падает до атмосферного, клапан 7 прижимается пружиной 10 к седлу 9, и давление в заклапанной полости 16, кольцевой проточке 15, канале 5 и рабочей камере поршневой пары 3 сохраняется на прежнем высоком уровне. Высокое давление в кольцевой проточке 15 обеспечивает сжатие пружины 13 и перемещение золотника 11 в осевом направлении до положения, при котором перекрывается сообщение канала 18 с предклапанной полостью 14 клапана 7 и благодаря шейке 12 сообщаются кольцевые проточки 19 и 20. В этом положении золотника 11 после очередного включения насоса жидкость по каналу 18 через проточки 19 и 20 поступает в канал 6 и далее в герметизированный участок скважины. Давление жидкости в герметизированном участке скважины можно многократно изменять от атмосферного до максимально допустимого значения, определяемого прочностными свойствами материала уплотнительных элементов 2, например, до 60 МПа при изготовлении последних из полиуретана. Рабочие параметры давления в процессе нагружения и разрушения стенок герметизированного участка скважины регистрируют и затем интерпретируют в терминах напряжений, действующих в породном массиве. Для извлечения устройства из скважины давление в насосе сбрасывают до атмосферного и хвостовик 8, выступающий из корпуса 1, перемещают до открытия клапана 7. При этом жидкость из рабочей камеры поршневой пары 3 и кольцевой проточки 15 проходит на слив по каналу 5, заклапанной полости 16, предклапанной полости 14, каналу 18 и гнезду 17.