УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОРАЗРЫВА ГОРНЫХ ПОРОД

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для герметизации участка скважины при проведении из нее поинтервального гидроразрыва участка массива горной породы.
Известен пакер (авт.св. СССР №300593, E21, 33/12, опубл. в Бюл. №13 за 1971 г.), состоящий из корпуса, штока с радиальными каналами и эластичных уплотнительных элементов с опорными втулками. Опорные втулки имеют каналы, сообщающие после снятия осевой нагрузки внутритрубное пространство между уплотнительными элементами и стенкой скважины.
Недостатком данного устройства является то, что при повышении во внутритрубном пространстве давления, действующего на эластичные уплотнительные элементы, увеличиваются осевые усилия, которые, превысив усилия, обусловленные трением, могут выдавить пакер из скважины. Таким образом, область применения таких устройств существенно сужена.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для гидроразрыва пород в скважине (патент РФ №2268359, E21B 43/26, опубл. в Бюл. №2 за 2006 г.), состоящее из корпуса с каналом, установленных на нем упругих уплотнительных элементов, между которыми размещена поршневая пара с уплотнительными кольцами, и стопорящей гайки, при этом рабочая камера поршневой пары сообщена с каналом, а в ее цилиндре выполнено радиальное отверстие с возможностью сообщения с рабочей камерой поршневой пары при пакеровании скважины упругими уплотнительными элементами и дополнительного сжатия упругих уплотнительных элементов при давлении гидроразрыва с самозапиранием изолированного участка скважины.
Недостатком этого устройства является то, что упругие уплотнительные элементы не обладают необходимыми характеристиками для их широкого применения. При подаче рабочей жидкости в рабочую камеру поршневой пары при проведении гидроразрыва участка массива горных пород упругие уплотнительные элементы, выполненные, например, из мягкого материала типа резины, деформируются, «затекая» в неровности и трещины в стенках скважины, а после сброса давления не восстанавливают первоначальную форму из-за превышения сил трения над упругими свойствами материала упругих уплотнительных элементов. Это не дает возможности их повторного применения. При использовании упругих уплотнительных элементов из более твердых материалов, к примеру, из полиуретана, в процессе герметизации скважины, пробуренной в мягких горных породах, происходит вдавливание упругих уплотняющих элементов в стенки скважины, что разрушает внутреннюю поверхность скважины и делает невозможным дальнейшее проведение гидроразрыва. В процессе герметизации скважины, пробуренной в прочных горных породах, требуемая герметичность в большинстве случаев не достигается из-за неровностей в виде выступов и сколов, остающихся на поверхности стенок скважины от бурового инструмента. Таким образом, применение таких устройств с упругими уплотнительными элементами повышенной упругости для гидроразрыва горных пород в скважине также не эффективно.
Технической задачей предлагаемого решения является повышение эффективности устройства для гидроразрыва горных пород за счет повышения упругих свойств упругих уплотняющих элементов при высокой их герметизирующей способности.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для гидроразрыва горных пород, состоящем из корпуса с каналом, установленных на нем упругих уплотнительных элементов, между которыми размещена поршневая пара с уплотнительными кольцами, и стопорящей гайки, при этом рабочая камера поршневой пары сообщена с каналом, а в ее цилиндре выполнено радиальное отверстие с возможностью сообщения с рабочей камерой поршневой пары при пакеровании скважины упругими уплотнительными элементами и дополнительного сжатия упругих уплотнительных элементов при давлении гидроразрыва с самозапиранием изолированного участка скважины, согласно техническому решению упругие уплотнительные элементы выполнены из мягкого материала и армированы жесткими элементами с упругими свойствами для восстановления их первоначальной формы после снятия внешнего усилия. Армирование упругих уплотнительных элементов из мягкого материала жесткими элементами с упругими свойствами значительно повышает упругие свойства упругих уплотнительных элементов при высокой их герметизирующей способности, позволяет восстанавливать первоначальную форму после снятия внешнего усилия, что дает возможность его многократного использования без замены упругих уплотнительных элементов, повышая эффективность устройства.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения устройства и чертежами фиг.1, 2. На фиг.1 изображен продольный разрез устройства для гидроразрыва горных пород в исходном состоянии, на фиг.2 - то же в рабочем состоянии.
Устройство для гидроразрыва горных пород состоит из корпуса 1 (фиг.1, 2), в котором выполнен канал 2 и внутренняя резьба 3 для присоединения к магистрали. На корпусе 1 установлены упругие уплотнительные элементы 4, изготовленные из мягкого материала и армированные жесткими элементами с упругими свойствами для восстановления их первоначальной формы после снятия внешнего усилия, например, стальной винтовой пружиной 5 (далее - пружина 5), поршень 6 и цилиндр 7, образующие между упругими уплотнительными элементами поршневую пару, в цилиндре 7 выполнено радиальное отверстие 8. Стопорящая гайка 9 фиксирует в исходном положении упругие уплотнительные элементы 4 с пружинами 5 и поршневую пару. Поршень 6 и цилиндр 7 поршневой пары образуют рабочую камеру 10, сообщенную с каналом 2. Уплотнительные кольца 11 обеспечивают герметичность поршневой пары по ее рабочим поверхностям. Радиальное отверстие 8 выполнено с возможностью сообщения с рабочей камерой 10 поршневой пары при пакеровании скважины упругими уплотнительными элементами и дополнительного сжатия упругих уплотнительных элементов при давлении гидроразрыва с самозапиранием изолированного участка скважины.
Устройство работает следующим образом. Перед началом работы осуществляется сборка (фиг.1) и установка устройства в скважине. Затем через канал 2 подается рабочая жидкость в рабочую камеру 10 поршневой пары, которая под действием давления рабочей жидкости начинает раздвигаться и, перемещаясь по корпусу 1, сжимает упругие уплотнительные элементы 4 вместе с пружинами 5. Упругие уплотнительные элементы 4, расширяясь в радиальном направлении, соприкасаются со стенками скважины и герметизируют ее участок. В процессе герметизации участка скважины наступает момент, когда радиальное отверстие 8, выполненное в цилиндре 7 поршневой пары, выходит за границу поршня 6 (фиг.2). С этого момента рабочая жидкость начинает поступать в изолированный упругими уплотнительными элементами 4, армированными пружинами 5, участок скважины. При повышении давления в изолированном участке скважины до давления, при котором происходит гидроразрыв стенки скважины, рабочая жидкость, воздействуя на упругие уплотнительные элементы 4, выполненные из мягкого материала, дополнительно сжимает их, надежно герметизируя изолированный участок скважины. После прекращения подачи рабочей жидкости, благодаря упругим свойствам пружин 5, упругие уплотнительные элементы 4, выполненные из мягкого материала, восстанавливают свою первоначальную форму, что позволяет использовать их многократно.