СКВАЖИННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ГИДРОРАЗРЫВА ГОРНЫХ ПОРОД
BOREHOLE DEVICE FOR HYDRAULIC FRACTURING OF ROCKS

Изобретение относится к горному делу, в частности, к управлению горным давлением принудительным обрушением горных пород и может быть использовано при проведении гидроразрыва горных пород.
Известно устройство для гидроразрыва горных пород в скважине, содержащее корпус с каналом, установленные на нем упругие уплотнительные элементы, между которыми размещена поршневая пара с уплотнительными кольцами, и стопорящую гайку. 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 этих элементов при давлении гидроразрыва с самозапиранием изолированного участка скважины [Устройство для гидроразрыва пород в скважине. Пат. 2268359 Российской Федерации, опубл. 20.01.2006, бюл. № 2] (аналог). Недостатком устройства является то, что и поршневая пара и упругие уплотнительные элементы размещены на корпусе, имеющем значительную длину, что, в свою очередь, требует не только прямолинейности скважины, но и выдержанности ее стенок. При бурении скважин, например, в угольном массиве это условие не всегда соблюдается из-за наличия в пласте твердых включений и высокой степени трещиноватости угля.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности признаков является скважинное устройство для осуществления гидроразрыва горных пород, принятое в качестве прототипа, содержащее корпус, выполненный в виде цилиндра с радиальными отверстиями в стенке для прохода рабочей жидкости, герметизаторы с наконечниками, установленные с обеих сторон корпуса, поршень, установленный в цилиндре и снабженный пружиной, прижимающей его ко дну, и штуцер, ориентированные по одной оси [Скважинное устройство для осуществления гидроразрыва горных пород. Пат. 2730091 Российской Федерации, опубл. 17.08.2020, бюл. № 23] (прототип).
Недостатком прототипа является значительная длина корпуса, что связано, в частности, с использованием запорного устройства золотникового типа, требующего пространства для перемещения вдоль оси устройства. Это увеличивает расстояние между двумя герметизаторами (пакерами). Известно, что характер трещинообразования при осуществлении гидроразрыва горных пород определяется соотношением длины L изолированной полости между пакерами к диаметру скважины d. При L < 2d образуется единичная поперечная трещина, при 2d < L < 4d - множественные трещины различного типа, при L > 4d - единичная продольная трещина [El Rabaa W. Experimental study of hydraulic fracture geometry initiated from horizontal wells, SPE Annual Technical Conf. and Exhibition, Soc. of Petroleum Engineers, 1989]. Наибольший эффект от гидроразрыва достигается именно при формировании глубоких единичных поперечных трещин.
Этот недостаток снижает эффективность осуществления гидроразрыва горных пород.
Цель изобретения - повышение эффективности осуществления гидроразрыва горных пород за счет сокращения длины корпуса путем замены поршня на обратный клапан и ориентации пружины по нормали к оси устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для осуществления гидроразрыва горных пород, содержащем корпус, выполненный в виде цилиндра с проходной полостью и радиальным отверстием для прохода рабочей жидкости, герметизаторы с наконечниками, установленные с обеих сторон корпуса соосно с ним, и запорный механизм с пружиной, установленный внутри цилиндрической полости, в соответствии с техническим решением проходная полость в корпусе на входе рабочей жидкости имеет больший диаметр, чем на выходе, в стенке корпуса, соосно с радиальным отверстием, выполнена дополнительная цилиндрическая полость, запорный механизм выполнен в виде обратного клапана с пружиной и установлен в дополнительной цилиндрической полости, снаружи дополнительная цилиндрическая полость закрыта стопорной заглушкой с центральным отверстием, а радиальное отверстие выполнено из дополнительной цилиндрической полости в проходную полость большего диаметра.
Сущность технического решения поясняется схемами. На фиг. 1 показан корпус устройства в разрезе; на фиг. 2 - сечение корпуса по А-А на фиг. 1, на фиг. 3 - экспериментальный образец корпуса (фото).
Скважинное устройство состоит из корпуса 1, герметизаторов 2 и 3 с наконечниками 4 и 5 соответственно. В корпусе 1 во всю его длину выполнена проходная цилиндрическая полость 6, имеющая две части. Часть этой полости со стороны входа рабочей жидкости имеет в три-четыре раза больший диаметр, чем часть этой же полости со стороны выхода. В стенке корпуса 1 в радиальном направлении выполнены соосно радиальное отверстие 7 и радиальная же дополнительная цилиндрическая полость 8. При этом радиальное отверстие 7 сообщает радиальную дополнительную цилиндрическую полость 8 с проходной цилиндрической полостью 6 в зоне ее большего сечения. В радиальной дополнительной цилиндрической полости 8 установлен обратный клапан, состоящий из шарика 9, центрирующей шайбы  10 и пружины  11. Шарик установлен по оси радиального отверстия 7 и поджат к нему посредством шайбы 10 и пружины 11 стопорной заглушкой 12, в которой выполнено сквозное центральное отверстие 13.
Скважинное устройство для осуществления гидроразрыва горных пород размещают в скважине в следующем порядке (от забоя скважины): герметизатор 3, корпус 1, герметизатор 2. Через герметизатор 2 подают рабочую жидкость высокого давления в проходную цилиндрическую полость 6, в ту ее часть, которая имеет больший диаметр поперечного сечения. Поскольку обратный клапан в составе шарика 9, шайбы 10 и пружины 11 закрыт, а оставшаяся часть проходной цилиндрической полости 6 имеет меньшую площадь поперечного сечения, то в первую очередь расширяется герметизатор 2, жестко фиксируя в скважине положение корпуса 1; затем за счет заполнения рабочей жидкостью фиксируется герметизатор 3, уплотняя стенки скважины.
При дальнейшем повышении давления рабочая жидкость преодолевает сопротивление обратного клапана и поступает через радиальное отверстие 7 в дополнительную цилиндрическую полость 8, а из нее через центральное отверстие 13 в стопорной заглушке вырывается наружу. За счет этого происходит разрушение массива горной породы до образования щели, ориентированной поперек оси скважины.
Стопорная заглушка позволяет регулировать время срабатывания обратного клапана в зависимости от крепости горной породы.
Таким образом, за счет большой разницы в площади поперечного сечения проходной цилиндрической камеры на входе в корпус и на его выходе герметизаторы фиксируются в скважине последовательно, сначала герметизатор 2 - со стороны входа рабочей жидкости в корпус, фиксируя при этом корпус в зоне осуществления гидроразрыва, потом - герметизатор 3 - со стороны выхода; после проведения гидроразрыва сначала разгружается герметизатор 2, формируя зазор между стенкой скважины и оболочкой герметизатора и подготавливая корпус к извлечению (штыб из щели и оставшаяся буровая мелочь через зазор уносятся из скважины), затем герметизатор 3; а за счет использования обратного клапана с пружиной, ориентированной перпендикулярно к оси устройства, расстояние между двумя герметизаторами может быть сокращено до двукратного по сравнению с диаметром скважины, что повышает эффективность осуществления гидроразрыва горных пород, т.е. обеспечивает достижение поставленной цели.