УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОРИЕНТИРОВАННОГО РАЗРЫВА ГОРНЫХ ПОРОД
ROCK ORIENTED CUTTING DEVICE

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для формирования в породных массивах сплошных трещин нужных размеров и формы, повышающих эффективность скважинно-щелевых технологий добычи полезных ископаемых.
Известно устройство для разрушения горных пород гидроразрывом по патенту РФ №2209970, кл. Е21С 37/10, опубл. в БИ №22, 2003 г., включающее полый цилиндрический корпус с радиальными отверстиями и самоуплотняющиеся манжеты, закрепленные на противоположных концах корпуса. На самоуплотняющиеся манжеты надета трубка из эластичного материала, образующая с ними и полым цилиндрическим корпусом замкнутую полость. Полый цилиндрический корпус на одном конце имеет кольцевой выступ, а его противоположный конец связан с трубой для подачи жидкости, имеющей также кольцевой выступ, а самоуплотняющиеся манжеты основаниями примыкают соответственно к кольцевым выступам корпуса и трубы.
С помощью этого устройства при одноразовой его подаче в скважину можно создавать только одну трещину, что обуславливает относительно низкую его эффективность.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для ориентированного гидроразрыва горных пород по патенту РФ №2441149, кл. Е21В 43/26, опубл. 27. 01. 2012 г., включающее полый цилиндрический корпус с радиальными отверстиями, на концах которого установлены шланги. На корпус надета втулка из эластичного материала с радиальными отверстиями. Радиальные отверстия в корпусе и эластичной втулке не совпадают. На свободном от корпуса конце нижнего шланга установлена заглушка.
Это устройство предназначено для гидроразрыва горной породы через скважину в заданной плоскости только при условии, что на стенках скважины прорезана соответствующая инициирующая полость. Для глубоких скважин его использование связано с известными трудностями совмещения инициирующей полости с пространством между герметизирующими элементами. Кроме этого устройство не способно работать в зонах нарушения стенок скважины, вызванных высокими напряжениями в породном массиве. Все это обуславливает его относительно низкую эффективность.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности устройства за счет возможности ориентированного разрыва горных пород в глубоких скважинах на участках, подверженных действию высоких напряжений, способных разрушать стенки скважины, без предварительного создания инициирующих полостей.
Задача решается тем, что в устройстве для ориентированного разрыва горных пород, включающем полый цилиндрический корпус с радиальными отверстиями, на концах которого установлены шланги, на корпус надета втулка из эластичного материала с радиальными отверстиями, при этом радиальные отверстия в корпусе и указанной втулке не совпадают, а на свободном от корпуса конце нижнего шланга установлена заглушка, согласно техническому решению шланги и корпус с надетой на него втулкой из эластичного материала размещены в колонне втулок со скошенными вовнутрь торцами, на колонну втулок надета эластичная оболочка, на которой установлен рукав из проницаемого для жидкости материала и заполнен сыпучим веществом, отвердевающим при взаимодействии с жидкостью.
Такое техническое решение обеспечивает обсаживание скважины, исключающее разрушение ее стенок высокими напряжениями в породном массиве. Разрыв горной породы возможен только в плоскости, проходящей между шлангами и торцами втулок. Скошенные вовнутрь торцы втулок в местах их взаимного контакта образуют дисковые, сужающиеся в сторону стенок скважины инициирующие полости, концентрирующие по внешней окружности напряжения, снижающие давление разрыва горной породы. Разрывы можно осуществлять на любой глубине, до которой пройдена скважина. В результате повышается эффективность устройства за счет возможности ориентированного разрыва горных пород в глубоких скважинах на участках, подверженных действию высоких напряжений, способных разрушать стенки скважины, без предварительного создания инициирующих полостей.
Целесообразно втулки со скошенными вовнутрь торцами выполнить меньшей длины, чем расстояние между шлангами. Это исключает возможность попадания шлангов в зону, в которой между ними отсутствует плоскость, проходящая между торцами втулок, что повышает эффективность устройства за счет снижения трудоемкости на совмещение шлангов и втулок.
Целесообразно, чтобы вещество, которым заполнен рукав, при отвердении расширялось. Это увеличивает силу сцепления устройства со стенками скважины, что также повышает эффективность устройства за счет исключения возможности прорыва жидкости в зазор между устройством и стенками скважины.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежом.
На чертеже показано устройство для ориентированного разрыва горных пород, продольный разрез.
Устройство для ориентированного разрыва горных пород (далее - устройство) включает полый цилиндрический корпус 1 (далее - корпус 1) с радиальными отверстиями 2 (далее - отверстия 2), на концах которого установлены шланги 3 и 4. На корпус 1 надета втулка 5 из эластичного материала с радиальными отверстиями 6 (далее - отверстия 6). Отверстия 2 и 6 не совпадают. На свободном от корпуса 1 конце нижнего шланга 4 установлена заглушка 7. Шланги 3, 4 и корпус 1 с втулкой 5 размещены в колонне втулок 8 со скошенными вовнутрь торцами. Втулки 8 выполнены меньшей длины, чем расстояние между шлангами 3 и 4. На втулки 8 надета эластичная оболочка 9 (далее - оболочка 9), на которой установлен рукав 10 из проницаемого для жидкости материала (далее - рукав 10). Рукав 10 заполнен сыпучим веществом 11 (далее - вещество), отвердевающим при взаимодействии с жидкостью и расширяющимся при отвердении. В месте контакта втулок 8 из-за того, что их торцы скошены вовнутрь, образована инициирующая полость 12 (далее - полость 12). На концах шлангов 3 и 4 установлены переходники (на чертеже не обозначены) для их подсоединения к корпусу 1, заглушке 7 и гидравлической системе (на чертеже не показана). Устройство подано в скважину 13 для разрыва горной породы в плоскости 14.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Оболочку 9 с втулками 8 и установленным на ней рукавом 10 с веществом 11 подают в скважину 13 до нужной глубины, обусловленной зоной разрыва горной породы. В зазор между рукавом 10 и стенками скважины 13 подают жидкость (воду), которая реагирует с веществом 11. После отвердения и расширения вещества 11 во втулки 8 вводят корпус 1 со шлангами 3, 4 и втулкой 5. При этом шланг 3 подсоединяют к гидравлической системе. Через шланг 3 в устройство подают жидкость, которая придавливает боковые поверхности шлангов 3 и 4 к внутренним поверхностям втулок 8. В зоне между шлангами 3 и 4 обязательно оказывается хотя бы одна полость 12 из-за того, что длина втулок 5 меньше расстояния между шлангами 3 и 4. Затем жидкость, преодолевая сопротивление, обусловленное ее продавливанием между корпусом 1 и втулкой 5, через отверстия 2 и 6 поступает в полость 12. Горная порода, когда давление жидкости в полости 12 достигает предела ее прочности на растяжение, разрывается с образованием трещины в плоскости 14. Жидкость в полость 12 подают фиксированного объема. После этого давление в устройстве сбрасывают и перемещают его корпус 1 по скважине 13 на другой ее участок для следующего ориентированного разрыва горной породы.
Отметим, что если между шлангами 3 и 4 окажется не одна, а две полости 12, то разрыв горной породы произойдет только через одну из них. Связано это с тем, что с ростом трещины требуемое для ее развития давление падает. Поэтому возникшая первой трещина начинает развиваться интенсивно и поглощать нагнетаемую жидкость, не давая давлению жидкости подняться до уровня развития трещины, примыкающей к другой полости 12.
Для упрощения технологии изготовления устройства рукав 10 устанавливают путем его наматывания на оболочку 9 в виде спирали, витки которой примыкают друг к другу. Условие расширения вещества 11 для гидроразрыва горной породы через скважину 13, пройденную с дневной поверхности, не является обязательным. При взаимодействии вещества 11 с жидкостью образуется раствор, который частично просачивается через рукав 10, образуя между устройством и стенками скважины 13 сплошную непроницаемую прослойку. Количество вещества 11 или витков рукава 10 выбирают из требований к герметизации скважины 13 на участке проведения гироразрывов. Для горизонтальных или пройденных из горных выработок восстающих скважин 13 предполагается использовать вещество 11, которое при отвердении расширяется и перекрывает зазоры между витками рукава 10. В зависимости от технологии проведения гидроразрыва с использованием предлагаемого устройства операции по замачиванию рукава 10 можно осуществлять и до его подачи в скважину 13.
Устройство обеспечивает существенное повышения проницаемости породного массива за счет дезинтеграции горных пород, обусловленной формированием в них множества трещин в зоне, прилегающей к скважине 13 практически с любой кривизной и ориентацией. Его использование увеличивает приток к скважине 13 газа и жидкости, например метана, нефти, сланцевого масло, воды и т.д.