Устройство для поинтервального гидроразрыва прочных горных пород
DEVICE FOR INTERVAL-BY-INTERVAL HYDRAULIC FRACTURING OF STRONG ROCKS

Техническое решение относится к горному делу, а именно к разработке пологопадающих угольных пластов, и может быть использовано для их дегазации.
Известно устройство для гидроразрыва пород в скважине (патент РФ № 2367791, E21В 43/26, опубл. в Бюл. № 26 за 2009 г.), включающее полый корпус с отверстиями для рабочей жидкости, на концах которого закреплены упругие уплотнительные элементы, один из которых связан со штуцером, другой – с наконечником, при этом полый корпус выполнен в виде стакана, соединенного открытой частью с полой втулкой и имеющего в дне сквозное центральное отверстие. В полости корпуса установлен с возможностью перемещения в нем гидравлически неуравновешенный золотник, имеющий сквозное центральное отверстие таким образом, что одним торцом он прижат рабочей пружиной, установленной в стакане между полой втулкой и указанным золотником, к неподвижному уплотнению, размещенному на дне стакана, а противоположный его конец размещен в полости указанной втулки.
Общими признаками с предлагаемым решением являются наличие упругих уплотнительных элементов для герметизации области скважин, установленных на корпусе с отверстиями для рабочей жидкости.
Недостатком известного устройства является то, что его упругие уплотнительные элементы представляют собой тонкостенную оболочку, вследствие чего повышается вероятность заклинивания устройства в скважине. Так, при его досылке к забою скважины, заклинивание ведет к смятию упругих уплотнительных элементов и к потере работоспособности, а в случае заклинивания при обратном ходе – к отрыву устройства от бурового става и его потере. В связи с этим ограничивается область использования устройства только скважинами, имеющими относительно простую гипсометрию.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для гидроразрыва пород в скважине (патент РФ № 2268359, E21B 43/26, опубл. в Бюл. №2 за    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.
Общими признаками с предлагаемым решением являются наличие корпуса с каналом, установленных на нем упругих уплотнительных элементов, между которыми размещена поршневая пара, рабочая камера которой сообщена с указанным каналом. В цилиндре поршневой пары выполнено радиальное отверстие, которое имеет возможность сообщения с рабочей камерой поршневой пары.
Недостатком этого устройства является то, что в его конструкции не предусмотрена возможность преодоления заклинивания в случае сложной гипсометрии скважины или низкой устойчивости ее стенок. В связи с этим ограничивается область использования устройства только скважинами, имеющими относительно простую гипсометрию с устойчивыми стенками.
Проблемой предлагаемого технического решения является расширение области применения устройства за счет возможности его использования в скважинах сложной гипсометрии или с низкой устойчивостью стенок путем ударного воздействия на элементы конструкции устройства, передающегося на стенки скважины, устраняя ее искревление, а также упрощение извлечения устройства из скважины, что обеспечивается реверсивным режимом работы.
Решение поставленной проблемы достигается тем, что устройство для поинтервального гидроразрыва прочных горных пород, состоящее из корпуса с каналом, установленных на нем упругих уплотнительных элементов, между которыми размещена поршневая пара, при этом рабочая камера поршневой пары сообщена с указанным каналом, а в ее цилиндре выполнено радиальное отверстие с возможностью сообщения с рабочей камерой поршневой пары, согласно техническому решению снабжено реверсивным гидроударным устройством, установленным на забойной части корпуса, адаптером, соединенным с устьевой частью корпуса, и штоком для подключения к буровому ставу, при этом в корпусе выполнено сквозное отверстие с размещенной в нем трубкой для подачи рабочей жидкости в указанное реверсивное гидроударное устройство, которое включает втулку с бойком и наголовник, содержащий аккумулятор и распределитель рабочей жидкости, при этом боек размещен на трубке для подачи рабочей жидкости с возможностью осевого движения и подпружинен пружиной возврата, а втулка присоединена к корпусу и к ней посредством резьбы присоединен наголовник, при этом в бойке выполнена проточка с возможностью соединения с каналом, связанным со сливом, и с каналом управления, связанным с распределителем рабочей жидкости, причем указанная трубка для подачи рабочей жидкости соединена с распределителем рабочей жидкости и аккумулятором с помощью напорного канала, при этом наголовник, втулка и боек образуют рабочую камеру, соединенную с распределителем рабочей жидкости сливным каналом и далее, через указанный распределитель и дополнительный сливной канал – с упомянутым каналом, связанным со сливом, при этом шток имеет центральное отверстие и установлен с возможностью осевого перемещения внутри адаптера, в котором выполнен канал с возможностью соединения с указанным каналом корпуса и канал, соединенный с упомянутой трубкой для подачи рабочей жидкости. Приведенная совокупность признаков позволяет производить ударное воздействие на элементы устройства, передающееся на стенки скважины, и преодолевать участки скважины со сложной гипсометрией, что позволяет значительно расширить область его применения. Работа гидроударного устройства в реверсивном режиме позволяет при этом упростить извлечение устройства из скважины после проведения гидроразрывов.
Сущность технического решения поясняется описанием конструкции устройства для поинтервального гидроразрыва прочных горных пород и чертежами фиг.1, на котором представлена схема размещения и движения устройства для поинтервального гидроразрыва прочных горных пород в скважине сложной гипсометрии, фиг.2, на котором показан общий вид устройства для поинтервального гидроразрыва прочных горных пород в продольном разрезе, и фиг. 3 и 4, на которых показаны соответственно места А и Б на фиг. 2 в увеличенном масштабе.
Устройство 1 (фиг. 1) для поинтервального гидроразрыва прочных горных пород (далее – устройство) состоит из корпуса 2 (фиг. 2 – 4) с каналом 3, на котором размещены упругие уплотнительные элементы 4 и между ними поршневая пара (на фиг. 2, 4 поз. не обозначена), состоящая из цилиндра 5 и поршня 6, образующих рабочую камеру 7, сообщенную с каналом 3. В цилиндре 5 выполнено радиальное отверстие 8 с возможностью сообщения с рабочей камерой 7 поршневой пары. В корпусе 2 выполнено сквозное отверстие (поз. не обозначено), в котором размещена трубка 9 для подачи рабочей жидкости в реверсивное гидроударное устройство (на фиг. 2, 3 поз. не обозначено), которое установлено на забойной части корпуса 2. В его состав входят: втулка 10, боек 11 (фиг. 2, 3), который размещен на трубке 9 с возможностью осевого движения и подпружинен пружиной 12 возврата, а посредством резьбы к втулке 10 присоединен наголовник 13, в котором размещены аккумулятор 14 и распределитель 15 рабочей жидкости (далее – распределитель 15). В бойке 11 выполнена проточка 16 с возможностью соединения с каналом 17 и каналом 18 управления, связанными с распределителем 15. Канал 17 соединен со сливом 19, а трубка 9 соединена с распределителем 15 и аккумулятором 14 с помощью напорного канала 20. Наголовник 13, втулка 10 и боек 11 образуют рабочую камеру 21, соединенную с распределителем 15 сливным каналом 22 и далее, через указанный распределитель 15 и дополнительный сливной канал 22а и канал 17 со сливом 19. Устройство 1 присоединяют к буровому ставу 23 (фиг. 1) посредством адаптера 24, соединенного с устьевой частью корпуса 2 (фиг. 2, 4), и штока 25, который имеет центральное отверстие 26 и установлен с возможностью осевого перемещения внутри адаптера 24. В адаптере 24 выполнены канал 27 с возможностью соединения с каналом 3 и канал 28, соединенный с   трубкой 9.
Устройство работает следующим образом. В соответствии с проектом бурят скважину 29, в которую с помощью бурового става 23 подают устройство 1 до определенного проектом места (фиг. 1).
Далее, через центральное отверстие 26 штока 25, каналы 27 и 3 подают рабочую жидкость в рабочую камеру 7 поршневой пары. Поршневая пара, состоящая из цилиндра 5 и поршня 6, начинает раздвигаться по корпусу 2 до того момента, пока рабочая камера 7 не достигнет радиального отверстия 8 в цилиндре 5. При раздвижке поршневой пары упругие уплотнительные элементы 4 сжимаются, увеличиваются в диаметре и герметизируют область между ними (на фиг. 1 позицией не обозначена) скважины 29, в которую через радиальное отверстие 8 поступает рабочая жидкость и при возрастании давления до предела прочности породного массива происходит его гидроразрыв. При этом рабочая жидкость в распределитель 15 не поступает и он находится в положении I.
После гидроразрыва давление рабочей жидкости сбрасывают и поршень 6 и цилиндр 5 возвращают в исходное положение.
Далее, устройство 1 перемещают по скважине 29 в сторону забоя к месту проведения следующего гидроразрыва. Если скважина 29 имеет значительное искривление, то устройство 1 заклинивается в ней. В этом случае шток 25 механически перемещают таким образом, чтобы его центральное отверстие 26 переключилось от канала 27 на канал 28, который соединен с трубкой 9, размещенной в корпусе 2, через которую рабочая жидкость попадает в проточку 16, напорный канал 20 и канал 18 управления. Далее, через напорный канал 20 рабочую жидкость подают к распределителю 15 и аккумулятору 14, а через канал 18 управления – к распределителю 15, который переходит в положение II. Камера 21 соединяется с трубкой 9 и боек 11 под действием рабочей жидкости начинает движение вниз по чертежу. При движении бойка 11 проточка 16 отсоединяет канал 18 управления от трубки 9 и соединяет его со сливом 19 через канал 17, распределитель 15 возвращается в положение I, камера 21 соединяется со сливом 19 через сливной канал 22 и дополнительный сливной канал 22а, вследствие чего боек 11 под действием пружины 12 возврата замедляет движение и, возможно, производит удар по корпусу 2. После остановки он начинает движение в обратном направлении, проточка 16 отсоединяет канал 18 управления от слива 19 и соединяет его с трубкой 9, распределитель 15 переходит в положение II и соединяет камеру 21 через сливной канал 22 и напорный канал 20 с трубкой 9, а боек 11, под действием силы со стороны рабочей жидкости, замедляет движение и может совершить удар о наголовник 13 устройства 1. После остановки бойка 11 цикл повторяют.
В зависимости от количества подаваемой к устройству 1 рабочей жидкости удары бойком 11 могут производится по корпусу 2 или по наголовнику 13, что позволяет преодолевать эффект заклинивания устройства 1 в скважине 29 в обоих направлениях, обеспечивая реверс.