Система для ориентированного точечного нагружения и разрыва стенок скважины без применения взрывных работ
SYSTEM FOR ORIENTED POINT LOADING AND RUPTURE OF BOREHOLE WALLS WITHOUT BLASTING

Изобретение относится к горному делу, а именно, к устройствам для разрыва стенок скважины, и может быть использовано в рудниках и шахтах при проходке горных выработок, ведении горно-подготовительных и очистных работ, в скважинах или системах скважин, пробуренных во флюидонесущих массивах горных пород.
Известны устройства для гидроразрыва пласта, например, устройство для проведения многостадийного гидравлического разрыва пласта, состоящее из колонны насосно-компрессорных труб (НКТ), на которой смонтированы верхний селективный пакер с проходным отверстием, нижний селективный пакер с проходным отверстием. Под нижним селективным пакером на колонне НКТ смонтированы отсекающий клапан давления и прокалывающее устройство, производящее перфорацию обсадной колонны в интервалах планируемого ГРП, а между верхним и нижним пакерами в колонне НКТ установлен фрак-порт, под которым расположен перфорированный патрубок колонны НКТ (патент RU2735225, МПК E21B 43/267, опубл. 28.10.2020 г.).
На использование подобных устройств накладывается ряд ограничений, связанных с площадным воздействием на стенки скважины, длительным проведением подготовительных работ и др. Кроме того, проведение лабораторных испытаний и калибровки устройств для гидроразрыва является достаточно трудоемким процессом.
Известно устройство для ориентированного разрыва горных пород (патент RU2702041, МПК E21C 37/02, опубл. 03.10.2019 г.), включающее полый цилиндрический корпус в виде стакана, втулку, установленную с возможностью продольного перемещения относительно стакана. Устройство снабжено вторым стаканом и двумя, первой и второй, цангами, на концах лепестков каждой из которых с внешней стороны установлены закалывающие клинья. Первая цанга скреплена с дном указанного, первого стакана, а вторая цанга скреплена со вторым стаканом со стороны, противоположной его дну. В дне первого стакана выполнено центральное отверстие, в которое вставлена указанная втулка со ступенчатым кольцевым выступом, контактирующим с внутренней поверхностью первого стакана. На втулку между ее кольцевым выступом и дном первого стакана надета пружина. На выходящем из первого стакана конце втулки выполнены сквозные радиальные отверстия и внутреннее ступенчатое расширение, в котором размещена шайба из эластичного материала и нарезана резьба, куда вкручен винт с головкой, на которой закреплена трубка. В трубку вставлен стержень, скрепленный с центром дна второго стакана с возможностью вместе со вторым стаканом продольного перемещения относительно указанной втулки. На первый и второй стаканы и прикрепленные к ним цанги надеты соответственно первая и вторая эластичные втулки. Один конец первой эластичной втулки закреплен на внешней поверхности первого стакана, а один конец второй эластичной втулки закреплен на внешней поверхности второго стакана. К внутренним сторонам лепестков первой цанги прикреплены связующие элементы с возможностью одновременного контакта с внутренними сторонами лепестков второй цанги и указанной головкой винта. В первый стакан вкручена труба для подачи рабочей жидкости. Указанные цанги выполнены таких размеров, что обеспечивается возможность контакта закалывающих клиньев, установленных на концах лепестков первой цанги, с закалывающими клиньями, установленными на концах лепестков второй цанги.
Недостатки связаны с использованием рабочей жидкости с химическими растворами при проведении ориентированного нагружения и разрыва горных пород, что повышает трудоемкость в использовании.
Известно устройство для разрыва геологического углеводородного пласта, содержащее два пакера, определяющие между собой ограниченное пространство в скважине, пробуренной в пласте; насос для повышения давления текучей среды в указанном ограниченном пространстве; устройство для нагрева текучей среды; по меньшей мере одну пару из двух электродов, расположенных в указанном ограниченном пространстве; электрическую цепь для создания электрической дуги между двумя электродами, причем указанная цепь содержит по меньшей мере один источник напряжения, соединенный с электродами, и элемент индуктивности между источником напряжения и одним из двух электродов (патент RU2592313, МПК E21B 43/26, G01V 1/157, опубл. 20.07.2016 г.).
Для использования устройства необходимо обеспечить место работ источником электроэнергии, что не всегда возможно в шахтных условиях. Кроме того, наличие пакеров, являющихся расходными материалами, снижает экономическую привлекательность устройства, а необходимость нагнетания жидкости при помощи насосов для увеличения давления текучей среды повышает трудоемкость и снижает скорость проведения работ.
Известно устройство разрыва пласта (патент RU2548463, МПК E21B 43/26, 20.04.2015 г.), содержащее корпус, соединенный с корпусом цилиндр, в котором размещен рабочий поршень, соединенный с клиновым толкателем, который оснащен парными плашками, выполненными с возможностью перемещения относительно клинового толкателя при взаимодействии с корпусом и поперечного раздвижения в одной продольной плоскости. Устройство снабжено одним или несколькими дополнительными корпусами с клиновыми толкателями и плашками, последовательно соединенными снизу с корпусом, причем клиновые толкатели жестко соединены между собой. Устройство позволяет приложить механическое усилие к стенкам открытого горизонтального ствола скважины.
В аналоге нет возможности контролировать процессы образования трещин и корректировать усилия для проведения мероприятий по разрыву пласта. Кроме того, отсутствие направляющих в конструкции парных плашек с клиновым толкателем не позволяет оперативно возвращать устройство в исходное положение из-за отсутствия возвратных усилий (возможно застревание нагружающих плашек в массиве горных пород, что затруднит извлечение устройства из скважины или приведет к его утрате в глубине массива).
Технической проблемой, решаемой изобретением, является разработка устройства, позволяющего разгрузить стенки скважин и вмещающего массива от действия высоких напряжений за счет образования наведенной трещиноватости и повысить коллекторские свойства скважин механическим методом разрыва их стенок без применения взрывных работ и с предотвращением газодинамических явлений.
Технический результат - обеспечение многократных точечных воздействий на скважину по всей ее длине и периметру.
Проблема решается, а технический результат достигается системой для ориентированного точечного нагружения и разрыва стенок скважины, включающей цилиндрическое рабочее устройство, корпус которого образован верхней и нижней распорными плитами полуцилиндрической формы, выполненными с возможностью раздвижения зеркально друг другу, гидроцилиндр, а также насос и проталкивающие сборные штанги, при этом внутри рабочего устройства расположена клиновая пара, состоящая из подвижного клина и клина, выполненного одной деталью с верхней распорной плитой, причем клинья соприкасаются наклонными плоскими поверхностями, плоскости которых расположены под смежным углом друг к другу, при этом вдоль нижней поверхности и соприкасающейся с неподвижным клином наклонной поверхности подвижного клина выполнены входящие направляющие в виде Т-образных выступов, а вдоль внутренней поверхности нижней распорной плиты и соприкасающейся с подвижным клином наклонной поверхности неподвижного клина выполнены ответные направляющие в виде пазов с возможностью перемещения подвижного клина по последним направляющим, причем к торцу рабочего устройства закреплена защитно-присоединительная гильза гидроцилиндра с расположенной в ней в поджатом состоянии возвратной пружиной, а с другой стороны гильза соединена с корпусом гидроцилиндра, в котором закреплен рабочий поршень со штоком, проходящим через возвратную пружину, и к штоку торцевой частью закреплен подвижный клин, кроме того, к свободному торцу корпуса гидроцилиндра закреплен шланг с возможностью подачи по нему рабочей жидкости от насоса для приведения в поступательное движение поршня гидроцилиндра со штоком, а также закреплены проталкивающие сборные штанги в виде стержней, кроме того, в верхней распорной плите расположены датчики акустической эмиссии.
Элементы гидроцилиндра могут быть выполнены из конструкционных углеродистых и низколегированных сталей.
Технический результат достигается за счет следующего.
При помощи хода штока гидроцилиндра приводится в движение клиновая пара. За счет поступательного продвижения подвижного клина вперед и взаимодействия подвижного и неподвижного клиньев с предусмотренными направляющими происходит расклинивание устройства по смежной плоскости клиновой пары с раздвижением верхней и нижней распорных плит зеркально друг другу и перпендикулярно движению штока в обоих направлениях. При помощи сборных штанг пользователь может сориентировать устройство в нужном направлении путем поворота по или против часовой стрелки, либо протолкнуть вглубь, повторяя процесс нагружения на стенки скважины через насос, контролируя процесс развития трещин при помощи датчиков акустической эмиссии. Это обеспечивает многократные точечные воздействия на скважину по всей ее длине и периметру. Через вновь образованные трещины в стенках скважины происходит процесс выхода флюидов из массива горных пород и повышаются ее коллекторские свойства, происходит процесс разгрузки массива.
Сущность изобретения поясняют графические материалы.
На фиг.1- выработка в массиве горных пород с пробуренной скважиной и заявляемой системой;
На фиг.2 - система в глубине массива горных пород в пробуренной скважине (без насоса);
На фиг.3 - вид сверху рабочего устройства с гидроцилиндром с продольными и поперечными разрезами;
На фиг.4 - торцевая часть гидроцилиндра с указанием отверстий под шланг насоса и креплений для сборных штанг;
На фиг.5 а, б, в - 3д визуализация конструктивных элементов системы;
а) в исходном состоянии;
б) элементы по отдельности;
в) рабочее устройство с гидроцилиндром без защитно-присоединительной гильзы и верхней распорной плиты;
На фиг. 6 - рабочее устройство со штоком в расклиненном состоянии (распорные плиты раздвинуты).
На фигурах обозначено:
1 - массив горных пород
2 - горная выработка
3 - пробуренная скважина
4 - рабочее устройство системы
5 - проталкивающие сборные штанги
6 - насос
7 - защитно-присоединительная гильза гидроцилиндра
8 - входная часть корпуса рабочего устройства для крепления гильзы 7 и торцевой части 14 корпуса
9 - шток гидроцилиндра
10 - верхняя распорная плита с неподвижным клином
11 - датчик акустической эмиссии
12 - нижняя распорная плита
13 - подвижный клин
14 - торцевая часть корпуса рабочего устройства
15 - возвратная пружина гидроцилиндра
16 - корпус гидроцилиндра
17 - рабочий поршень гидроцилиндра
18 - отверстие в торцевой части гидроцилиндра под шланг насоса гидроцилиндра
19 - отверстия в торцевой части гидроцилиндра под крепления сборных штанг.
Устройство работает следующим образом.
В выбранной скважине вначале проводятся наблюдения с помощью оптической съемки с использованием технического эндоскопа, сканера (например, Televiewer или вращающейся моторизированной камеры с двойным обзором). Исследуется нарушенность и трещиноватость массива. Выбираются и зачищаются с помощью металлической щетки, закрепленной на сборных штангах, участки стенки скважины в точках воздействия устройством.
Пользователь из горной выработки 2 помещает рабочее устройство 4 (корпус устройства может быть изготовлен из высокопрочной стали марки 45хн2мфа) с гидроцилиндром в пробуренную скважину 3, подключая его при помощи шланга через отверстие 18 в торцевой части гидроцилиндра к насосу 6 (может быть использован, например, ручной гидравлический насос РМ 6-12-25-45 s с рукоятью и стальным маслобаком производителя HV HYDRAULIC (Италия) либо гидравлический насос для масла THHP 300 (Швеция). При помощи сборных штанг 5 в виде стержней (штанги могут быть выполнены, например, из высокопрочного пластика и закреплены по замковому типу к торцевой части гидроцилиндра через отверстия 19), пользователь проталкивает устройство 4 на необходимую глубину в массив 1 горной породы, как показано на фиг.1 и фиг.2. После доставки устройства в нужную точку путем поворота концевой части сборной штанги 5 пользователь ориентирует устройство в нужном направлении относительно стенок скважины 3.
При помощи насоса 6 в корпус 16 гидроцилиндра подается давление, и рабочая жидкость приводит в движение поршень 17, который толкает вперед подвижный клин 13. Поршень 17 может быть соединен при помощи резьбового соединения со штоком 9, а шток накручен на поршень при помощи резьбового соединения. При создании необходимого давления в гидроцилиндре происходит движение штока 9, который при помощи подвижного клина 13 с креплениями и направляющими приводит в движение подвижные части устройства. По направляющим неподвижного клина верхней распорной плиты 10 и нижней распорной плиты 12 подвижный клин 13 движется в сторону торцевой части 14 рабочего устройства и приводит в движение верхнюю 10 и нижнюю 12 распорные плиты устройства; происходит расклинивание устройства 4 в пробуренной скважине 3.
Взаимодействие клиновой пары между собой происходит по наклонным плоскостям клиньев, соприкасающимся под смежными углами. За счет поступательного продвижения подвижного клина 13 вперед и взаимодействия наклонных плоскостей подвижного и неподвижного клиньев с входящими на подвижном и ответными на неподвижном клине и нижней распорной плите 12 направляющими происходит расклинивание устройства по смежной плоскости клиновой пары с продвижением верхней 10 и нижней 12 распорных плит зеркально друг другу (и перпендикулярно движению штока) в обоих направлениях. При этом входящие и ответные направляющие также служат креплениями конструкции из клиновой пары и распорных нагружающих плит, по которым осуществляются все перемещения подвижных частей рабочего устройства 4. В рабочем состоянии происходит поступательное движение конструкции штока с поршнем к торцевой части 14 устройства; одновременно с этим приводятся в движение распорные плиты 10 и 12 и подвижный клин 13. Движение распорных плит происходит в направлениях, как показано стрелками на фиг.6. Подвижный клин 13 повторяет поступательное движение штока 9 к торцевой части 14, перемещаясь по направляющей нижней распорной плиты 12, а также перемещается вниз по направляющим неподвижного клина верхней распорной плиты 10 (скользит по наклонной смежной поверхности неподвижного клина). Относительно горизонтальной оси рабочего устройства 4 перпендикулярно поступательному движению штока 9 происходит раскрытие верхней 10 и нижней 12 нагружающих плит зеркально. Нижняя 12 и верхняя 10 распорные плиты устройства 4 начинают точечно нагружать стенки скважины 3.
В крепких породах для более эффективного разрушения стенки скважины к устройству может быть добавлен щелеобразователь, например, в соответствии с патентом RU129148, который создает контур (зародыш) будущей трещины в нагруженном массиве перед основным процессом его разрыва, ослабляя его прочность.
При помощи датчиков акустической эмиссии 11 пользователь наблюдает процесс образования трещины в скважине 3. Производятся измерения как давления в системе, так и смещения плит, а также момент начала развития процесса трещинообразования датчиками 11 акустической эмиссии. При помощи датчиков 11 акустической эмиссии (в качестве датчиков можно использовать, например, «Преобразователь акустической эмиссии GT200» производителя ZETLAB (Россия) или производителя GlobalTest (Россия)) пользователем фиксируется момент образования трещины в скважине, и при помощи насоса 6 происходит увеличение давления в гидроцилиндре до разрыва сплошности пород (первоначальный замер).
При развитии трещины вглубь массива 1 происходит падение давления, которое пользователь может зафиксировать при помощи манометра на насосе 6. В такой ситуации пользователь снимает давление в насосе 6 и при помощи возвратной пружины 15 шток 9 гидроцилиндра с поршнем 17 возвращается в исходное положение вместе с подвижным клином 13, который по направляющим также возвращает в исходное положение верхнюю 10 и нижнюю 12 распорные плиты устройства 4. Один цикл проведения мероприятия по точечному воздействию на стенки скважины 3 закончен.
Далее устройство ориентируют в другом направлении в скважине и проводят тот же порядок действий с расклиниванием устройства и нагружением при помощи насоса 6 до разрыва стенок скважины 3. Пользователь при помощи сборных штанг 5 может сориентировать устройство 4 путем поворота на необходимый угол по всему периметру скважины 3 или протолкнуть устройство 4 дальше вглубь массива 1, удлинив конструкцию из сборных штанг 5 путем добавления дополнительных элементов.
Принцип работы разработанного оборудования основан на использовании гидроцилиндра, способного создавать высокие усилия для разрыва стенок скважины. Устройство использует принцип разрыва стенки скважины растягивающими нагрузками и измерения действующих напряжений в массиве горных пород с помощью датчиков АЭ (акустической эмиссии).
Устройство можно использовать по всей длине и периметру скважины (в зависимости от горно-геологических и геотехнических параметров массива), пробуренной обычным способом или с помощью колонкового способа с использованием алмазной коронки. При помощи устройства для ориентированного точечного нагружения и разрыва стенок скважины пользователь может проводить мероприятия на необходимую глубину в скальном массиве без применения взрывных работ. Процесс воздействия на стенки скважины можно проводить по всему ее периметру, изменяя ориентацию распорных плит путем поворота снаряда по всей глубине скважины. После разрыва стенок скважины на выбранных участках проводятся измерения с помощью известных методов объема выхода флюидов из массива горных пород и изучаются его коллекторские свойства.