Пристрій для керування проникністю гірських порід

Корисна модель відноситься до пристроїв для підвищення або зниження проникності гірських порід шляхом формування у них розколин або розривів і/або шляхом ін'єкції в породу (грунт) розчинів речовин, що ущільнюють. Може бути використана як для видобутку нафти, газу й інших корисних копалин із глибоких свердловин, так і в будівництві для зміцнення і гідроізолювання грунтів, укосів, тунелів то що. Відомий пристрій для керування проникністю гірських порід при підземному вилуговуванні містить в собі рухливі циліндри (ударний механізм), встановлені з можливістю діяти на розташований під ним генератор силових (ударних) хвиль з цільним випромінювачем, що розміщений у направляючій трубі (корпусі) з можливістю робити зворотно-поступальний рух і контактувати одним зі своїх торців з те хнологічним розчином у колоні труб. [1] Також відомий також ) пристрій для оброблення масиву гірської породи крізь свердловини містить в собі гідроциліндр для створення статичного тиску, ударний механізм-генератор силових (ударних) хвиль, розташований у корпусі з можливістю робити зворотно-поступальний рух (обмежене осьове переміщення) і діяти на випромінювач хвиль, нижній торець якого розміщений у колоні труб, заповненої технологічним розчином (хвилеводом) і маючий на своєму кінці, розташованому у свердловині, відбивач ударних хвиль (контейнервідбивач). [2] Найбільш близьким до заявленого пристрою за сукупністю суттєви х ознак є пристрій для ударно-хвильової дії впливу на стовп рідини у свердловині. Цей пристрій містить в собі ударний механізм, встановлений з можливістю механічної дії на хвостовик цільного випромінювача, розташованого у корпусі, сам корпус і приєднану до нього порожнисту колону труб. У випромінювачу виконано конусну порожнину, вершина якої спрямована вбік ударного механізму, а основа лежить у площині нижнього торця випромінювача. Площа поперечного перерізу торця хвостовика випромінювача менше площі поперечного перерізу протилежного торця випромінювача, зверненого до порожнини колони труб. Колона труб герметично приєднана до корпуса випромінювача таким чином, що технологічний розчин-хвилевід, що нагнітається в неї, постійно заповнює конусну порожнину випромінювача. [3] В усіх наведених вище пристроях-аналогах випромінювач виконано цільним і на його хвостовик здійснюється пряма механічна дія ударним механізмом. З цієї причини, для забезпечення амплітуди тиску понад 15-20Мпа у фронті ударної хвилі, складно підібрати матеріали випромінювача і бойка ударного механізму з необхідним діапазоном їх міцністних характеристик. А через складність із забезпеченням високої амплітуди тиску пристроїаналоги малоефективні при хвильовому транспортуванні в шар гірської породи технологічних (тампонажних) розчинів, щільність яких вище 1,0. Технічною задачею, на рішення якої спрямована запропонована корисна модель, є удосконалення генератора силових хвиль шля хом наділення випромінювачеві додаткових функцій посилення імпульсів тиску, виконання випромінювача з декількох деталей з різними міцністними характеристиками, що забезпечує підвищення надійності роботи пристрою й одержання амплітуд тиску у фронті ударної хвилі до 150-200Мпа, а як наслідок - одержання можливості високоефективного транспортування в шар гірської породи технологічних (тампонажних) розчинів, щільність яких ви ще 1,0. Поставлена технічна задача вирішується тим, що в пристрої для керування проникністю (підвищення або зниження проникності) гірських порід, що містить в собі генератор ударних хвиль, що складений з ударного механізму, встановленого з можливістю механічної дії на розташований під ним у корпусі випромінювач ударних хвиль з конусною порожниною, вершина якого спрямована вбік ударного механізму, герметично приєднану до корпуса випромінювача з боку конусної порожнини у випромінювачу колоні труб с контейнером-відбивачем ударних хвиль, згідно корисної моделі, випромінювач ударних хвиль виконаний у вигляді послідовно розташованих у корпусі з можливістю обмеженого осьового переміщення (зворотно-поступального руху) і кінематичне не пов'язаних між собою поршня-хвостовика, поршня, що плаває, і диференціального поршня. Поршень-хвостовик пропонується встановити у корпусі верхнім торцем вбік бойка ударного механізму, а нижнім вбік верхнього торця поршня, що плаває. Поршень, що плаває, пропонується встановити в корпусі нижнім торцем вбік верхнього торця диференціального поршня. Верхній торець диференціального поршня пропонується виконати з площею поперечного перерізу більшою, ніж у нижнього торця, зверненого вбік порожнини колони труб. Висоту поршня, що плаває, пропонується виконати меншою, ніж зазор поміж зверненими один до одного торцями поршня-хвостовика і диференціального поршня. Утворену в результаті такої нерівності висот поршнів зазорпорожнину поміж поршнем, що плаває, і ди ференціальним поршнем пропонується частково заповнити рідиною. Запропоноване виконання випромінювача силових хвиль у вигляді послідовно встановлених у корпусі з можливістю обмеженого осьового переміщення і кінематичне не пов'язаних між собою поршня-хвостовика, поршня, що плаває, і диференціального поршня, дає можливість підібрати матеріали випромінювача і бойка ударного механізму з необхідним діапазоном їхніх міцністних характеристик. Запропоноване взаємне розташування в корпусі поршня-хвостовика, поршня, що плаває, і диференціального поршня забезпечує працездатність випромінювача силових хвиль. За рахунок запропонованої нерівності площ поперечного перерізу верхнього і нижнього торців диференціального поршня останній одержує можливість виконувати функцію вбудованого у генератор ударних хвиль гідравлічного мультиплікатора тиску. Цей мультиплікатор здатний підвищувати амплітуду тиску у фронті ударної хвилі до 150-200Мпа. При цьому, без заміни ударного механізму, варіюванням тільки діаметрами торців диференціального поршня, забезпечується можливість вибору величини коефіцієнта мультиплікації (відношення квадрату більшого діаметра до квадрату меншого діаметра) для заданого діапазону випромінюваних імпульсів тиску. Виконання висоти поршня, що плаває, меншою відстані поміж зверненими один до одного торцями поршня-хвостовика і диференціального поршня, дає можливість частково заповнювати рідиною створену таким чином порожнину поміж поршнем, що плаває, і диференціальним поршнем. Заповнення цієї порожнини (зазору) рідиною дає можливість використовува ти цю рідину для передавання імпульсів її тиску на диференціальний поршень. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, на якому зображено поздовжній переріз пристрою (без ударного механізму) для керування проникністю гірських порід, суміщений зі спрощеною схемою керування його роботою. Заявлений пристрій містить бойок 1 ударного механізму (весь ударний механізм на ілюстрації не зображено), встановлений з можливістю нанесення ударів по розташованому під ним у розбірному і порожнистому корпусі 2 поршню-хвостовику 3. У корпусі 2 виконані чотири сполучені поміж собою циліндричні й одна конічна порожнина для розміщення в неї кінематично не пов'язаних між собою бойка 1, поршня-хвостовика 3, поршня 4, що плаває, і диференціального поршня 5. Частка 6 циліндричної порожнини корпуса 2, що знаходиться поміж поршнями 4 і 5, сполучена крізь канал у корпусі і вентиль 7 з магістраллю 8 підведення робочої рідини з дозатора 9. Ця частка 6 утворена за рахунок того, що товщина поршня 4, що плаває, менша відстані поміж зверненими один до одного торцями поршнів 3 та 5. Конічна порожнина корпуса 2 сполучена крізь канал 10 з атмосферою. До нижньої циліндричної порожнини корпуса 2 герметично приєднана колона труб 11 з контейнером-відбивачем 12 силових (ударних) хвиль, напрямок яких позначено стрілками 13. Для обмеженого осьового переміщення поршняхвостовика 3 у його бічній поверхні виконано паз 14, у якому встановлено із заданим зазором обмежувач ходу 15. Обмежувач 15 зафіксовано жорстко у тілі корпуса 2. Диференціальний поршень 5 виконано уступовим: два циліндри різних діаметрів жорстко поєднані між собою зрізаним конусом. Верхня поверхня (торець) поршня 5, що звернена вбік торця поршня 4, що плаває, має площу поперечного перерізу більшу, ніж площу поперечного переріза нижньої поверхні цього поршня, що звернена вбік порожнини колони труб 11. З нижнього, більш тонкого торця, у поршні 5 виконана конусна порожнина 16, вершина якої спрямована вбік бойка 1. На циліндричних поверхнях поршнів 4 та 5 встановлені ущільнювальні манжети 17. Порожнина колони труб 11 сполучена крізь вентилі 18 та 19 з напірними магістралями 20 та 21 технологічного розчину 22. Заявлений пристрій для керування проникністю гірських порід працює таким чином. У неробочому стані поршні 3, 4 і 5 знаходяться у своїх нижніх положеннях. При цьому верхній окрайок паза 14 упирається в обмежувач 15, поміж бойком 1 і поршнем 3 створюється необхідний зазор холостого ходу. Нижній торець поршня 4, що плаває, знаходиться в контакті з верхнім торцем поршня 5. Конусна поверхня поршня 5 контактує з конусною поверхнею корпуса 2 і тому перекриває канал 10. Між верхнім торцем поршня 4 і нижнім торцем поршня 3 утворюється конструктивний зазор. Цей зазор зменшують на задану величину нагнітанням у порожнину 6 порції робочої рідини. Задану порцію цієї рідини нагнічують по магістралі 8 крізь вентиль 7 з дозатора 9. Після цього вентиль закривають. Крізь вентилі 18 та 19 по напірних магістралях 20 та 21 у колону тр уб 11 постійно нагнічують технологічний розчин 22. Як технологічний розчин використовують воду, кислоту тощо - для формування розколин у гірській породі, або цементний розчин, розчин полімеру, розчин рідкого скла тощо - для ін'єкції у породу (грунти) речовин, що ущільнюють. Під тиском розчину 22 розділені шаром робочої рідини поршні 5 і 4 піднімаються догори (до упору поршня 4, що плаває, у поршень-хвостовик 3), піднімаючи поршень 3 у його верхнє положення. У такому положенні нижній окрайок паза 14 поршня-хвостовика 3 упирається в обмежувач ходу 15. Одночасно крізь канал 10 з атмосфери засмоктується повітря в строрюючу порожнину поміж конусними поверхнями корпуса 2 і поршня 5. Таким чином заявлений пристрій приводиться в робочий стан. Далі включають ударний механізм і здійснюючий з великою частотою зворотно-поступальний рух бойок 1 наносить удари по верхньому торцю поршня-хвостовика 3. Цей поршень після кожного удару по ньому опускається до упору обмежувача 10 у верхній окрайок паза 14 і передає ударні імпульси поршню 4, що плаває. Поршень 4, опускаючись донизу разом з поршнем 3, діє на робочу рідину в порожнині 6 і через неї передає посилені на коефіцієнт мультиплікації (на відношення квадрата більшого діаметра торця диференціального поршня 5 до квадрату меншого діаметра торця цього поршня) імпульси тиску цієї рідини на верхній торець поршня 5. Диференціальний поршень 5 теж опускається донизу. При його опусканні крізь канал 10 в атмосферу видавлюється повітря з порожнини поміж конусними поверхнями поршня 5 і корпуса 2. Диференціальний поршень 5, як силовий елемент гідравлічного мультиплікатора, передає посилені імпульси тиску на стовп технологічного розчину 22. Таким чином амплітуда тиску у фронті ударних імпульсів, що генеруються нижнім торцем диференціального поршня 5 у стовпі розчину 22, збільшується на коефіцієнт мультиплікації в порівнянні з амплітудою тиску у фронті ударних імпульсів, що генерується поршнями 3 і 4 у порожнині 6, яка заповнена робочою рідиною. У результаті одночасного осьового переміщення донизу поршнів 3, 4 і 5 з порожнини колони труб 11 через щілини (канали), що виконані в стінці контейнера-відбивача 12, у масив гірської породи видавлюються порції технологічного розчину 22. Ударні (силові хвилі стиску-розтягання) 13, що генеруються після кожного удару бойка 1 по поршню 3, акумулюються в конусній порожнині 16, передаються по стовпу розчину (по хвилеводу) 22 у напрямку контейнера-відбивача 7 і там повертають вектор напрямку своєї дії уздовж шару гірської породи. Ці хвилі з амплітудою тиску у фронті хвилі, що досягають 150-200Мпа і діють з частотою, близькою до 50Гц, здійснюють утомлене знещільнення масиву гірської породи і хвильове транспортування (забивання) розчину 22 у пори і розколини породи. Бібліографічні дані джерел інформації, де розкриті аналоги. 1. Авторське свідоцтво СРСР на винахід №1301024 А, не публ., МПК4: Е21В43/26, 43/28. (АНАЛОГ) 2. Патент України на винахід №28126, публ. 16.10.2000р., Бюл. №5. МПК6: Е21В43/25, 43/28, 43/26. (АНАЛОГ) 3. Авторське свідоцтво СРСР на винахід №1550970 А1, не публ., МПК5: Е21В43/28. (ПРОТОТИП)