RU200767U1

RU200767U1 - Mechanical collar packer

Info

Publication number: RU200767U1
Application number: RU2020121595U
Authority: RU
Inventors: Павел Николаевич Мельников; Максим Сергеевич Плаксин; Виталий Исхакович Альков; Роман Иванович Родин; Андрей Александрович Рябцев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Горные решения"
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2020-11-11

Abstract

Полезная модель относится к горному делу и может быть использована для образования направленных трещин в горной породе через пробуренную скважину с целью разрушения негабаритов, управления горным давлением и отсечения от горного массива блоков с заданными размерами.Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение надежности пакера при его эксплуатации.Пакер манжетный механический содержит корпус с основанием, толкатель с отверстиями для выхода жидкости, стержень для соединения корпуса и толкателя, клинья, штанги, концевую штангу, герметизатор, трубы и гайку с рукоятками. Клинья установлены в направляющие гнезда в корпусе. Корпус имеет полость, выполненную в виде наклонных пазов. Толкатель имеет на внешней поверхности наклонные выступы. Толкатель соединен с корпусом стержнем, который имеет упор на предохранительный палец. Длина и количество клиньев подбирается в зависимости от прочности горной породы. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.The utility model relates to mining and can be used for the formation of directional cracks in the rock through a drilled well for the purpose of breaking oversized, controlling rock pressure and cutting off blocks with specified dimensions from the rock mass. The technical result of the proposed utility model is to increase the reliability of the packer during its operation The mechanical collar packer contains a body with a base, a pusher with openings for liquid outlet, a rod for connecting the body and a pusher, wedges, rods, an end rod, a dock seal, pipes and a nut with handles. The wedges are installed in the guide slots in the housing. The body has a cavity made in the form of inclined slots. The pusher has inclined protrusions on the outer surface. The pusher is connected to the body by a rod, which has a stop on the safety pin. The length and number of wedges are selected depending on the strength of the rock. 2 wp f-ly, 1 dwg

Description

Полезная модель относится к горному делу и может быть использована для образования направленных трещин в горной породе через пробуренную скважину с целью разрушения негабаритов, управления горным давлением и отсечения от горного массива блоков с заданными размерами.The utility model relates to mining and can be used for the formation of directional cracks in the rock through a drilled well in order to destroy oversized, control rock pressure and cut off blocks with specified dimensions from the rock mass.

Известно устройство для образования направленных трещин (патент №1323710, заявка №4039399, дата приоритета 19 марта 1986 года, дата публикации 15 июля 1987 года, класс МПК E21C37/00), содержащее выдвижные резцы с приводом для прорезания зародышевых щелей, по которым затем производят направленный гидроразрыв. Основным недостатком известного устройства является то, что после создания зародышевой щели необходимо произвести замену его на устройство для гидроразрыва, что значительно усложняет процесс.Known device for the formation of directional cracks (patent No. 1323710, application No. 4039399, priority date March 19, 1986, publication date July 15, 1987, class IPC E21C37 / 00), containing retractable cutters with a drive for cutting embryonic cracks, which are then produced directional hydraulic fracturing. The main disadvantage of the known device is that after the creation of the embryonic gap, it is necessary to replace it with a device for hydraulic fracturing, which significantly complicates the process.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому результату является устройство для образования направленных трещин в скважинах по авторскому свидетельству СССР №1555483, кл. Е21С37/06, опубл. в БИ № 13, 1990 г., включающее полый цилиндрический корпус с торцевым каналом подвода и отверстием для выхода рабочей жидкости, раздвижные элементы с поперечными закалывающими клиньями на наружных поверхностях, продольно установленные на корпусе, 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, установленного с возможностью надвигания на коническую поверхность кольцевого распорного элемента. Кольцевой распорный элемент установлен с возможностью ограниченного продольного перемещения относительно корпуса. Раздвижные элементы выполнены в виде цанг, связанных концами лепестков с вершиной кольцевого распорного элемента. Корпус у торца, опозитного торцевому каналу подвода рабочей жидкости, выполнен с конусным заострением, прилегающим к внутренним поверхностям лепестков цанг. Выходное отверстие расположено на торце корпуса со стороны клинового заострения. Закрывающие клинья расположены на свободных концах лепестков цанги. The closest in technical solution and the achieved result is a device for the formation of directional cracks in wells according to the USSR author's certificate No. 1555483, class. Е21С37 / 06, publ. in BI No. 13, 1990, including a hollow cylindrical body with an end channel for inlet and an opening for an outlet of the working fluid, sliding elements with transverse hardening wedges on the outer surfaces, longitudinally mounted on the body, a sealant in the form of an annular spacer element coaxial with the body with a conical outer surface and base facing the end of the housing with a channel for supplying the working fluid, and an elastic tubular element mounted with the possibility of sliding onto the conical surface of the annular spacer. The annular spacer element is installed with the possibility of limited longitudinal movement relative to the body. The sliding elements are made in the form of collets connected by the ends of the petals with the top of the annular spacer element. The housing at the end, opposite to the end channel for supplying the working fluid, is made with a conical sharpening adjacent to the inner surfaces of the collet petals. The outlet is located at the end of the body from the side of the wedge tip. Closing wedges are located at the free ends of the collet petals.

Основным недостатком устройства является то, что клинья жестко связаны с цилиндрическим корпусом, поэтому застревание клиньев в горной породе грозит разрушением устройства, при попытке его извлечения из скважины.The main disadvantage of the device is that the wedges are rigidly connected to the cylindrical body, so that the wedges get stuck in the rock threatens to destroy the device when trying to extract it from the well.

Вторым недостатком является то, что устройство предназначено для образования трещин в горных породах с низкой прочностью, и в случае применения устройства в горных породах средней и высокой прочности возможно разрушение раздвижных элементов, выполненных в виде цанг, у основания клина, без факта внедрения клина.The second disadvantage is that the device is designed to form cracks in rocks with low strength, and in the case of using the device in rocks of medium and high strength, it is possible to destroy the sliding elements made in the form of collets at the base of the wedge, without the fact of introducing a wedge.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение надежности пакера при его эксплуатации за счет исключения разрушения устройства вследствие внедрения клиньев в горную породу любой прочности.The technical result of the proposed utility model is to increase the reliability of the packer during its operation by eliminating the destruction of the device due to the introduction of wedges into the rock of any strength.

Пакер манжетный механический содержит корпус с основанием, толкатель с отверстиями для выхода жидкости, стержень для соединения корпуса и толкателя, клинья, штанги, концевую штангу, герметизатор, трубы, и гайку с рукоятками, отличающийся тем, что корпус имеет полость, выполненную в виде наклонных пазов, толкатель имеет на внешней поверхности наклонные выступы, клинья установлены в направляющие гнезда в корпусе.Mechanical collar packer contains a body with a base, a pusher with openings for liquid outlet, a rod for connecting the body and a pusher, wedges, rods, an end rod, a sealant, pipes, and a nut with handles, characterized in that the body has a cavity made in the form of inclined grooves, the pusher has inclined protrusions on the outer surface, the wedges are installed in the guides of the socket in the housing.

Стержень, проходящий внутри толкателя с опорой на предохранительный палец, предотвращает возможность преждевременного срабатывания устройства в процессе его транспортировки по скважине.The rod, passing inside the pusher with support on the safety pin, prevents the possibility of premature operation of the device during its transportation along the well.

Внедрение клиньев происходит методом вдавливания в результате вхождения наклонных выступов толкателя в наклонные пазы корпуса. Клинья внедряются в стенки скважины перпендикулярно оси скважины, целиком выходя из направляющих гнезд за границу корпуса с последующим оставлением в горной породе. Внедренные в горную породу клинья после образования направленных трещин методом направленного гидравлического расчленения не имеют точек соприкосновения с корпусом и поэтому не могут стать причиной застревания устройства в скважине.The introduction of the wedges occurs by the indentation method as a result of the entry of the inclined protrusions of the pusher into the inclined grooves of the body. The wedges are introduced into the borehole walls perpendicular to the borehole axis, completely leaving the guide holes outside the body boundary, and then leaving them in the rock. The wedges embedded in the rock after the formation of directional fractures by the method of directional hydraulic dissection have no points of contact with the body and therefore cannot cause the device to get stuck in the well.

Решение задачи по адаптивности применения разрабатываемого устройства под различную прочность горных пород возможно благодаря изменению длины и количества клиньев.The solution of the problem of adaptability of the application of the device under development for different strength of rocks is possible due to a change in the length and number of wedges.

Длина клина от 7 мм используется для прочных пород (мрамор, крепкий песчаник). Длина клина до 23 мм используется для слабых пород (уголь, алевролит). В окрестности скважины имеется область разгрузки, где деформации способствуют раскрытию природных трещин. Для выполнения направленного гидрорасчленения необходимо обеспечить радиус зародышевой (направляющей) трещины больший максимального радиуса природных трещин в зоне напряженно-деформированного состояния. В этом случае будет наблюдаться эффект гашения всех прочих трещин за счет возникновения повышенных напряжений в окрестности направляющей трещины. Прочные породы обладают, как правило, низкой природной трещиноватостью, следовательно, размеры направляющей трещины можно уменьшить.Wedge lengths from 7 mm are used for hard rocks (marble, hard sandstone). Wedge length up to 23 mm is used for soft rocks (coal, siltstone). In the vicinity of the well there is an unloading area, where deformations contribute to the opening of natural fractures. To perform directional hydraulic fracturing, it is necessary to ensure that the radius of the seed (guide) crack is greater than the maximum radius of natural cracks in the zone of stress-strain state. In this case, the effect of damping all other cracks will be observed due to the occurrence of increased stresses in the vicinity of the guiding crack. Strong rocks usually have low natural fracturing, therefore, the size of the pilot crack can be reduced.

В случае применения устройства в очень прочных породах (гранит) в совокупности с уменьшением длины клиньев возможно уменьшение количества устанавливаемых клиньев. Уменьшение длины и количества клиньев позволит не допустить разрушающего для устройства усилия подачи необходимого для внедрения клиньев в породы высокой прочности.If the device is used in very hard rocks (granite), together with a decrease in the length of the wedges, it is possible to reduce the number of wedges to be installed. Reducing the length and number of wedges will prevent the destructive force for the device, which is necessary for the introduction of wedges into high strength rocks.

Таким образом, обеспечивается возможность образовывать направленные трещины в горных породах любой прочности.Thus, it is possible to form directional cracks in rocks of any strength.

Совокупность представленных признаков, обеспечивающих работоспособность устройства при образовании направленных трещин в горных породах любой прочности и исключающих разрушение устройства в результате застревания внедренных в горную породу клиньев при удалении устройства из скважины, в сравнении с выбранным прототипом позволяет существенно повысить надежность работы устройства. The combination of the presented features that ensure the operability of the device during the formation of directional cracks in rocks of any strength and exclude the destruction of the device as a result of jamming of wedges embedded in the rock when the device is removed from the well, in comparison with the selected prototype, can significantly increase the reliability of the device.

Сущность полезной модели показана на фиг. 1, где показан общий вид устройства.The essence of the utility model is shown in Fig. 1, which shows a general view of the device.

Устройство состоит из рабочего органа 1 и механизма управления 2. В свою очередь рабочий орган 1 состоит из корпуса 3 с основанием 4 для удержания клиньев 5, которые находятся в направляющих гнездах 6. Корпус 3 имеет наклонные пазы 7. В пазы 7 входит толкатель 8. Толкатель 8 имеет на внешней поверхности наклонные выступы 9, а углы наклона боковых поверхностей наклонных выступов 9, такие же, как у наклонных к оси скважины поверхностей пазов 7, и такие же на клиньях 5 со стороны взаимодействующей с толкателем 8. Толкатель 8 выполнен полым, внутри которого проходит стержень 10, один конец которого приварен к корпусу 3, второй конец заканчивается головкой 11. В свою очередь стержень 10 через головку 11 опирается на предохранительный палец 12 для удержания толкателя 8 в первоначальном положении, исключая преждевременное срабатывание устройства. Имеются отверстия 13 для выхода воды при гидрорасчленении.The device consists of a working body 1 and a control mechanism 2. In turn, the working body 1 consists of a body 3 with a base 4 for holding wedges 5, which are located in the guide slots 6. The body 3 has inclined grooves 7. The pusher 8 enters the grooves 7. The pusher 8 has inclined projections 9 on the outer surface, and the angles of inclination of the lateral surfaces of the inclined projections 9 are the same as those of the slots 7 inclined to the borehole axis, and the same on the wedges 5 from the side interacting with the pusher 8. The pusher 8 is hollow, inside which passes the rod 10, one end of which is welded to the body 3, the second end ends with the head 11. In turn, the rod 10 through the head 11 rests on the safety pin 12 to hold the pusher 8 in its original position, eliminating the premature operation of the device. There are 13 holes for water outlet during hydraulic separation.

Механизм управления 2 состоит из штанги 14 и трубы 15, которая соединяется с толкателем 8. Количество труб 15 и штанг 14 выбирается в зависимости от глубины скважины. Между толкателем 8 и штангой 14 установлена с закреплением упорная шайба 17. На наружной поверхности концевой штанги 16 нарезана резьба, на которую накручивается гайка 18 с рукоятками 19, на эту же резьбу закручивается переходник 20 для подключения к насосной станции (не показана). За толкателем 8 располагается герметизатор 21, который с одной стороны имеет упорную шайбу 17, а с другой стороны контактирует с трубой 15 через подвижную шайбу 22. Предусмотрена возможность подключения внешнего толкателя (не показан), например, гидростойки от механизированной крепи (в условиях шахт) к концевой штанге 16. Штанга 14 и концевая штанга 16 имеют канал для подачи жидкости 23 и 24, соответственно.The control mechanism 2 consists of a rod 14 and a pipe 15, which is connected to a pusher 8. The number of pipes 15 and rods 14 is selected depending on the depth of the well. Between the pusher 8 and the rod 14, a thrust washer 17 is mounted with fastening. On the outer surface of the end rod 16, a thread is cut, onto which a nut 18 with handles 19 is screwed; an adapter 20 is screwed onto the same thread for connection to a pumping station (not shown). Behind the pusher 8 is a dock seal 21, which on one side has a thrust washer 17, and on the other hand contacts the pipe 15 through a movable washer 22. It is possible to connect an external pusher (not shown), for example, a hydraulic support from powered support (in mines) to the end bar 16. The bar 14 and the end bar 16 have a fluid supply channel 23 and 24, respectively.

Пакер манжетный механический работает следующим образом. В готовую скважину собранное устройство вставляется до упора в забой, предварительно установив клинья 5 в направляющие гнезда 6. Количество и длина устанавливаемых клиньев 5 выбирается заблаговременно в зависимости от прочности горных пород. Далее включается внешний толкатель (не показан), подключенный к концевой штанге 16. В этом случае происходит подача всего устройства вглубь скважины, кроме корпуса 3, который опирается на забой скважины. Усилием внешнего толкателя разрушается предохранительный палец 12, и толкатель 8 начинает движение. При этом за счет усилия внешнего толкателя боковые поверхности наклонных выступов 9 толкателя 8 выдавливают клинья 5 в сторону стенок скважины, внедряя клинья 5 в горную породу перпендикулярно оси скважины за границу корпуса 3. Клинья 5, внедренные в горную породу, образуют направленную зародышевую трещину, что дает возможность для дальнейшего направленного развития трещины под давлением нагнетаемой жидкости. Mechanical collar packer works as follows. In the finished well, the assembled device is inserted all the way into the bottomhole, having previously installed the wedges 5 in the guides of the socket 6. The number and length of the wedges 5 to be installed are selected in advance depending on the strength of the rocks. Next, an external pusher (not shown) connected to the end rod 16 is turned on. In this case, the entire device is fed into the depth of the well, except for the body 3, which rests on the bottom of the well. The force of the external pusher breaks the safety pin 12, and the pusher 8 starts to move. In this case, due to the force of the external pusher, the lateral surfaces of the inclined protrusions 9 of the pusher 8 squeeze the wedges 5 towards the walls of the borehole, introducing wedges 5 into the rock perpendicular to the axis of the borehole beyond the boundary of the body 3. Wedges 5, embedded in the rock, form a directed embryonic crack, which provides an opportunity for further directional crack development under the pressure of the injected fluid.

Далее внешний толкатель отсоединяется. При вращении гайки 18 рукоятками 19 усилие передается по трубам 15 на герметизатор 21 через подвижную шайбу 22, за счет чего герметизатор 21 продольно сжимается и поперечно расширяется до границ со стенками скважины, таким образом происходит герметизация призабойного участка скважины. Далее включается насосная установка (не показана), которая подключена к пакеру манжетному механическому через переходник 20, и жидкость под давлением по каналу 24 и каналу 23 через отверстия 13 поступает в загерметизированный призабойный участок скважины и затем в созданные клиньями 5 направляющие зародышевые трещины. По мере роста давления жидкости в загерметизированном участке скважины, происходит гидрорасчленение горной породы по заданному внедренными клиньями направлению. После окончания гидрорасчленения подача жидкости в систему прекращается, вращением рукояток 19 давление с герметизатора 21 снимается. При обратном ходе механизм управления 2 с толкателем 8 и корпусом 3 за счет стержня 10 вынимаются из скважины. При этом клинья 5 остаются в горной породе за пределами корпуса 3, не блокируя его перемещение по скважине. На этом цикл заканчивается.Then the outer pusher is disconnected. When the nut 18 is rotated by the handles 19, the force is transmitted through the pipes 15 to the sealant 21 through the movable washer 22, due to which the sealant 21 is longitudinally compressed and transversely expanded to the boundaries with the borehole walls, thus sealing the bottomhole section of the well. Next, a pumping unit (not shown) is switched on, which is connected to a mechanical collar packer through an adapter 20, and the fluid under pressure through channel 24 and channel 23 through holes 13 enters the sealed bottomhole section of the well and then into the guiding incipient cracks created by wedges 5. As the fluid pressure rises in the sealed section of the well, the rock is hydraulically fractured in a direction specified by the embedded wedges. After the end of hydraulic separation, the supply of fluid to the system is stopped, by rotating the handles 19, the pressure from the dock seal 21 is removed. During the return stroke, the control mechanism 2 with the pusher 8 and the body 3 are pulled out of the well by means of the rod 10. In this case, the wedges 5 remain in the rock outside the body 3, without blocking its movement along the well. This ends the cycle.

Claims

1. Mechanical collar packer contains a body with a base, a pusher with openings for liquid outlet, a rod for connecting the body and a pusher, which is welded at one end to the body and passes inside the pusher, wedges held by the base, rods connected to the pusher, an end rod, a dock seal , which on the one hand has a thrust washer, and on the other hand contacts the pipe through a movable washer, a nut with handles screwed onto an end rod, characterized in that the body has a cavity made in the form of inclined grooves, the pusher has inclined protrusions on the outer surface , the wedges are installed in the guide slots in the body with the possibility of introducing into the walls of the well as a whole, while going beyond the boundary of the body.

2. Packer according to claim 1, characterized in that the rod extending inside the pusher is supported by the safety pin.

3. Packer according to claim 1, characterized in that the length of the wedges is from 7 mm to 23 mm, depending on the strength of the rock.