СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
DESTRUCTION METHOD OF ROCKS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для образования трещин различного назначения, в частности для повышения продуктивности скважин при добыче воды, нефти, газа, дегазации угольных пластов, а также излучения упругих волн.
Известен способ разрушения горных пород по патенту РФ №2307934, кл. Е21С 37/12, Е21В 42/16, E21F 7/00, опубл. в БИ №28, 2007 г. Он включает бурение скважин, заполнение их неньютоновской жидкостью, подачу в скважины рабочих органов, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку. В качестве рабочих органов используют поршни, а периодическую ударную нагрузку создают нанесением по ним ударов разгоняемой штангой.
В этом способе прилегающие к скважине области трещин забиваются неньютоновской жидкостью, обладающей свойством герметика. Поэтому его применение для повышения притока к скважине жидкости или газа из пластов малоэффективно.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ разрушения горных пород по патенту РФ №2311533, кл. Е21С 37/12, Е21В 43/26, E21F 7/00, опубл. в БИ №33, 2007 г. Он включает бурение скважины, которую заполняют жидкостью и сыпучим материалом, формирование трещин одновременно в трех плоскостях, проходящих через ось скважины и ориентированных друг относительно друга под углом в пределах от 90 до 180°. Трещины формируют ударными волнами, которые создают в жидкости штангой, разгоняемой в режиме свободного падения, а сыпучий материал используют для расклинивания трещин.
В этом способе сплошные трещины образуются только в непосредственной близости к скважине. Далее жидкость проникает в породный массив по пути наименьшего сопротивления в виде рукавов, состоящих из переходящих одна в другую трещин с малым раскрытием. Дальность проникновения сыпучего материала в породный массив ограничивается скоростью движения жидкости, которая снижается с удалением от скважины из-за увеличения площади контакта с горной породой, в которую она частично отфильтровывается. Стремление же увеличить скорость жидкости повышением ее расхода в месте нагнетания приводит к снижению давления на стенки трещин и, как следствие, уменьшению величины их раскрытия, что существенно ограничивает допустимые размеры расклинивающих трещину частиц сыпучего материала. Все это обуславливает сравнительно низкую эффективность способа.
Известно скважинное устройство для образования направленных трещин по патенту РФ №2167295, кл. Е21С 37/06, опубл. в БИ №14, 2001 г., включающее трубу, герметизирующую втулку, надетую на конец трубы, узел вращения трубы относительно герметизирующей втулки, шток, размещенный в трубе с возможностью продольного перемещения, вибратор, закрепленный на конце штока, штуцер для нагнетания рабочей жидкости в трубу. На конце трубы со стороны герметизирующей втулки выполнена коническая резьба, а на другом ее конце надет стакан с центральным отверстием в дне. Через трубу и центральное отверстие в дне стакана пропущен шток, выполненный с кольцевым упором в дно стакана изнутри и кольцевым выступом на свободном от вибратора конце. При этом по всей длине боковой поверхности кольцевого выступа выполнена винтовая канавка, герметизирующая втулка выполнена из упругопластичного материала, а штуцер для нагнетания рабочей жидкости установлен на трубе между кольцевым упором и кольцевым выступом штока.
Это устройство имеет сравнительно сложную конструкцию, включающую ударный механизм. Оно способно образовывать трещину в относительно короткой скважине и только в плоскости ее забоя. Ударная нагрузка передается через шток, обладающий большой инерционностью. Поэтому устройство обладает низкой эффективностью.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для разрушения горных пород по патенту РФ №2311533, кл. Е21С 37/12, Е21В 43/16, E21F 7/00, опубл. в БИ №33, 2007 г. Оно включает полый корпус, цангу с клиньями на наружных поверхностях ее лепестков, установленную на корпусе, герметизирующую эластичную втулку, установленную со стороны наружной поверхности корпуса. Один конец корпуса оканчивается цангой, клинья установлены вдоль боковых граней ее лепестков и образуют при взаимном контакте заостренные вершины. Другой конец корпуса связан резьбовым соединением с трубой, в которой размещена штанга с кольцевым выступом. В корпус вставлен распирающий лепестки цанги элемент с возможностью продольного перемещения в направлении свободного конца корпуса. Герметизирующая эластичная втулка надета на корпус со стороны цанги.
Устройство работает только при условии его прижатия к забою скважины с усилием, достаточным для внедрения клиньев в горную породу и герметизации скважины. Оно имеет сравнительно сложную конструкцию и предназначено для формирования трещин в горных породах слабой и средней прочности. Все это обуславливает его сравнительно низкую эффективность при разрушении прочных горных пород.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности разрушения горной породы за счет формирования трещин с большим раскрытием и высокой пропускной способностью, а также разрушения горной породы любой прочности.
Задача решается тем, что в способе разрушения горных пород, включающем бурение скважины, формирование трещин одновременно в трех плоскостях, проходящих через ось скважины и ориентированных друг относительно друга под углом в пределах от 90 до 180°, штангой, разгоняемой в режиме свободного падения, согласно техническому решению трещины формируют смесью пластичного вещества и твердых частиц, после чего в трещины нагнетают жидкость до образования в смеси каналов, соединяющих скважину с границами трещин.
Использование смеси пластичного вещества и твердых частиц позволяет управлять процессом формирования трещин и равномерно распределять твердые частицы в зонах их заполнения. Обусловлено это закономерностями, выявленными в ходе исследований взаимодействия хрупкой среды с разрывающим ее пластичным веществом. Пластичное вещество движется внутри формируемых трещин с большим сопротивлением из-за необходимости постоянного изменения своей формы и стремлением трещин сомкнуться под действием сил упругости и внешнего давления (например, горного). Поэтому пластичное вещество не столько стремится проникнуть в глубь трещин, сколько раздвинуть их поверхности и разместиться ближе к месту нагнетания (скважине). В результате трещины раскрываются на столь большую величину, какую нельзя достигнуть известными способами гидравлического разрыва. При этом границы (фронты) пластичного вещества отстают от границ трещин. По границам трещин образуется свободное от пластичного вещества пространство, в котором давление практически отсутствует и по которому добываемое полезное ископаемое может поступать в скважину. Пластичное вещество раздвигает поверхности трещин, но в отличие от жидкости (в способах гидравлического разрыва) не воздействует на области, прилегающие к границам трещин. Поэтому пластичное вещество в трещинах проявляет свойство клиньев. Однако, в отличие от механических клиньев, оно изменяет свою форму и контактирует с горной породой по всей поверхности зон заполнения трещин. Через пластичное вещество передается давление, от чего оно выполняет функцию гидравлического усилителя. Прикладываемая к пластичному веществу сила в месте нагнетания (в скважине) при воздействии на поверхности трещин многократно увеличивается. Совокупность отмеченных особенностей пластичных веществ обеспечивает управляемость процессом разрыва, создание трещин практически любых размеров и ориентации, в горных породах любой прочности. Нагнетание жидкости в трещины до образования в упомянутой смеси каналов, соединяющих скважину с границами трещин, увеличивает пропускную способность трещин. Возможность создания каналов обусловлена выявленным в ходе исследований эффектом, заключающимся в том, что в трещинах пластичное вещество вытесняет жидкость по окружности, а жидкость прорывает пластичное вещество по пути наименьшего сопротивления в виде извилистых каналов. Нагнетание жидкости в трещины осуществляют в динамическом режиме путем воздействия на предварительно поданную в скважину жидкость штангой, разгоняемой в режиме свободного падения. Максимальное давление создается на торце штанги, прохождение которой вдоль скважины образует систему каналов, соединяющих скважину с границами трещин. Все это существенно повышает эффективность способа.
Целесообразно использовать твердые частицы, имеющие прочность большую, чем прочность разрушаемой горной породы. Это исключает разрушение твердых частиц горным давлением и, как следствие, обеспечивает максимальное раскрытие трещин (поверхности трещин не сближаются, как в случае раздавливания твердых частиц).
Целесообразно использовать пластичное вещество, растворимое в добываемом полезном ископаемом. За счет этого при добыче полезного ископаемого происходит вымывание пластичного вещества из трещин, существенно увеличивая их пропускную способность, что также повышает эффективность способа.
Целесообразно указанные трещины использовать в качестве источника упругих колебаний. Это обеспечивает возможность воздействовать упругими волнами на частицы извлекаемого полезного ископаемого с целью повышения их подвижности, от чего увеличивается эффективность способа за счет повышения продуктивности скважины.
Задача также решается тем, что в устройстве для разрушения горных пород, включающем полый корпус, один конец которого связан резьбовым соединением с трубой, в которой размещена штанга, согласно техническому решению корпус выполнен в виде трубы с продольными канавками на внутренней поверхности в плоскостях формирования трещин и заполнен смесью пластичного вещества и твердых частиц, между которой и штангой в корпусе установлен поршень.
Выполнение корпуса в виде трубы с продольными канавками на внутренней поверхности в плоскостях формирования трещин и заполнение его смесью пластичного вещества и твердых частиц позволяет формировать трещины с большим раскрытием в горной породе любой прочности без герметизации скважины. Установка в корпусе поршня между штангой и смесью пластичного вещества и твердых частиц исключает контакт штанги с указанной смесью и, следовательно, исключает заклинивание штанги в корпусе твердыми частицами, входящими в эту смесь. Все это существенно повышает эффективность работы устройства.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами фиг.1-4.
На фиг.1 показана схема разрушения горной породы, разрез вдоль оси скважины; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - схема нагнетания жидкости до образования в смеси пластичного вещества и твердых частиц каналов, соединяющих скважину с границами трещин; на фиг.4 - устройство для разрушения горных пород, продольный разрез.
Способ разрушения горных пород реализуют следующим образом.
Через пласт 1 полезного ископаемого (далее - пласт 1) бурят скважину 2 (фиг.1), в которую падают смесь 3 пластичного вещества и твердых частиц (далее - смесь 3). Затем в скважину 2 вводят штангу 4, которую разгоняют в режиме свободного падения до удара о поверхность смеси 3, от чего в стенках скважины 2 возникают и развиваются трещины 5, в которые проникает смесь 3. Трещины 5 формируют одновременно в трех плоскостях, проходящих через ось скважины 2 и ориентированных друг относительно друга под углом в пределах от 90 до 180°. Плоскости, в которых формируют трещины 5, задают известными методами. Например, выполнением на стенках скважины 2 продольных борозд - концентраторов напряжений, перфорированием трубы в обсадной скважине, схемой герметизации скважины 2, внедрением в горную породу клиньев и т.д. В большинстве случаев (когда ориентацию трещин 5 не задают условиями разрушения горных пород) формирование трещин 5 осуществляют в плоскостях, проходящих через ось скважины 2 и ориентированных друг относительно друга под углом 120° (фиг.2). При таком расположении плоскостей образуют устойчивую систему развития трещин 5, когда все трещины 5 способствуют взаимному росту. При формировании трещин 5 смесью 3, обладающей высоким сопротивлением движению между сближенными поверхностями, границы трещин 5 опережают границы зон проникновения в них смеси 3. В результате вдоль границ трещин 5 образуется свободное пространство 6, по которому добываемое полезное ископаемое может из пласта 1 проникать в скважину 2. Для повышения пропускной способности трещин 5 в них нагнетают жидкость (на фиг.3 не обозначена) до образования в смеси 3 каналов 7, соединяющих скважину 2 с границами трещин 5 (свободным пространством 6). При необходимости подачи в трещины 5 смеси 3 в объеме, большем объема скважины 2, заполнение скважины 2 смесью 3 с последующим вытеснением ее в трещины 5 штангой 4 осуществляют многократно.
Прочность твердых частиц в смеси 3 выбирают большей, чем прочность горной породы. Поэтому указанные твердые частицы не раздавливаются горным давлением (поверхностями трещин 5) и тем самым обеспечивают максимально возможное раскрытие трещин 5.
Пластичное вещество для смеси 3 выбирают таким, чтобы оно растворялось в добываемом полезном ископаемом. Например, при добыче нефти можно использовать пластичное вещество на основе воска. После растворения пластичного вещества и его извлечения вместе с добываемым полезным ископаемым поверхности трещин 5 удерживаются от смыкания твердыми частицами, расстояние между которыми можно варьировать в больших пределах при приготовлении смеси 3.
Ориентированные друг относительно друга под углом в пределах от 90 до 180° и исходящие веером из одной скважины 2 трещины 5 образуют колебательную систему, возбуждение которой приводит к излучению упругой волны с фронтом, распространяющимся преимущественно в радиальном направлении относительно оси скважины 2. При расположении скважины 2 перпендикулярно пласту 1 такая диаграмма направленности излучения колебательной системы наиболее полно отвечает требованиям по обработке залежи (пласта 1) упругими волнами (для повышения подвижности частиц извлекаемого полезного ископаемого). Преимущество такого источника состоит том, что он является составной частью породного массива (не требуется согласующих элементов) и расположен внутри области, которую обрабатывают упругими волнами. Возбуждение колебательной системы можно осуществлять известными вибраторами, способными создавать в жидких средах упругие волны в нужном диапазоне частот (например, с частотой собственных колебаний системы). В предлагаемом способе колебательную систему возбуждают одновременно с формированием трещин 5 ударами штанги 4 по поверхности смеси 3. При этом смысл рассмотрения трещин 5 в качестве источника упругих волн состоит в том, что массу и высоту подъема штанги 4 рассчитывают исходя не только из эффективности разрушения горной породы, но и создания упругих импульсов с широким диапазоном частот, включая и те, которые наиболее эффективно повышают проницаемость пласта 1. Кроме этого, способ можно и, в ряде случаев, целесообразно использовать в основном для возбуждения в пласте 1 упругих колебаний.
Способ может быть реализован с помощью устройства того же назначения.
Устройство для разрушения горных пород (далее - устройство) включает полый корпус 8 (далее - корпус 8) в виде трубы (фиг.4) с продольными канавками 9 на внутренней поверхности в плоскостях формирования трещин 5. Один конец корпуса 8 связан резьбовым соединением 10 с трубой 11, в которой размещена штанга 4. Корпус 8 заполнен смесью 3. Между смесью 3 и штангой 4 в корпусе 8 установлен поршень 12.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Устройство подают в скважину 2 (на фиг.4 не показана) до упора в ее забой. Ударами штангой 4 по смеси 3 через поршень 12 внутри корпуса 8 создают давление, от чего корпус 8 расширяется и придавливается внешней поверхностью к стенкам скважины 2. Далее давление разрывает корпус 8 по линиям расположения канавок 9 и передается стенкам скважины 2, от чего в плоскостях расположения канавок 9 в горной породе возникают трещины 5. Через разрывы в корпусе 8 смесь 3 поступает в трещины 5 и развивает их. Смесь 3 вытесняют из корпуса 8 до полного опускания поршня 12 к забою скважины 2. После этого корпус 8 заполняют жидкостью (например, водой), по поверхности которой наносят удары штангой 4. В результате в смеси 3 возникают каналы 7 (фиг.3), соединяющие скважину 2 со свободным пространством 6 (границами трещин 5). Затем штангу 4 извлекают из устройства, а оставшиеся детали устройства в дальнейшем используют в качестве элементов системы извлечения полезного ископаемого.
При необходимости создания трещин 5 больших размеров заполнение корпуса 8 смесью 3 с последующим вытеснением ее в формируемые трещины 5 штангой 4 с помощью поршня 12 осуществляют многократно. При этом каждый последующий поршень 12 опускают до контакта с предыдущим и далее из корпуса 8 не извлекают.
Предлагаемым способом технически реализуют идею повышения эффективности разрушения горной породы путем использования выявленных в ходе исследований особенностей разрыва хрупкой среды смесью 3, а также эффекта взаимодействия в трещине жидкости и пластичного вещества. Устройство для реализации способа может быть изготовлено в механических мастерских практически любых горных предприятий.