УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОРАЗРЫВА ГОРНЫХ ПОРОД
DEVICE FOR HYDRAULIC FRACTURE OF ROCKS

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 пакерный уплотнительный элемент (патент RU №2107151, E21B 33/12, опубл. 20.03.1998 г.), содержащий кольцо трапецеидального сечения из эластичного материала, установленное на стволе пакера с возможностью взаимодействия его боковых сторон с упорами пакера, при этом уплотнительный элемент армирован распорным упругим элементом и ограничительными элементами, повторяющими углы наклона его боковых сторон и выполненными в виде металлических пластин в форме усеченных секторов, дуга окружности которых описана радиусом, меньшим радиуса внутренней стенки уплотняемой трубы на величину критического зазора для данного вида эластичного материала, обеспечивающим его работоспособность при заданном давлении, при этом боковые стороны уплотнительного элемента имеют угол наклона, не равный углу наклона упоров пакера в транспортном положении, а металлические пластины с каждой боковой стороны установлены между собой с перекрытием площади поперечного сечения уплотнительного элемента и соединены периферийной частью со срединной частью распорного упругого элемента жесткими связями с шарнирными соединениями.
Недостатками этого технического решения являются жесткие связи, соединяющие срединную часть распорного упругого элемента с ограничительными элементами, а распорный упругий элемент имеет однородные свойства по длине. Эти признаки при сжатии уплотнительного элемента приводят к его неравномерному радиальному расширению, что снижает качество герметизации и может привести к разрушению горной породы.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для гидроразрыва пород в скважине (патент РФ №2268359, E21B 43/26, опубл. 20.01.2006 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, заполняя 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 его герметизирующей способности и упругих свойств упругих уплотнительных элементов.
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 корпуса, 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 различными упругими свойствами с возможностью равномерного радиального расширения этих уплотнительных элементов по всей их длине. Армирование упругих уплотнительных элементов из мягкого материала жесткими элементами с различными упругими свойствами распределяет нагрузку от сжатия по их длине и обеспечивает равномерное радиальное расширение, что повышает их герметизирующую способность. Наличие жестких армирующих элементов также повышает упругие свойства упругих уплотнительных элементов, что позволяет восстанавливать первоначальную форму после снятия внешней нагрузки и дает возможность многократного использования устройства без замены упругих уплотнительных элементов, повышая его эффективность.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения устройства для гидроразрыва горных пород 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, выполненные из мягкого материала и армированные жесткими элементами с различными упругими свойствами для восстановления их первоначальной формы после снятия внешнего усилия, например, стальными винтовыми пружинами 5 (далее - пружины 5) и стальной винтовой пружиной 6 (далее - пружина 6) с более упругими свойствами, чем пружины 5, шайбы 7, установленные на стыке пружин 5 и 6 с различными свойствами, поршень 8 и цилиндр 9, образующие между упругими уплотнительными элементами 4 поршневую пару, причем в цилиндре 9 выполнено радиальное отверстие 10. Стопорящая гайка 11 фиксирует в исходном положении упругие уплотнительные элементы 4 с пружинами 5, 6, шайбы 7 и поршневую пару. Поршень 8 и цилиндр 9 поршневой пары образуют рабочую камеру 12, сообщенную с каналом 2. Уплотнительные кольца 13 обеспечивают герметичность поршневой пары по ее рабочим поверхностям. Радиальное отверстие 10 выполнено с возможностью сообщения с рабочей камерой 12 поршневой пары при пакеровании скважины упругими уплотнительными элементами 4 и дополнительного сжатия упругих уплотнительных элементов 4 при давлении гидроразрыва с самозапиранием изолированного участка скважины. Упругие уплотнительные элементы 4 армированы жесткими элементами с различными упругими свойствами с возможностью равномерного радиального расширения этих уплотнительных элементов по всех их длине.
Устройство работает следующим образом. Перед началом работы осуществляется сборка (фиг. 1) и установка устройства в скважине. Затем через канал 2 в корпусе 1 подается рабочая жидкость в рабочую камеру 12 поршневой пары, которая под действием давления рабочей жидкости начинает раздвигаться и, перемещаясь по корпусу 1, начинает сжимать упругие уплотнительные элементы 4. На первом этапе упругие уплотнительные элементы 4 сжимаются на участке пружин 5 за счет их низкой жесткости, затем при увеличении давления происходит сжатие на участках с пружиной 6. Таким образом, за счет армирующих элементов с разной жесткостью происходит поэтапное сжатие упругих уплотнительных элементов 4, что обеспечивает их равномерное по всей длине упругих уплотнительных элементов 4 расширение в радиальном направлении, что повышает качество герметизации. В процессе герметизации участка скважины наступает момент, когда радиальное отверстие 10, выполненное в цилиндре 9 поршневой пары, выходит за границу поршня 8 (фиг. 2). С этого момента рабочая жидкость начинает поступать в изолированный упругими уплотнительными элементами 4, армированными пружинами 5 и 6, 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 и 6, упругие уплотнительные элементы 4, выполненные из мягкого материала, восстанавливают свою первоначальную форму.