Пакер манжетный механический

Полезная модель относится к горному делу и может быть использована для образования направленных трещин в горной породе через пробуренную скважину с целью разрушения негабаритов, управления горным давлением и отсечения от горного массива блоков с заданными размерами.
Известно устройство для образования направленных трещин (патент №1323710, заявка №4039399, дата приоритета 19 марта 1986 года, дата публикации 15 июля 1987 года, класс МПК E21C37/00), содержащее выдвижные резцы с приводом для прорезания зародышевых щелей, по которым затем производят направленный гидроразрыв. Основным недостатком известного устройства является то, что после создания зародышевой щели необходимо произвести замену его на устройство для гидроразрыва, что значительно усложняет процесс.
Наиболее близким по техническому решению и достигаемому результату является устройство для образования направленных трещин в скважинах по авторскому свидетельству СССР №1555483, кл. Е21С37/06, опубл. в БИ № 13, 1990 г., включающее полый цилиндрический корпус с торцевым каналом подвода и отверстием для выхода рабочей жидкости, раздвижные элементы с поперечными закалывающими клиньями на наружных поверхностях, продольно установленные на корпусе, герметизатор в виде соосных корпусу кольцевого распорного элемента с конусной наружной поверхностью и основанием, обращенным к торцу корпуса с каналом подвода рабочей жидкости, и эластичного трубчатого элемента, установленного с возможностью надвигания на коническую поверхность кольцевого распорного элемента. Кольцевой распорный элемент установлен с возможностью ограниченного продольного перемещения относительно корпуса. Раздвижные элементы выполнены в виде цанг, связанных концами лепестков с вершиной кольцевого распорного элемента. Корпус у торца, опозитного торцевому каналу подвода рабочей жидкости, выполнен с конусным заострением, прилегающим к внутренним поверхностям лепестков цанг. Выходное отверстие расположено на торце корпуса со стороны клинового заострения. Закрывающие клинья расположены на свободных концах лепестков цанги.
Основным недостатком устройства является то, что клинья жестко связаны с цилиндрическим корпусом, поэтому застревание клиньев в горной породе грозит разрушением устройства, при попытке его извлечения из скважины.
Вторым недостатком является то, что устройство предназначено для образования трещин в горных породах с низкой прочностью, и в случае применения устройства в горных породах средней и высокой прочности возможно разрушение раздвижных элементов, выполненных в виде цанг, у основания клина, без факта внедрения клина.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение надежности пакера при его эксплуатации за счет исключения разрушения устройства вследствие внедрения клиньев в горную породу любой прочности.
Пакер манжетный механический содержит корпус с основанием, толкатель с отверстиями для выхода жидкости, стержень для соединения корпуса и толкателя, клинья, штанги, концевую штангу, герметизатор, трубы, и гайку с рукоятками, отличающийся тем, что корпус имеет полость, выполненную в виде наклонных пазов, толкатель имеет на внешней поверхности наклонные выступы, клинья установлены в направляющие гнезда в корпусе.
Стержень, проходящий внутри толкателя с опорой на предохранительный палец, предотвращает возможность преждевременного срабатывания устройства в процессе его транспортировки по скважине.
Внедрение клиньев происходит методом вдавливания в результате вхождения наклонных выступов толкателя в наклонные пазы корпуса. Клинья внедряются в стенки скважины перпендикулярно оси скважины, целиком выходя из направляющих гнезд за границу корпуса с последующим оставлением в горной породе. Внедренные в горную породу клинья после образования направленных трещин методом направленного гидравлического расчленения не имеют точек соприкосновения с корпусом и поэтому не могут стать причиной застревания устройства в скважине.
Решение задачи по адаптивности применения разрабатываемого устройства под различную прочность горных пород возможно благодаря изменению длины и количества клиньев.
Длина клина от 7 мм используется для прочных пород (мрамор, крепкий песчаник). Длина клина до 23 мм используется для слабых пород (уголь, алевролит). В окрестности скважины имеется область разгрузки, где деформации способствуют раскрытию природных трещин. Для выполнения направленного гидрорасчленения необходимо обеспечить радиус зародышевой (направляющей) трещины больший максимального радиуса природных трещин в зоне напряженно-деформированного состояния. В этом случае будет наблюдаться эффект гашения всех прочих трещин за счет возникновения повышенных напряжений в окрестности направляющей трещины. Прочные породы обладают, как правило, низкой природной трещиноватостью, следовательно, размеры направляющей трещины можно уменьшить.
В случае применения устройства в очень прочных породах (гранит) в совокупности с уменьшением длины клиньев возможно уменьшение количества устанавливаемых клиньев. Уменьшение длины и количества клиньев позволит не допустить разрушающего для устройства усилия подачи необходимого для внедрения клиньев в породы высокой прочности.
Таким образом, обеспечивается возможность образовывать направленные трещины в горных породах любой прочности.
Совокупность представленных признаков, обеспечивающих работоспособность устройства при образовании направленных трещин в горных породах любой прочности и исключающих разрушение устройства в результате застревания внедренных в горную породу клиньев при удалении устройства из скважины, в сравнении с выбранным прототипом позволяет существенно повысить надежность работы устройства.
Сущность полезной модели показана на фиг. 1, где показан общий вид устройства.
Устройство состоит из рабочего органа 1 и механизма управления 2. В свою очередь рабочий орган 1 состоит из корпуса 3 с основанием 4 для удержания клиньев 5, которые находятся в направляющих гнездах 6. Корпус 3 имеет наклонные пазы 7. В пазы 7 входит толкатель 8. Толкатель 8 имеет на внешней поверхности наклонные выступы 9, а углы наклона боковых поверхностей наклонных выступов 9, такие же, как у наклонных к оси скважины поверхностей пазов 7, и такие же на клиньях 5 со стороны взаимодействующей с толкателем 8. Толкатель 8 выполнен полым, внутри которого проходит стержень 10, один конец которого приварен к корпусу 3, второй конец заканчивается головкой 11. В свою очередь стержень 10 через головку 11 опирается на предохранительный палец 12 для удержания толкателя 8 в первоначальном положении, исключая преждевременное срабатывание устройства. Имеются отверстия 13 для выхода воды при гидрорасчленении.
Механизм управления 2 состоит из штанги 14 и трубы 15, которая соединяется с толкателем 8. Количество труб 15 и штанг 14 выбирается в зависимости от глубины скважины. Между толкателем 8 и штангой 14 установлена с закреплением упорная шайба 17. На наружной поверхности концевой штанги 16 нарезана резьба, на которую накручивается гайка 18 с рукоятками 19, на эту же резьбу закручивается переходник 20 для подключения к насосной станции (не показана). За толкателем 8 располагается герметизатор 21, который с одной стороны имеет упорную шайбу 17, а с другой стороны контактирует с трубой 15 через подвижную шайбу 22. Предусмотрена возможность подключения внешнего толкателя (не показан), например, гидростойки от механизированной крепи (в условиях шахт) к концевой штанге 16. Штанга 14 и концевая штанга 16 имеют канал для подачи жидкости 23 и 24, соответственно.
Пакер манжетный механический работает следующим образом. В готовую скважину собранное устройство вставляется до упора в забой, предварительно установив клинья 5 в направляющие гнезда 6. Количество и длина устанавливаемых клиньев 5 выбирается заблаговременно в зависимости от прочности горных пород. Далее включается внешний толкатель (не показан), подключенный к концевой штанге 16. В этом случае происходит подача всего устройства вглубь скважины, кроме корпуса 3, который опирается на забой скважины. Усилием внешнего толкателя разрушается предохранительный палец 12, и толкатель 8 начинает движение. При этом за счет усилия внешнего толкателя боковые поверхности наклонных выступов 9 толкателя 8 выдавливают клинья 5 в сторону стенок скважины, внедряя клинья 5 в горную породу перпендикулярно оси скважины за границу корпуса 3. Клинья 5, внедренные в горную породу, образуют направленную зародышевую трещину, что дает возможность для дальнейшего направленного развития трещины под давлением нагнетаемой жидкости.
Далее внешний толкатель отсоединяется. При вращении гайки 18 рукоятками 19 усилие передается по трубам 15 на герметизатор 21 через подвижную шайбу 22, за счет чего герметизатор 21 продольно сжимается и поперечно расширяется до границ со стенками скважины, таким образом происходит герметизация призабойного участка скважины. Далее включается насосная установка (не показана), которая подключена к пакеру манжетному механическому через переходник 20, и жидкость под давлением по каналу 24 и каналу 23 через отверстия 13 поступает в загерметизированный призабойный участок скважины и затем в созданные клиньями 5 направляющие зародышевые трещины. По мере роста давления жидкости в загерметизированном участке скважины, происходит гидрорасчленение горной породы по заданному внедренными клиньями направлению. После окончания гидрорасчленения подача жидкости в систему прекращается, вращением рукояток 19 давление с герметизатора 21 снимается. При обратном ходе механизм управления 2 с толкателем 8 и корпусом 3 за счет стержня 10 вынимаются из скважины. При этом клинья 5 остаются в горной породе за пределами корпуса 3, не блокируя его перемещение по скважине. На этом цикл заканчивается.