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

Техническое решение относится к горному делу, а именно к приборам горной геофизики, и может быть использовано для определения напряжений в породном массиве путем нагнетания жидкости под давлением в герметизированный участок скважины до разрушения ее стенок.
Известно устройство для гидроразрыва скважин по авт. св. СССР №877006, кл. Е21С 39/00, опубл. в БИ №40, 1981 г., включающее упругие оболочки, закрепленные на полых стержнях с радиальными и осевыми каналами, соединенных между собой трубой, неподвижные наружные и внутренние уплотнительные обоймы. Устройство снабжено регулируемым редукционным клапаном, установленным между оболочками, а внутренние уплотнительные обоймы закреплены на стержнях неподвижно посредством конических втулок.
Общими признаками аналога с предлагаемым техническим решением являются: корпус устройства (стержни, соединенные между собой трубой) с радиальными и осевыми каналами, уплотнительные элементы (оболочки), которые при подаче под них жидкости прижимаются к стенкам скважины и изолируют исследуемый ее участок.
Недостатком данного устройства является то, что концевая заделка упругих оболочек может устойчиво работать при давлении не выше 10 МПа. При более высоком давлении, а также при наличии каверн и неровностей на стенках скважины упругие оболочки выдавливает в кольцевой зазор между корпусом и скважиной, при этом герметизация исследуемого участка скважины не обеспечивается, что снижает надежность работы устройства. Кроме этого, регулируемый редукционный клапан не позволяет производить на исследуемом участке скважины необходимые для повышения достоверности эксперимента повторные циклы сброса и нагнетания жидкости, т.к. он поддерживает постоянный перепад давления под оболочками и в изолируемом участке, поэтому при сбрасывании давления для выполнения повторного гидроразрыва в исследуемом участке произойдет разгерметизация последнего.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является 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.
Общими признаками прототипа с предлагаемым решением являются: наличие в устройстве цилиндрического корпуса с выполненными в нем двумя каналами, расположение на его концах уплотнительных элементов и механизма сжатия последних между ними.
Недостатком данного устройства является низкая надежность его работы в случае увеличения диаметра скважины выше номинально допустимого значения (при наличии каверн и неровностей на ее стенках), что достаточно часто имеет место при бурении неоднородных массивов. В таких случаях уплотнительные элементы при сжатии плохо контактируют со стенками скважины, в результате чего теряют устойчивость, при этом происходит неравномерная деформация по длине уплотнительных элементов (они принимают форму «гармошки») и герметизация исследуемого участка скважины не обеспечивается.
Проблема заключается в создании устройства для гидроразрыва пород, обеспечивающего надежную герметизацию исследуемого участка скважины в случае, когда в месте установки устройства диаметр скважины превышает номинально допустимое значение, за счет исключения потери устойчивости уплотнительных элементов при сжатии путем обеспечения их дополнительного прижатия к стенкам скважины.
Проблема решается тем, что в предлагаемом устройстве для гидроразрыва пород в скважине, включающем цилиндрический корпус с установленными на его концах уплотнительными элементами и механизмом сжатия уплотнительных элементов между ними, с выполненными в цилиндрическом корпусе двумя каналами, согласно предлагаемому техническому решению уплотнительные элементы имеют конические углубления с обоих торцов, а механизм сжатия уплотнительных элементов состоит из выполненного на цилиндрическом корпусе заодно с ним неподвижного штока с двумя симметрично установленными на цилиндрическом корпусе с возможностью осевого перемещения цилиндрами, имеющими каждый из них конический выступ на одном конце, причем конические выступы цилиндров контактируют с прилегающими к ним коническими углублениями уплотнительных элементов, а с коническими углублениями с других торцов уплотнительных элементов контактируют конические части конических гаек, установленных на цилиндрическом корпусе со стороны его торцов, при этом рабочие полости цилиндров соединены с одним из каналов, выполненных в цилиндрическом корпусе, а другой канал цилиндрического корпуса соединен с отверстием на свободной от цилиндров боковой поверхности неподвижного штока, причем в рабочих полостях цилиндров установлены клапаны с возможностью перекрытия каналов, которыми рабочие полости цилиндров соединены с полостями под уплотнительными элементами, а на подвижных штоках клапанов имеются хвостовики для ограничения хода цилиндров.
Указанная совокупность признаков позволяет исключить потерю устойчивости уплотнительных элементов при сжатии путем приложения радиальной нагрузки на растяжение, обеспечивающей дополнительное прижатие их к стенкам скважины для герметизации исследуемого участка в случае увеличения диаметра скважины выше номинально допустимого значения, что повышает надежность герметизации в сравнении с прототипом.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения устройства для гидроразрыва пород в скважине и чертежом. На чертеже показано устройство для гидроразрыва пород в скважине, общий вид в продольном разрезе.
Устройство для гидроразрыва пород в скважине (далее - устройство) состоит из цилиндрического корпуса 1 (далее - корпус 1), установленных на корпусе 1 со стороны его торцов конических гаек 2, уплотнительных элементов 3, имеющих конические углубления с обоих торцов, и механизма сжатия уплотнительных элементов 3 в виде выполненного на корпусе 1 заодно с ним неподвижного штока 4 с двумя симметрично установленными на нем и корпусе 1 с возможностью осевого перемещения цилиндрами 5, имеющими каждый из них конический выступ на одном конце. Конические выступы цилиндров 5 контактируют с прилегающими к ним коническими углублениями уплотнительных элементов 3, а с коническими углублениями с других торцов уплотнительных элементов 3 контактируют конические части конических гаек 2. В рабочих полостях 6 цилиндров 5 установлены клапаны 7 со штоками 8, имеющими хвостовики 9 для ограничения хода цилиндров 5. Рабочие полости 6 последних соединены с каналом 10, выполненным в корпусе 1 и имеющим гнездо 11, а канал 12, выполненный в корпусе 1 и имеющий гнездо 13, соединен с отверстием 14 на свободной от цилиндров 5 боковой поверхности неподвижного штока 4. На корпусе 1 в полостях 15 под уплотнительными элементами 3 установлены пружины 16, при этом рабочие полости 6 цилиндров 5 соединены каналами 17 с полостями 15. На наружных поверхностях уплотнительных элементов 3 со стороны их концов установлены металлические охватывающие кольца 18.
Устройство работает следующим образом. После размещения устройства в скважине на выбранной глубине через гнездо 11 по каналу 10 подают жидкость в рабочие полости 6 цилиндров 5, которые под действием давления жидкости начинают раздвигаться в осевом направлении, сжимая уплотнительные элементы 3. Клапаны 7 при этом закрыты. В случаях, когда диаметр скважины не превышает номинально допустимого значения, уплотнительные элементы 3, сжимаясь под действием осевого усилия, создаваемого цилиндрами 5, расширяются в радиальном направлении и плотно прижимаются к стенкам скважины, не теряя свою устойчивость и обеспечивая герметизацию исследуемого участка скважины. Если диаметр скважины в месте размещения устройства больше номинально допустимого значения, то при осевом сжатии уплотнительные элементы 3 плохо контактируют со стенками скважины. Цилиндры 5 совершают осевое перемещение, ограниченное длиной хода штоков 8 с хвостовиками 9, сжимая при этом уплотнительные элементы 3 до предельного значения их устойчивости.
Далее происходит открытие клапанов 7 и жидкость из рабочих полостей 6 по каналам 17 поступает в полости 15 под уплотнительные элементы 3. Последние под действием радиальной нагрузки на растяжение выгибаются (показано на чертеже пунктирной линией), что исключает потерю устойчивости уплотнительных элементов 3 и обеспечивает их дополнительное прижатие к стенкам скважины. Герметичность уплотнительных элементов 3 с торцов достигается за счет силового прижатия поверхностей конических углублений с одних торцов уплотнительных элементов 3 к коническим выступам цилиндров 5 и с других торцов - к коническим частям конических гаек 2. Защита уплотнительных элементов 3 от их продавливания в зазоры между элементами устройства и стенками скважины обеспечивается установкой на наружных поверхностях уплотнительных элементов 3 со стороны их концов металлических охватывающих колец 18.
После герметизации исследуемого участка скважины жидкость подают через гнездо 13 по каналу 12 и, далее, через отверстие 14 в неподвижном штоке 4 в изолированный участок скважины для осуществления гидроразрыва ее стенок.
Для демонтажа устройства давление в гнездах 11 и 13 сбрасывают до нуля и усилием пружин 16 цилиндры 5, штоки 8 клапанов 7, а также уплотнительные элементы 3 возвращаются в исходное положение.