УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ СФЕРИЧЕСКИХ РАСШИРЕНИЙ В СКВАЖИНАХ
DEVICE FOR FORMATION OF SPHERICAL EXPANSIONS IN WELLS

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для создания в породных массивах полостей, имеющих форму шара.
Известен расширитель концевой части шпура по патенту РФ №2011780, кл. Е21В 7/28, опубл. 30.04. 1994 г., включающий корпус с продольными пазами, размещенные в пазах корпуса с возможностью поворота на осях резцы, установленный в корпусе с возможностью взаимодействия с тыльной частью резцов зафиксированный от проворота и имеющий осевой канал подпружиненный толкатель и опорный элемент, размещенный на нижнем торце корпуса. Тыльные части резцов выполнены в виде сектора, в центре которого установлена ось резца. В корпусе выполнены канавки, радиус дна которых равен радиусу сектора и в которых размещены тыльные части резцов. В нижней части корпуса выполнены осевой и сквозные радиальные каналы. Опорный элемент выполнен в виде шаровой пяты. Корпус намагничен.
В этом устройстве резцы не могут поворачиваться на 180° и их оси поворота не проходят через ось скважины. Из-за этого оно расширяет скважины с образованием полостей, форма которых отличается от шаровой, что для решения некоторых задач, например оценки напряженного состояния горных пород, обуславливает низкую достоверность получаемой информации. Поэтому при условии, когда отклонение формы полости от формы шара имеет существенное значение, это устройство обладает сравнительно низкой эффективностью.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для образования сферических расширений в скважинах по авторскому свидетельству СССР №1307053, кл. Е21В 7/28, опубл. 30. 04. 1987 г., включающее корпус с узлом связи с приводом вращения корпуса вокруг продольной оси, рабочие органы с наружными режущими кромками, установленные в корпусе с возможностью поворота в продольной осевой плоскости корпуса и выдвижения за его пределы, механизм поворота рабочих органов в виде поршня, установленного в корпусе с возможностью продольного перемещения, и привода продольного перемещения поршня. Устройство снабжено тягой, связывающей поршень с рабочими органами, а последние расположены противонаправленно на общей оси, проходящей через продольную ось корпуса в перпендикулярной плоскости выдвижения рабочих органов.
Устройство обладает относительно высокой трудоемкостью эксплуатации из-за необходимости перед работой устанавливать режущие органы в рабочее положение, взводить пружины и фиксировать их стопорной пластиной и гайкой с выступами. Извлечение этого устройства из скважины возможно лишь после образования сферического расширения, когда рабочие органы повернутся на 180°, что обуславливает сравнительно низкую надежность его работы.
Решаемая техническая задача заключается в снижении трудоемкости эксплуатации устройства за счет уменьшения операций подготовки его к работе и повышении надежности работы устройства за счет возможности извлечения его из скважины вне зависимости от стадии формирования сферического расширения.
Задача решается тем, что в устройстве для образования сферических расширений в скважинах, включающем корпус с узлом связи с приводом вращения корпуса вокруг его продольной оси, рабочие органы с наружными режущими кромками, установленные в корпусе с возможностью выдвижения за его пределы, согласно техническому решению рабочие органы выполнены в виде упругих пластин, образующих эллипсы, совмещенные большими осями между собой и продольной осью корпуса, наружные режущие кромки рабочих органов выполнены в виде вставок, установленных на внешних сторонах упругих пластин с возможностью сохранения формы при деформации упругих пластин, в корпусе выполнены сквозные продольные прорези, в которые введены рабочие органы, а узел связи с приводом вращения корпуса вокруг его продольной оси выполнен с возможностью ограниченного продольного перемещения внутри корпуса и для выдвижения рабочих органов за пределы корпуса образует с опорой устройства, скрепленной с концом корпуса, механизм сжатия эллипсов вдоль их больших осей, при этом эллипсы механически связаны с опорой и указанным узлом связи и размещены между ними.
Выполнение рабочих органов в виде упругих пластин, образующих эллипсы, совмещенные большими осями между собой и продольной осью корпуса, обеспечивает при сжатии эллипсов вдоль их больших осей на определенную величину придание рабочим органам формы в виде окружности. За счет этого при вращении рабочих органов вокруг продольной оси корпуса образуется полость в форме шара. При этом извлечение устройства из скважины можно осуществлять после прекращения сжатия эллипсов независимо от стадии формирования сферического расширения, так как с прекращением сжатия эллипсов рабочие органы под действием силы упругости упругих пластин возвращаются в исходное положение. Выполнение наружных режущих кромок рабочих органов в виде вставок, установленных на внешних сторонах упругих пластин с возможностью сохранения формы при деформации упругих пластин, позволяет изготавливать рабочие органы для алмазного резания горных пород по известным испытанным технологиям, что повышает надежность работы устройства. Благодаря тому что в корпусе выполнены сквозные продольные прорези, в которые введены рабочие органы, осью вращения рабочих органов становится сам корпус, обладающий максимально большим диаметром, из-за чего удельные нагрузки на упругие пластины в пределах корпуса оказываются сравнительно небольшими, что повышает надежность работы устройства. Узел связи с приводом вращения корпуса вокруг его продольной оси выполнен с возможностью ограниченного продольного перемещения внутри корпуса и образует с опорой устройства, скрепленной с концом корпуса, механизм сжатия, чтобы сжимать эллипсы вдоль их больших осей и тем самым выдвигать рабочие органы за пределы корпуса. Эллипсы механически связаны с опорой и указанным узлом связи и размещены между ними для обеспечения взаимодействия механизма сжатия и эллипсов. В результате снижается трудоемкость эксплуатации устройства за счет уменьшения операций подготовки его к работе и повышается надежность работы устройства за счет возможности извлечения его из скважины вне зависимости от стадии формирования сферического расширения.
Целесообразно вставки выполнить в виде пластин, на одну сторону которых нанести материал для резания горных пород, а к другой стороне каждой пластины прикрепить стержень, при этом в упругих пластинах выполнить сквозные отверстия, в которые вставить стержни вставок и скрепить их с упругими пластинами. Это обеспечивает независимость формы вставок от деформации упругих пластин и простоту замены вставок, что повышает надежность работы и снижает трудоемкость эксплуатации устройства.
Целесообразно вставки устанавливать только в местах возможного выхода упругих пластин за пределы корпуса. Это позволяет минимизировать количество вставок, что снижает трудоемкость эксплуатации устройства и упрощает его конструкцию, повышая тем самым надежность его работы.
Целесообразно указанный материал наносить на вставки слоем различной толщины S в зависимости от расположения вставок на упругих пластинах, при этом толщину S слоя определять из выражения:
где К - постоянный коэффициент;
R - радиус сферического расширения скважины;
L - расстояние на упругих пластинах от точки их пересечения с малой осью эллипса до границы зоны установки вставок;
r - радиус корпуса устройства.
Это при условии массового изготовления устройств, например, для их использования в технологиях проходки выработок в массивах прочных горных пород взрывными способами существенно уменьшает расход материала, используемого для резания горной породы, что снижает стоимость устройства.
Целесообразно упругие пластины выполнять из нескольких слоев. За счет этого расширяется диапазон упругой деформации упругих пластин, что повышает надежность работы устройства.
Целесообразно узел связи с приводом вращения корпуса вокруг продольной оси механически связать с эллипсами через пружину, выполненную с возможностью ограниченного сжатия. Благодаря этому нагрузка на рабочие органы ограничивается силой сжатия пружины и не зависит от усилий на приводе вращения корпуса вокруг продольной оси. Поэтому в этом случае для вращения устройства можно использовать практически любые буровые установки с приводом для вращения и подачи буровых штанг без опасения возникновения запредельных нагрузок на рабочие органы, что повышает надежность работы устройства.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения устройства для образования сферических расширений в скважинах и чертежами фиг. 1-5.
На фиг. 1 показан общий вид устройства для образования сферических расширений в скважинах в исходном состоянии, продольный разрез; на фиг. 2 - то же, после образования сферического расширения; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - устройство с пружиной в исходном состоянии, продольный разрез; на фиг. 5 - то же, после образования сферического расширения.
Устройство для образования сферических расширений в скважинах включает корпус 1 (фиг. 1) с узлом связи с приводом вращения корпуса 1 вокруг его продольной оси, рабочие органы с наружными режущими кромками, установленные в корпусе 1 с возможностью выдвижения за его пределы. Рабочие органы выполнены в виде упругих пластин 2 (далее -пластины 2), образующих эллипсы, совмещенные большими осями между собой и продольной осью корпуса 1. Наружные режущие кромки рабочих органов выполнены в виде вставок 3, установленных на внешних сторонах пластин 2 с возможностью сохранения формы при деформации пластин 2. В корпусе 1 выполнены сквозные продольные прорези 4, в которые введены рабочие органы. Узел связи с приводом вращения корпуса 1 вокруг его продольной оси выполнен с возможностью ограниченного продольного перемещения внутри корпуса 1 и для выдвижения рабочих органов за пределы корпуса образует с опорой 5 устройства, скрепленной с концом корпуса 1, механизм сжатия эллипсов вдоль их больших осей. При этом эллипсы механически связаны с опорой 5 и указанным узлом связи и размещены между ними. Вставки 3 выполнены в виде пластин, на одной стороне которых нанесен материал для резания горных пород, а к другой стороне каждой пластины прикреплен стержень (поз. не обозначен). В пластинах 2 выполнены сквозные отверстия (поз. не обозначены), в которые вставлены стержни вставок 3 и скреплены с пластинами 2, например, проволокой 6, протянутой через предварительно выполненные на концах стержней вставок 3 отверстия (поз. не обозначены). Вставки 3 установлены только в местах возможного выхода пластин 2 за пределы корпуса 1. Материал для резания горной породы нанесен на вставки 3 слоем различной толщины S в зависимости от места расположения вставок 3 на пластинах 2, при этом толщину S слоя определяют из выражения:
где К - постоянный коэффициент;
R - радиус сферического расширения скважины;
L - расстояние на пластинах 2 от точки их пересечения с малой осью эллипса до границы зоны установки вставок 3;
r - радиус корпуса 1.
Пластины 2 могут быть выполнены из нескольких слоев. Узел связи с приводом вращения корпуса 1 вокруг его продольной оси может быть механически связан с эллипсами через пружину 7 (фиг. 4, 5), выполненную с возможностью ограниченного сжатия. Узел связи с приводом вращения корпуса 1 вокруг его продольной оси может быть выполнен в виде трубы 8 с продольными прорезями 9 (далее - прорези 9), вставленной в корпус 1 и связанной с ним стержнем 10, установленным неподвижно поперек корпуса 1 и пропущенным через прорези 9. Стержень 10 может быть пропущен через радиальные отверстия (поз. не обозначены) в корпусе 1, иметь шляпку (поз. не обозначена) от выпадения из устройства и зафиксирован на корпусе 1 шпилькой 11. Промывочную жидкость к концу корпуса 1 с опорой 5 можно подавать через трубку 12, вставленную в стакан 13 с радиальными отверстиями 14 у дна. Дно стакана 13 скреплено со стержневым выступом 15 опоры 5, а трубка 12 гидравлически связана с трубой 8 через втулку 16. При этом втулка 16 может быть скреплена с трубкой 12 резьбой 17 и с трубой 8 резьбой 18. На трубке 12 можно выполнить кольцевой выступ 19 (далее - выступ 19) для принудительного возврата рабочих органов в исходное положение. Опора 5 может быть снабжена опорным подшипником 20 с обоймой 21, удерживаемой от выпадения из устройства шпилькой 22, скрепленной со стержневым выступом 23 опоры 5. Для исключения утечек промывочной жидкости в некоторых местах устройства могут быть установлены уплотнительные кольца 24. Устройство подано в скважину 25, в которой образовано сферическое расширение 26 (фиг. 2, 3, 5).
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Устройство подсоединяют к приводу вращения корпуса 1 вокруг продольной оси и подают в скважину 25 до упора в ее забой. К концу корпуса 1 с опорой 5 подают промывочную жидкость. Начинают вращение корпуса 1 и сжатие образованных пластинами 2 эллипсов вдоль их больших осей сближением втулки 16 к опоре 5, от чего происходит расширение скважины 25. Когда расширение скважины 25 становится сферическим, прекращают вращение корпуса 1, подачу промывочной жидкости и устройство извлекают из скважины 25. Отметим, что факт образования сферического расширения определяют по изменению характера реакции устройства на его вращение и прекращению выноса шлама из скважины 25 промывочной жидкостью.
Вставки 3 установлены только в местах возможного контакта рабочих органов с горной породой (фиг. 2 и 5). Места установки вставок 3 на пластинах 2 определяют по дуге окружности, являющейся проекцией сферического расширения 26 на плоскость, проходящую через продольную ось устройства, при этом дуга окружности ограничена образующей стенки скважины 25 (образующей внешнюю поверхность корпуса 1).
Величину, на которую следует сжимать эллипсы вдоль их больших осей, определяют из решения задачи преобразования эллипса в окружность, считая периметр эллипса равным длине окружности.
Толщину S слоя материала для резания горной породы на вставках 3 определяют путем математических преобразований при условии пропорциональности расхода указанного материала объему разрушаемой горной породы.
Устройство, показанное на фиг. 1-3, предполагается использовать в составе ручного инструмента для образования сферических расширений 26 в скважинах малой протяженности (шпурах), пройденных в труднодоступных для доставки крупногабаритной буровой техники местах. В таких условиях вращение корпуса 1 осуществляют переносными электрическими или пневматическими устройствами, а сжатие образующих эллипсы пластин 2 выполняют вручную. Пластины 2, как правило, имеют один слой и сравнительно легко сжимаются. Величина сжатия пластин 2 ограничена длиной прорези 9, а также расстоянием от выступа 19 до стакана 13. Из-за сравнительно легкой сжимаемости пластин 2 предусмотрена возможность их принудительного возвращения в исходное состояние выступом 19 на трубке 12 при перемещении трубы 8, сцепленной с трубкой 12 через втулку 16, в направлении от забоя скважины 25.
Использование сферических расширений 26 скважин 25 позволяет увеличивать эффективность проходки горных выработок. Обусловлено это тем, что разрушение горной породы давлением на поверхности полости в форме шара, например, газом при взрыве или жидкостью при гидравлическом разрыве происходит в основном растягивающими усилиями. Прочность же горной породы на растяжение в среднем на порядок меньше, чем на сжатие. Поэтому сферические расширения 26 скважин 25 существенно снижают энергоемкость разрушения. Устройство, которое предполагается использовать в составе механизированных комплексов при проходке горных выработок, показано на фиг. 4 и 5. Его особенность состоит в наличии пружины 7, выполненной с возможностью ограниченного сжатия, и пластин 2 из нескольких слоев, придающих им более высокую жесткость, что обеспечивает гарантированный их возврат в исходное состояние после снятие сжимающей нагрузки на эллипсы. Поэтому в устройстве на фиг. 4 и 5 нет выступа 19 для возврата рабочих органов в исходное состояние. Величина сжатия пластин 2 в нем ограничена расстоянием от образующей эллипса в месте ее пересечения трубкой 12 до стакана 13. Длина прорези 9 (фиг. 4 и 5) здесь обуславливает величину сжатия пружины 7 или усилие, с которым сжимаются эллипсы. После сжатия пружины 7 усилие от трубы 8 (фиг. 5) передается через стержень 10 корпусу 1 и не влияет на усилие сжатия эллипсов.