Пристрій для гідророзриву порід в свердловині

Изобретение относится к разрушению горных пород в скважинах (шпура х) и может быть использовано для определения напряженного состояния массива горных пород, путем нагнетания жидкости под давлением в изолируемый участок скважины до разрушения ее стенок и установления параметров гидроразрыва. Известно устройство для гидроразрыва скважин, включающее корпус с двумя закрепленными на нем упругими оболочками, между которыми установлен регулируемый редукционный клапан, и снабженное каналом для подвода рабочей жидкости в пакеры и межпакерный интервал [Авт.св. СССР № 877006, кл. Е 21 С 39/00. 1979]. Недостатком устройства является низкая надежность его работы из-за выхода из строя инъекционных пaкеров при превышении допустимого кольцевого зазора между ними и стенками скважин, а также при наличии каверн и других неровностей на стенке скважины. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для образования направленных трещин в скважинах (прототип), включающее полый цилиндрический корпус с торцевым каналом подвода и отверстием для выхода рабочей жидкости, раздвижные элементы с поперечными закалывающими клиньями на наружных поверхностях, 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, причем кольцевой распорный элемент установлен с возможностью ограниченного продольного перемещения относительно корпуса, а раздвижные элементы выполнены в виде цанг, связанных концами лепестков с вершиной кольцевого распорного элемента, при, этом корпус у торца выполнен с конусным заострением, прилегающим к внутренним поверхностям лепестков цанг, а закалывающие клинья расположены на свободных концах лепестков цанги. Кроме того устройство снабжено пластинами, установленными на наружных поверхностях лепестков цанги с перекрытием продольных зазоров между ними, а эластичный кольцевой элемент установлен с охватом пластин, причем на основании кольцевого распорного элемента установлено эластичное кольцо, а корпус выполнен с кольцевым буртом со стороны основания кольцевого распорного элемента [Авт.св. СССР № 1555483, кл. Е 21 С 37/06, 1990]. Недостатком устройства является то, что до образования в скважине перепада давления в надпакерной и подпакерной зонах, сжатие уплотнительных элементов обеспечивается за счет усилия подачи колонны буровых труб, что ограничивает область применения устройства из-за необходимости использования бурового станка. При этом отсутствует контроль герметизации уплотнительных элементов в скважине, зависящий от многих факторов (упр угости и длины оболочек, зазора между скважиной и оболочкой и др.). Кроме того, не исключено защемление закалывающих клиньев в горной породе, что приведет к их деформации при извлечении устройства из скважины после гидроразрыва. В основу изобретения поставлена задача создания устройства для гидроразрыва пород в скважине, в котором за счет механизма сжатия уплотнительного элемента с независимым каналом подвода рабочей жидкости, обеспечивается упрощение конструкции, повышение эксплуатационой надежности устройства и за счет этого расширение технологических возможностей и долговечности при сравнительно небольших габаритах и весе. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для гидроразрыва пород в скважине, содержащем цилиндрический корпус с продольным осевым каналом подвода рабочей жидкости, эластичный трубчатый элемент, цангу и механизм сжатия последних, согласно изобретению, механизм сжатия выполнен в виде установленной на корпусе поршневой пары, рабочая камера которой соединена посредством радиального канала с вторым продольным каналом, а цанга выполнена с оппозитно расположенными опорными поверхностями и установлена на распорных конусах, торцевые поверхности которых контактируют с одной стороны с цилиндром-толкателем, а с другой - посредством трубчатого эластичного элемента с торцевым упором корпуса. Согласно изобретению, цанга дополнительно снабжена пружиной, расположенной на корпусе устройства между двумя распорными конусами. Согласно изобретению, наружные поверхности лепестков цанги, расположенные над ее опорными поверхностями, снабжены шипами. Двухканальная система подвода рабочей жидкости, простота конструкции механизма сжатия, обеспечивают работу устройства в два этапа: первый - запирание его в любой части скважины; второй нагнетание жидкости по независимому каналу в изолированный участок скважины, вплоть до гидроразрыва. На первом этапе, при увеличении давления рабочей жидкости, цилиндр - толкатель перемещаясь, воздействует одновременно на цангу и эластичный элемент. Эластичный элемент расширяясь, герметизирует кольцевой зазор между корпусом и стенкой скважины, а цанга позволяет увеличить усилия, удерживающие устройства в скважине не менее, чем в два раза. Пружина, расположенная между корпусом устройства и цангой, исключает зажим конусов по опорной поверхности цанги, после снятия давления в системе и извлечении устройства из скважины. Конструкция устройства позволяет надежно обеспечить выполнение работ практически на любой глубине скважины, достоверно регистрировать рабочие параметры давления разрыва, имеет малый вес и малые габариты. Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан общий вид устройства; на фиг. 2 общий вид цанги. Устройство содержит корпус 1 с продольными каналами 2 и 3. В верхней части корпуса 1, концентрично его продольной оси размещен цилиндр-толкатель 4, образующий с корпусом поршневую пару, рабочая камера 5 которой, связана радиальным каналом с осевым каналом 2. На наружной поверхности корпуса 1, ниже цилиндра-толкателя 4, на распорных конусах 6 и 7 установлена цанга 8. Конические торцовые поверхности распорных конусов б и 7 являются седлом под опорные поверхности цанги 8. Наружные поверхности лепестков цанги 8, расположенные над ее опорными поверхностями, снабжены шипами 9. Между корпусом 1 и внутренней поверхностью цанги 8 по всей ее длине, между двумя распорными конусами 6 и 7 установлена пружина 10. Распорный конус 7 контактирует своим торцом с эластичным элементом 11, который удерживается на корпусе 1 с помощью стопорящей гайки 12. В корпусе 1 закреплены штуцера 13 и 14 для подвода рабочей жидкости. Устройство работает следующим образом. Устройство помещают в шпур и насосным агрегатом создают в системе определенное, избыточное давление. При этом рабочая жидкость под давлением поступает через штуцер 13 по каналу 2 в рабочую камеру 5 и воздействует на цилиндр-толкатель 4, перемещая его вниз. Движение передается на распорный конус 6, цангу 8, пружину 10, распорный конус 7, который воздействует своим торцом на эластичный элемент 11, в результате чего осуществляется герметизация кольцевого зазора между пакером и стенкой шпура. Одновременно, по мере повышения давления в системе, цанга 8 расширяется в радиальном направлении, а ее опорные поверхности перемещаются относительно наклонных поверхностей распорных конусов б и 7 и внедряются шипами 9 расположенными на внешней стороне лепестков, в боковые поверхности шпура. Затем через штуцер 14 по каналу 3 подают рабочую жидкость в изолированный участок скважины. При повышении давления в изолированном участке до разрыва стенки скважины, рабочая жидкость, воздействуя на эластичный элемент 11, дополнительно сжимает его, надежно герметизируя изолированный участок шпура, т.е. в процессе нагружения этого участка происходит его самозапирание. Нарастание давления на изолированном участке продолжается до гидроразрыва стенок. По изменению давления в системе определяют параметры гидроразрыва пласта. Извлечение устройства из скважины осуществляется после снятия давления в системе. Цанга 8 под действием пружины 10 и эластичный элемент 11 принимают свою первоначальную форму и размеры и не препятствуют извлечению устройства. Предлагаемое устройство изготовлено в металле. Проведены натурные испытания на шахтах объединения "Донецкуголь". Испытания показали положительные результаты. Устройство может быть использовано непосредственно для разрушения горных пород и для исследовательских целей, в частности для оценки напряженного состояния массива горных пород, в свою очередь, обеспечивает выбор оптимальной схемы расположения горных выработок и их устойчивость.