СКВАЖИННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ГИДРОРАЗРЫВА ГОРНЫХ ПОРОД

Техническое решение относится к горному делу, в частности к управлению горным давлением принудительным обрушением горных пород, и может быть использовано при проведении гидроразрыва горных пород.
Известно скважинное устройство для осуществления гидроразрыва горных пород, принятое в качестве прототипа, содержащее корпус, выполненный в виде стакана с отверстиями в стенке для прохода рабочей жидкости, герметизаторы с втулками, установленные с обеих сторон стакана, золотник, установленный в стакане и снабженный пружиной, прижимающей его ко дну, штуцер и наконечник [Скважинное устройство для осуществления гидроразрыва горных пород. RU 123064 U1, 19.04.2012, бюл. №35] (аналог).
Как показал опыт применения данного устройства, герметизаторы - армированные гибкие рукава при подаче в них рабочей жидкости раздуваются и за счет этого хорошо фиксируются в скважине еще на стадии, когда давление в них не достигло значения, необходимого для осуществления гидроразрыва горных пород. После фиксации устройства в скважине в период роста давления в герметизаторах последние деформируются и воздействуют на корпус устройства, растягивая его. При этом зачастую нарушается целостность заделки герметизатора, приводящая к невозможности произвести гидроразрыв пород.
В качестве прототипа принято скважинное устройство для осуществления гидроразрыва горных пород, содержащее корпус, выполненный в виде цилиндра с крышкой и радиальными отверстиями в стенке для прохода рабочей жидкости, поршень со штоком, установленный в цилиндре и снабженный пружиной, прижимающей его ко дну, два штуцера, один из которых соосно связан с корпусом, другой - аналогичным образом со штоком, и два герметизатора с наконечниками, один герметизатор установлен со стороны корпуса и соосно с ним, другой - со стороны штока аналогичным образом [Скважинное устройство для осуществления гидроразрыва горных пород. RU 2730091 C1, 17.08.2020, бюл. №23] (прототип).
К недостатку прототипа следует отнести то, что в момент, когда гемертизаторы зафиксированы в скважине, а давления жидкости еще недостаточно для осуществления гидроразрыва, на положение корпуса с радиальными отверстиями по длине скважины в большей степени влияет концевой герметизатор, т.е. герметизатор, расположенный после корпуса по ходу движения рабочей жидкости. Корпус начинает перемещаться в сторону забоя скважины, а вместе с ним перемещаются и радиальные отверстия, обеспечивающие осуществление гидроразрыва. Это снижает эффективность работы устройства, например, при проведении поинтервального гадроразрыва, когда формируют искусственные трещины в горной породе на определенном расстоянии друг от друга.
Это снижает надежность срабатывания устройства в заданном месте и эффективность осуществления гидроразрыва горных пород.
Целью технического решения является повышение надежности фиксации устройства по длине скважины и эффективности осуществления гидроразрыва горных пород путем создания подвижного соединения корпуса с герметизатором.
Поставленная цель достигается тем, что в скважинном устройстве для осуществления гидроразрыва горных пород, содержащем корпус, выполненный в виде пустотелого цилиндра с радиальными отверстиями в стенке для прохода рабочей жидкости, шток с осевым сквозным отверстием, установленный в цилиндре и снабженный поршнем и пружиной, прижимающей поршень ко дну корпуса, два штуцера с осевыми отверстиями, один из которых соосно связан с корпусом, а другой соосно связан со штоком, и два герметизатора с наконечниками, один герметизатор установлен соосно корпусу со стороны противоположной штоку, а другой - со стороны штока и соосно с ним, отличающемся тем, что осевое отверстие штуцера, связанного с корпусом, имеет меньший диаметр, чем осевое отверстие, выполненное в штоке, штуцер, связанный с корпусом, снабжен скользящей втулкой, опорной гайкой и пружиной, прижимающей втулку к корпусу, а наконечник герметизатора со стороны корпуса связан с втулкой.
Сущность технического решения поясняется схемой компоновки устройства для осуществления гидроразрыва горных пород.
Скважинное устройство для осуществления гидроразрыва горных пород содержит корпус 1, выполненный в виде полого цилиндра, шток 2 с поршнем 3, концевой герметизатор 4 с наконечником 5, посредством которого он соосно связан с корпусом 1, входной герметизатор 6 с наконечником 7, посредством которого он соосно связан со штоком 2, заглушку 8, переходник 9 и пружину 10.
Корпус 1 включает осевой штуцер 11 с осевым отверстием 12 и проходную крышку 13. В цилиндрической стенке корпуса 1 выполнены равноудаленные друг от друга сквозные радиальные отверстия 14 для прохода рабочей жидкости. Штуцер 11 связан с корпусом 1 соосно.
Штуцер 11 снабжен скользящей втулкой 15, пружиной 16 и опорной гайкой 17. Гайку 17 посредством резьбового соединения накручивают на штуцер 11 и тем самым сжимают пружину 16, которая, в свою очередь, прижимает скользящую втулку 15 к корпусу 1.
Шток 2 выполнен с центральным осевым сквозным отверстием 18, площадь поперечного сечения которого больше площади поперечного сечения отверстия 12 в корпусе 1. Шток 2 с одной стороны снабжен штуцером 19 для присоединения герметизатора 6 через наконечник 7, с другой - связан с поршнем 3. Штуцер 19 связан со штоком 2 соосно.
Шток 2 с поршнем 3 вставляют в корпус 1, продвигая его до дна. Затем на шток 2 надевают пружину 10, а корпус 1 закрывают проходной крышкой 13, при накручивании которой сжимают пружину 10. В этом положении радиальные сквозные отверстия 14 перекрыты поршнем 3, а между поршнем 3 и дном цилиндра корпуса 1 существует камера 20.
К штуцеру 11 посредством скользящей втулки 15 и наконечника 5 присоединяют герметизатор 4 с заглушкой 8, к штуцеру 19 посредством наконечника 7 присоединяют герметизатор 6 с переходником 9. Устройство для осуществления гидроразрыва горных пород готово.
Для проведения гидроразрыва горных пород устройство размещают в скважине, ориентируя его заглушкой 8 к забою скважины. Через переходник 9 в устройство подают рабочую жидкость, которая сначала заполняет все доступные пустоты: внутренние полости герметизатора 6, штока 2, камеры 20, штуцера 11 и герметизатора 4. После заполнения всех пустот повышается давление рабочей жидкости в заполненных полостях. При этом за счет большего поперечного сечения сквозного отверстия 18 в штоке 2, чем отверстия 12 в штуцере 11 корпуса 1, герметизатор 6, расширится раньше, чем герметизатор 4, и зафиксирует шток 2 с поршнем 3 и корпусом 1 в заданном месте скважины.
При последующем заполнении расширится и зафиксируется в скважине и герметизатор 4.
Дальнейшее повышение давления рабочей жидкости приведет к тому, что герметизаторы 6 и 4 будут создавать противоположно направленные осевые усилия. В какой-то момент времени усилие, развиваемое герметизатором 4, преодолеет усилие, развиваемое пружиной 16. За счет этого скользящая втулка 15 начнет перемещаться по штуцеру 11 в направлении от корпуса 1. Под действием усилия со стороны герметизатора 6 корпус 1 вместе со штоком 2 и поршнем 3 переместится в сторону этого герметизатора на некоторую величину. Последующее повышение давления жидкости в камере 20 приведет к тому, что корпус 1 начнет обратное движение относительно не только герметизатора 6, но и поршня 3 до тех пор, когда будут открыты отверстия 14, т.е. осуществится направленный выход жидкости за пределы корпуса. Рабочая жидкость под высоким давлением поступает в изолированную полость скважины из устройства и осуществляет динамическое воздействие на горную породу, осуществляя гидроразрыв. В случае, если обратного хода корпуса будет недостаточно для открытия отверстий 14, то при дальнейшем росте давления в камере 20 поршень 3, преодолевая сопротивление пружины 10 начнет двигаться в сторону герметизатора 6, вплоть до срабатывания устройства.
Таким образом, за счет обеспечения подвижности соединения концевого герметизатора с корпусом нивелируется влияние концевого герметизатора на положение радиальных отверстий, выполненных в корпусе, по длине скважины. Это повышает надежность формирования разрушающего воздействия в заданном месте по длине скважины и эффективность осуществления гидроразрыва горных пород, что, в свою очередь, свидетельствует о достижении поставленной цели.