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

Предполагаемое изобретение относится к горному делу, в частности к управлению горным давлением принудительным обрушением горных пород, и может быть использовано для герметизации зоны инициирующей щели в скважине при проведении флюидо- или гидроразрыва горных пород.
Известно устройство для гидроразрыва горных пород в скважине, включающее корпус с каналом, установленных на нем упругих уплотнительных элементов, 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, включающее 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. Пат. 123064 Российской Федерации, опубл. 19.04.2012, бюл. №35] (прототип).
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. Это снижает надежность устройства и эффективность осуществления гидроразрыва горных пород.
Цель изобретения - повышение надежности устройства и эффективности осуществления гидроразрыва горных пород за счет обеспечения телескопичности устройства и вовлечения сил растяжения со стороны герметизаторов для последующего срабатывания устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в скважинном устройстве для осуществления гидроразрыва горных пород, содержащем 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 в соответствии с техническим решением цилиндр снабжен проходной крышкой, через центральное отверстие которой в цилиндр вставлен шток, поршень установлен на штоке, снабженном центральным сквозным отверстием и буртиком со стороны дна цилиндра, поршень выполнен в виде толстостенной цилиндрической втулки, на стенке которой снаружи и изнутри выполнены кольцевые канавки, на рабочем торце поршня выполнена кольцевая проточка, буртик штока вставлен в кольцевую проточку поршня, а один из герметизаторов связан со штоком.
Сущность предложенного технического решения поясняется описанием конструкции скважинного устройства для осуществления гидроразрыва горных пород и схемами. На фиг.1 показано скважинное устройство для разрыва горных пород в сборе; на фиг 2 - поршень этого устройства; на фиг.3 - то же (вид по стрелке «А» на фиг.2).
Скважинное устройство для осуществления гироразрыва горных пород содержит полый цилиндр 1, шток 2 с поршнем 3, наконечники 4 (со стороны цилиндра) и 5 (со стороны штока) герметизаторы 6 (со стороны цилиндра) и 7 (со стороны штока), заглушку 8, переходник 9 и пружину 10.
Полый цилиндр 1 включает штуцер 11 с центральным отверстием 12 и проходную крышку 13. В стенке цилиндра 1 выполнены равноудаленные друг от друга сквозные радиальные отверстия 14 для прохода рабочей жидкости.
Шток 2 выполнен с центральным сквозным отверстием 15; с одной стороны он снабжен штуцером 16 для присоединения герметизатора 7 через наконечник 5, с другой - буртиком 17.
Поршень 3 выполнен в виде толстостенной цилиндрической втулки со сквозным центральным отверстием 18. На стенке втулки выполнены кольцевые канавки 19 и 20, как с наружной, так и с внутренней стороны, соответственно, ориентированные параллельно плоскости рабочего торца. На сопряжении рабочего торца поршня с центральным отверстием 18 выполнена кольцевая проточка 21.
Шток 2 соединяют с поршнем 3, размещая при этом буртик 17 в кольцевой проточке 21. В канавках 19 и 20 устанавливают уплотнительные кольца 22. Шток 2 с поршнем 3 вставляют в цилиндр 1, продвигая его до дна. Затем на шток 2 надевают пружину 10, а цилиндр 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 1 существует камера 23.
К штуцеру 11 посредством наконечника 4 присоединяют герметизатор 6 с заглушкой 8; к штуцеру 16 посредством наконечника 5 присоединяют герметизатор 7 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 7, штока 2, камеры 23, штуцера 16 и герметизатора 6. После заполнения всех пустот повышается давление рабочей жидкости в заполненных полостях. При этом герметизаторы, выполненные из армированного рукава, расширяются, увеличивая поперечное сечение, и за счет этого плотно закрепляются в скважине, изолируя ее; в камере 23 также растет давление рабочей жидкости, но поршень остается неподвижным, так как удерживается усилием сжатия пружины 10. При последующем повышении давления рабочей жидкости герметизаторы 6 и 7 создают осевые усилия, раздвигающие цилиндр 1 и шток 2. Шток 2, перемещаясь в сторону герметизатора 7, буртиком 17, вставленным в проточку 21, увлекает за собой поршень 3, который, в свою очередь, сжимает пружину 10; цилиндр 1 перемещается в сторону герметизатора 6. В результате этих взаимных перемещений рабочая камера 23 увеличивается в объеме и в конце перемещений поршень 3 открывает радиальные отверстия 14 - рабочая жидкость под высоким давлением поступает в изолированную полость скважины из устройства и осуществляет динамическое воздействие на горную породу, осуществляя гидроразрыв.
В силу того, что состояние внутренней поверхности скважины неизвестно, возможен вариант, когда растягивающих сил, а значит и взаимных перемещений цилиндра и штока, будет недостаточно для открывания радиальных отверстий 14 для осуществления гидроразрыва (например, при уменьшении диаметра скважины в месте позиционирования герметизаторов). В этом случае за счет роста давления рабочей жидкости начинается перемещение поршня 3 вдоль штока 2. При этом пружина 10 сжимается под действием поршня 3. В результате перемещения поршня 3 открываются радиальные отверстия 14, за счет чего и осуществляется гидроразрыв горной породы.
В результате осуществления гидроразрыва давление рабочей жидкости резко падает, поршень 3 под действием пружины 10 возвращается в исходное положение, а герметизаторы 6 и 7 принимают исходную форму.
Таким образом, гидроразрыв горных пород осуществляется только после того, как герметизаторы не только зафиксируются в скважине, но и осуществят взаимное осевое перемещение цилиндра и штока. А в случае, когда взаимное перемещение цилиндра и штока даже при заданном давлении не достижимо, гидроразрыв осуществляется за счет перемещения поршня. Все перечисленное свидетельствует не только о повышении надежности устройства, но и эффективности его срабатывания, т.е. о достижении цели изобретения.
Изобретательский замысел предложенного технического решения состоит в том, что момент осуществления гидроразрыва обусловлен срабатыванием герметизаторов по перемещению штуцеров цилиндра и штока, лишь в случае недостаточных раздвижных перемещений открытие радиальных отверстий в корпусе цилиндра осуществляется поршнем за счет роста давления рабочей жидкости в камере.