Спосіб обробки масиву гірничої породи крізь свердловини та пристрій для його здійснення

1 Спосіб обробки масиву гірничої породи крізь свердловини, який включає операції розущільнення пласта корисної копалини свердловиною, подачу в свердловину рідини, вплив шляхом ви промінювача на стовп рідини статичним тиском і ударними хвилями, що передаються по рідинному хвилеводу крізь відбивач у пласт гірничої породи, який відрізняється тим, що ударні хвилі генеру ють низької і високої частоти з різною енергією удару, якими поперемінно впливають на масив гірничої породи, причому тривалість впливу удар ними хвилями однієї частоти змінюють у функції літологічних властивостей оброблюваного масиву гірничої породи. 2. Пристрій для обробки масиву гірничої породи крізь свердловини, який включає на одній осі встановлені гідроциліндр для створення статичного тиску, генератор ударних хвиль, складений з корпуса, всередині якого розміщений поршень, що утворює камеру прямого ходу, сполучену з напірною магістраллю, і камеру зворотного ходу, яка поперемінно сполучається із напірною і зливною магістралями, випромінювач, встановлений в трубі-хвилеводі, відбивач і систему автоматичного управління процесом навантаження масиву гірничої породи, що містить кінцевий перемикач, взаємодіючий з обмежувачем прямого і зворотного ходу випромінювача, і гідравлічно зв'язаний із поршневою порожниною гідроциліндра і зі зливною магістраллю, який відрізняється тим, що автоматична система управління процесом навантаження масиву гірничої породи додатково містить кінцевий перемикач, установлений з можливістю взаємодії із обмежувачем прямого ходу випромінювача, і гідравлічно зв'язаного з блоком регулювання частоти і енергії ударних хвиль, виконаного у вигляді паралельно з'єднаних між собою регуляторів витрачання робочої рідини, входи яких гідравлічнозв'язані з поршневою порожниною гідроциліндра для створення статичного тиску, виходи крізь кінцевий перемикач з гідромотором розподільного золотника, виконаного з можливістю поперемінного сполучення напірної і зливної магістралі з камерами прямого і зворотного ходу генератора ударних хвиль відповідно, і регулятором витрачання робочої рідини, вхід якого зв'язаний з механізмом подачі робочої рідини, а вихід через зворотний клапан, сполучений з порожниною трубихвилеводу, що виконана складеною, причому в верхній частині розміщений випромінювач, а в нижній, перфорований повздовжніми пазами, відбивач 3. Пристрій за п. 2, який відрізняється тим, що в трубі-хвилеводі перед відбивачем установлена перегородка з дросельним отвором, діаметр якого дорівнює або кратний довжині хвилі 4. Пристрій за п. 2 або 3, який відрізняється тим, що ширина поздовжніх пазів у нижній частині труби-хвилеводу дорівнює або кратна довжині хвилі. CM О CM 00 CM о» Винахід відноситься до гірничої справи та може бути використаний при видобутку корисних копалин крізь свердловини, при проведенні буровибухових робіт в обводнених масивах гірничої породи та для осушення свердловин, шляхом зміни фізико-механічних властивостей масиву гірничої породи. Найбільш близьким по технічній суті і прийнятим за прототип є спосіб підвищення проникності гірничої породи на місці залягання, що включає операції розущільнення пласту корисних копалин свердловиною, подачу в свердловину рідини, вплив на стовп рідини статичним тиском, генерування ударних хвиль та їх передачу по рідинному 28126 хвилеводу крізь відбивач у пласт гірничої пороДИ[1] Недоліком способу є низька ефективність і енергоємність процесу обробки масиву гірничої породи і зумовлені неоднорідністю акустичних властивостей розущільнюваного масиву з рідинним хвилеводом У процесі силово! обробки масиву гірничої породи відбувається інтенсивне змішування твердих мікрочастин, які знаходяться в рідинному хвилеводі, і часток, що утворюються в процесі руйнування пласту, що перешкоджає повному заповненню утворених мікротріщин і пор, призводить до погіршення фізико-механічних властивостей рідинного хвилеводу, порушення його однорідності, суцільності і, в кінцевому підсумку, до зниження його експлуатаційних властивостей і різкого падіння ефективності роботи хвилеводу, що робить спосіб енергоємним Найбільш близьким по технічній суті є пристрій для управління проникненістю гірничої породи, який включає гідроциліндр для створення статичного тиску, генератор ударних хвиль, складений із корпуса, всередині якого розміщений поршень, що утворює камеру прямого ходу, сполучену з напірною магістраллю, і камеру зворотного ходу, що поперемінно сполучається з напірною та зливною магістраллю, випромінювач, установлений у підйомній трубі-хвилеводі, відбивач, установлений у свердловині, систему автоматичного управління процесом навантаження масиву гірничої породи, що містить кінцевий перемикач, який взаємодіє з обмежувачем прямого і зворотного ходу випромінювача, і гідравлічно зв'язаний з поршневою порожниною гідро циліндра і зі зливною магістраллю [2] Недоліком наведеного пристрою є низький ККД використання енергії ударних хвиль і обмежені функціональні можливості в силу відсутності зворотного зв'язку між фізико-механічними властивостями оброблюваного масиву гірничої породи і режимом його навантаження Крім того, неможливість зміни режиму навантаження масиву, що обробляється, при високій приймальності свердловини в рідинному хвилеводі, можливо утворення газоподібних включень, що призводить до порушення однорідності і суцільності рідинного хвилеводу і зниження його експлуатаційних властивостей В основу винаходу поставлена задача вдосконалити спосіб обробки масиву гірничої породи при видобутку корисних копалин через свердловину, шляхом зміни режиму навантаження масиву гірничої породи, забезпечити акустичну однорідність розущільнення масиву гірничої породи з рідинним хвилеводом і за рахунок цього значно підвищити ефективність способу і зменшити його енергоємність В основу винаходу поставлена задача вдосконалити пристрій для здійснення способу, шляхом введення додаткових елементів в новому взаємозв'язку, забезпечити автоматичне управління режимом навантаження масиву гірничої породи в залежності від його ЛІТОЛОГІЧНИХ властивостей і за рахунок цього підвищити ККД пристрою і поширити його функціональні можливості Задача вирішена тим, що в способі обробки масиву гірничої породи крізь свердловини, який включає операції розущільнення пласта корисної копалини свердловиною, подачу в свердловину рідини, вплив, шляхом випромінювача на стовп рідини статичним тиском, і ударними хвилями, що передаються по рідинному хвилеводу крізь відбивач в пласт гірничої породи, згідно з винаходом, ударні хвилі генерують низької і високої частоти з різною енергією удару, якими поперемінно впливають на масив гірничої породи, причому тривалість впливу ударними хвилями однієї частоти змінюють у функції ЛІТОЛОГІЧНИХ властивостей оброблюваного масиву гірничої породи Задача вирішена тим, що в комплексі для здійснення способу, який включає на одній осі встановлені гідроциліндр для створення статичного тиску, генератор ударних хвиль, складений із корпуса, всередині якого розміщений поршень, що утворює камеру прямого ходу, сполучену з напірною магістраллю, і камеру зворотного ходу, яка поперемінно сполучається із напірною і зливною магістралями, випромінювач, встановлений у трубі-хвилеводі, відбивач і систему автоматичного управління процесом навантаження масиву гірничої породи, що містить кінцевий перемикач, взаємодіючий з обмежувачем прямого і зворотного ходу випромінювача, і гідравлічно зв'язаний із поршневою порожниною гідроциліндра і зі зливною магістраллю Згідно з винаходом, автоматична система управління процесом навантаження масиву гірничої породи додатково містить кінцевий перемикач, встановлений з можливістю взаємодії із обмежувачем прямого ходу випромінювача, і гідравлічно зв'язаного з блоком регулювання частоти і енергії ударних хвиль, виконаного у вигляді паралельно з'єднаних між собою регуляторів витрачання робочої рідини, входи яких гідравлічно зв'язані з поршневою порожниною гідроциліндра для створення статичного тиску, виходи крізь кінцевий перемикач з гідромотором розподільного золотника, виконаного з можливістю поперемінного сполучення напірної і зливної магістралі з камерами прямого і зворотного ходу генератора ударних хвиль ВІДПОВІДНО, і регулятором витрачання робочої рідини, вхід якого зв'язаний з механізмом подачі робочої рідини, а вихід через зворотний клапан сполучений з порожниною труби-хвилеводу, що виконана складеною, причому в верхній частині розміщений випромінювач, а в нижній, перфорований повздовжніми пазами, відбивач Труба-хвилевід містить регульований дросель, встановлений з можливістю сполучення його складників У трубі-хвилеводі перед відбивачем встановлена перегородка з дросельним отвором, діаметр якого дорівнює або кратний довжині хвилі Ширина повздовжніх пазів у нижній частині трубихвилевода дорівнює або кратна довжині хвилі Завдяки тому, що в заявлюваному способі обробки масиву гірничої породи крізь свердловини, ударні хвилі генерують низької і високої частоти з різною енергією удару, якими поперемінно впливають на масив гірничої породи в присутності статичного тиску, причому тривалість впливу ударними хвилями однієї частоти змінюють в функції ЛІТОЛОГІЧНИХ властивостей оброблюваного масиву гірничої породи, відбувається почергова обробка масиву силовими імпульсами низької частоти і високої енергії для утворення тріщинуватості і високої частоти, для 28*26 сокої частоти, для заповнення рідиною утворених тріщин, збільшується ефективність наступної силової обробки низькою частотою Це дозволило в процесі розущільнення масиву гірничої породи створити акустичну однорідність розущільненого масиву з рідинним хвилеводом, тобто повне заповнення рідиною тріщин і пор в місці ударної обробки пласту, і завдяки цьому значно підвищити ефективність способу і зменшити його енергоємність Конструктивне рішення системи управління генератором ударних хвиль у взаємозв'язку з виконавчими механізмами комплексу дозволило здійснити ефективний спосіб обробки масиву гірничої породи Автоматичною системою управління режимом почергової обробки масиву гірничої породи в режимі перемінної частоти та енергії досягнута стабілізація експлуатаційних, тобто фізикомеханічних властивостей рідинного хвилеводу незалежно від делатантних властивостей оброблюваного масиву і, за рахунок цього, значно підвищити ККД пристрою і поширити його функціональні можливості Суть винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг 1 - представлений загальний вигляд пристрою для здійснення способу обробки масиву гірничої породи крізь свердловини, фіг 2 - рідинний хвилевід у свердловині Пристрій для здійснення способу включає на одній осі встановлені гідроциліндр 1 із поршневою 2 та штоковою 3 порожнинами для створення ста тичного тиску, генератор ударних хвиль 4, складе ний з корпуса 5, всередині якого розміщений пор шень б, утворюючий камеру прямого ходу 7, спо лучену з напірною магістраллю 8 і камерою зворо тного ходу 9, що поперемінно сполучається з напі рною 8 і зливною 10 магістралями, випромінювач 11 та встановлений в трубі-хвилеводі 12, і відби вач 13 Система автоматичного управління проце сом навантаження масиву гірничої породи містить кінцевий перемикач 14 з контактами «б», «в», вза ємодіючий з обмежувачами зворотного 15 і прямо го 16, 17 ходу випромінювача 11 Кінцевий пере микач 14 гідравлічно зв'язаний з поршневою поро жниною 2 гідроциліндра 1 і зі зливною магістраллю 10 Додатковий кінцевий перемикач 18 з контакта ми «г», «д», встановлений з можливістю взаємодії 3 обмежувачем 17 прямого ходу випромінювача 11, і гідравлічно зв'язаний з блоком регулювання частоти і енергії ударних хвиль 19, виконаного у вигляді паралельно з'єднаних між собою регуля торів витрачання робочої рідини 20, 21, входи яких гідравлічно зв'язані з поршневою порожниною 2 гідроциліндра 1 для створення статичного тиску, виходи крізь кінцевий перемикач 18 з гідромото ром 22 розподільного золотника 23, виконаного з можливістю поперемінного сполучення напірної 8 і зливної 10 магістралей з камерами прямого 7 і зворотного 9 ходу генератора ударних хвиль 4, ВІДПОВІДНО Регулятор витрачання робочої рідини 24 входом зв'язаний з механізмом подачі рідини 25, а виходом через зворотний клапан 26, сполу чений з порожниною труби-хвилевода 12, що ви конана складеною, причому в верхній частині роз міщений випромінювач 11, а в нижній - відбивач 13 В нижній частині труби-хвилеводу 12 виконані повздовжні пази 27, крізь які робоча рідина хвиле воду 28 надходить в свердловину ЗО, армовану обсадною трубою 31 з профільними отворами 32 Складники труби-хвилеводу 12 з'єднані між собою через дросельний отвір 33 Вхід розподільника потоку рідини 34 зв'язаний з насосом 35, а вихід - з напірною магістраллю 8 Гідросистему від перевантаження захищає регульований клапан 36, з'єднаний з напірною 8 та зливною 10 магістралями Приклад здійснення способу обробки масиву гірничої породи крізь свердловини Спочатку розкривають масив гірничої породи свердловиною ЗО діаметром 200 мм, яку армують обсадною колоною 31 з профільними отворами 32 Після ЦЬОГО В свердловину ЗО вводять трубухвилевід 12, всередині якої розміщені випромінювач 11 і відбивач 13 В трубу-хвилевід 12 нагнічують робочу рідину 28 під тиском, що перевищує поровий не менше ніж в 1,5 раза, в розрахунку на те, щоб компенсувати гірничий тиск, на стовп рідини в трубі-хвилеводс 12 Робочу рідину 28 нагнічують в трубу-хвилевід 12 до досягнення рівня, суміщеного з крайнім верхнім положенням випромінювача 11 Після ЧОГО на стовп робочої рідини 28 впливають ударними хвилями в присутності статичного тиску, які передають по рідинному хвилеводу 28 через відбивач 13 в навколишній масив гірничої породи В процесі обробки масиву генерують ударні хвилі низької і високої частоти з різною енергією удару, якими поперемінно впливають на масив гірничої породи в присутності статичного тиску Причому тривалість впливу ударними хвилями однієї частоти змінюють в функції делатантних властивостей гірничої породи Таким чином, обробку масиву гірничої породи виконують циклічно, тобто в два етапи На першому етапі виконують силову обробку пласта з частотою і енергією, що створюють амплітуду тиску, яка перевищує напругу стиску-розтягу в площині пласту, що забезпечує делатантну деформацію і розущільнення масиву На другому етапі здійснюють обробку пласта силовими хвилями частотою не менше 75 Гц, величину якої встановлюють дослідним шляхом, виходячи з фізико-механічного і гранулометричного складу рідини в свердловині В результаті на даному етапі обробки створюються умови для забезпечення підвищеної плинності рідини і більш повного заповнення порожнин, що утворилися від попередньої силової обробки низькою частотою, що створює більш однорідну акустичну провідність і підвищує ефективність наступної силової обробки ударними хвилями низької частоти Час обробки на кожному етапі підбирається експериментальним шляхом і встановлюється в залежності від фізико-механічних властивостей гірничої породи на МІСЦІ залягання в межах не менше 5-10 хвилин Пристрій для здійснення способу працює наступним чином Установку підводять до свердловини ЗО Генератор ударних хвиль 4 розташовують над гирлом свердловини ЗО і його вісь суміщають з віссю обсадної труби 31 і трубою-хвилеводом 12 Випромінювач 11 вводять в трубу-хвилевід 12 Переключенням розподільника 34 в положення «нормально відкритий» насос 35 починає нагнічувати робочу рідину до тиску, визначеного на 28126 стройкою клапана 36 в напірній магістралі 8 При цьому випромінювач 11 знаходиться в крайньому верхньому положенні, обмежувач його прямого ходу 16 в контакті з кінцевим перемикачем 14, і його контакти «б» в нормально відкритому положенні, «в» в нормально закритому положенні Робоча рідина від напірної магістралі 8 надходить через нормально відкритий контакт «в» кінцевого перемикача 14 в поршневу порожнину 2 гідроциліндра 1 Під ТИСКОМ робочої рідини поршень гідроциліндра 1 приводиться до руху і впливає на випромінювач 11 через поршень 6 генератора ударних хвиль 4 В результаті на стовп рідини 28 в трубі-хвилеводі 12 впливають статичним тиском, який через рідинний хвилевід 28, тобто стовп рідини, передається в масив гірничої породи Водночас з цим робоча рідина подається на вхід блоку регулювання частоти і енергії 19, в якому регулятор 20 настроєний на витрачання рідини, що задає режим генерування ударних хвиль низької частоти з високою енергією, а регулятор 21 настроєний на витрачання рідини, що задає режим генерування ударних хвиль високої частоти з пониженою енергією В режимі генерування ударних хвиль низької частоти випромінювач 11 знаходиться в крайньому верхньому положенні, контакт «д» кінцевого перемикача 18 нормально відкритий Робоча рідина на гідромотор 22 надходить від регулятора 20 Від напірної магістралі 8 робоча рідина надходить в розподільний золотник 23 і по каналу в корпусі 5 в камеру зворотного ходу 9 генератора ударних хвиль 4 Камера прямого ходу 7 генератора ударних хвиль 4 через золотник 23 поперемінно сполучається то з напірною магістраллю 8, то зі зливною магістраллю 10 При цьому поршень 6 генератора ударних хвиль 4 починає здійснювати зворотнопоступове переміщення, завдаючи удари по випромінювачу 11, який по рідинному хвилеводу 28 передає силові імпульси низької частоти на відбивач 13 і далі в продуктивний пласт через обсадну трубу 31 в свердловині ЗО Під дією статичного тиску гідроциліндра 4 і динамічного впливу ударними хвилями на рідинний хвилевід 28 відбувається витіснення рідини з труби-хвилеводу 12 в свердловину ЗО, що призводить до переміщення генератора ударних хвиль 4 і випромінювача 11 до контакту його обмежувачів прямого ходу 16, 17 з кінцевими перемикачами 14, 18 та переведення їх в нормально відкрите положення «в» і «г» При цьому робоча рідина з напірної магістралі 8 надходить в штокову порожнину 3 гідроциліндра 1, а поршнева порожнина 2 сполучається зі зливною магістраллю 10 Відбувається реверс гідроциліндра 1, водночас з цим рідина механізмом 25 нагнічується в трубу-хвилевід 12 Оскільки поршнева порожнина 2 гідроциліндра 1 повідомлена зі зливною магістраллю 10, зі зливом повідомляються і обидва регулятора 20, 21 блоку 19, гідромотор 22 зупиняється, вимикаючи завдяки цьому роботу генератора ударних хвиль 4 При цьому генератор 4 з випромінювачем 11 переміщується нагору до контакту обмежувача зворотного ходу 15 випромінювача 11 з кінцевим перемикачем 14 і переключає з положення «в» й положення «б» і робоча рідина з напірної магістралі 8 знову надходить в поршневу порожнину 2 гідроциліндра 1 Водночас з цим робоча рідина надходить в блок 19 регулювання частоти імпульсів В режимі генерування ударних хвиль високої частоти кінцевий перемикач 18 знаходиться в положенні «г», регулятор 20 відсікається, а регулятор 21 сполучається з гідромотором 22 По мірі витіснення рідини знову відбувається переключення кінцевих перемикачів 14, 18 і далі процес повторюється Для зміни часу обробки в режимі генерування ударних хвиль низької або високої частоти трубахвилевід 12 сполучена з механізмом 25 через регулятор витрачання рідини 24, налаштований на певне постійне витрачання рідини, що подається в свердловину, і дорівнює або більший початкової приймальності свердловини По мірі обробки свердловини приимальнють свердловини зростає і під дією статичного зусилля гідроциліндра 4 в свердловину ЗО починає витіснятися додаткова порція рідини з труби-хвилеводу 12 При цьому відбувається переміщення генератора ударних хвиль 4 з випромінювачем 11 Регулюючи витрачання рідини, що подається в свердловину регулятором 30, змінюється час обробки свердловини в певному режимі Зменшенню втрат ударної потужності сприяє дроселірування рідини крізь отвір в перегородці і повздовжні пази, обмежені параметри яких встановлені експериментально Результати наведених експериментів наведені втабл 1 ВІДПОВІДНО Таблиця 1 № п/п Довжина хвилі, м 0,05 Діаметр отвору або ширина пазу, м 0,01 Ударна потужність до отвору, кВт 4,2 Ударна потужність ПІСЛЯ отвору, кВт 3,31 1 2 3 4 0,05 0,05 0,05 0,02 0,03 0,04 4,2 42 4,2 2,50 2,52 3,34 5 6 0,05 0,05 0,05 0,06 4,2 4,2 4,12 3,32 7 8 0,05 0,05 0,07 0,08 4,2 4,2 2,47 2,51 9 0,05 0,09 4,2 3,33 28126 № п/п Довжина хвилі, м 10 11 12 13 0,05 0,05 0,05 0,05 Діаметр отвору Ударна поабо ширина пазу, тужність до отвом ру, кВт 0,10 0,11 0,13 0,15 З таблиці витікає, що найменші втрати ударної' потужності при проходженні отвору ударною хвилею в тих випадках, коли діаметр отвору або ширина пазу дорівнюють/або кратні довжині хвилі. 4,2 4,2 4,2 4,2 Продовження табл 1 Ударна потужність ПІСЛЯ отвору, кВт 4,11 3,31 2,55 4,12 У випадку зменшення або збільшення отвору, потужність ударної хвилі різко падає, а енергія витрачається на подолання перешкод, тобто на зруйнування труби-хвилеводу або відбивача. 28126 Фиг. 1 миф 28126 ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Бульв Лесі Українки, 26, Київ, 01133, Україна (044) 254-42-30, 295-61-97 Підписане-до друку S.Q^< 2001 p. Формат 60x84 1/8. Обсяг О,