Устройство для создания инициирующих щелей в стенках солевых скважин Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 522.33.013.3

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИНИЦИИРУЮЩИХ ЩЕЛЕЙ В СТЕНКАХ СОЛЕВЫХ СКВАЖИН

Юрий Михайлович Леконцев

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории подземной разработки угольных месторождений, тел. (383)217-01-38

Аркадий Васильевич Леонтьев

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории горной информатики, тел. (383)217-06-36, e-mail: [email protected]

Впервые разработана конструкция устройства для создания инициирующих щелей в стенках солевых скважин. Инициирующие щели необходимы для подготовки измерительных скважин при определении напряжений в массиве горных пород методом гидроразрыва. Устройство прошло промышленные испытания в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей.

Ключевые слова: массив калийных солей, поперечная инициирующая щель, буровой став, нож.

FORMER OF INITIATING SLOTS IN SALT WELL WALLS

Yuri M. Lekontsev

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Candidate of Engineering Sciences, Senior Researcher, Underground Coal Mining Laboratory, tel. (383)217-01-38

Arkady V. Leont'ev

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Doctor of Engineering Sciences, Principal Researcher, Mining Information Science Laboratory, tel. (383)217-06-36, e-mail: [email protected]

It is for the first time that formers of initiating slots in walls of salt wells have been engineered. Initiating slots are required in making measurement holes to estimate rock mass stresses using hydraulic fracturing method. The slot formers have been commercially trialed in mines of the Upper Kama Potash Salt Deposit.

Key words: potash salt deposit, lateral initiating slot, drilling column, cutter.

В Институте горного дела СО РАН разработана и запатентована оригинальная технология направленного гидроразрыва пород для управления труд-нообрушающимися кровлями в очистных забоях и дегазации угольных пластов [1,2]. Суть ее заключается в том, что для искусственного обрушения кровель производится бурение серии вертикальных скважин, в которых специальным инструментом осуществляется нарезание поперечных дисковых инициирующих щелей. Далее на интервале расположения щелей выполняется гидроразрыв

стенок скважин с получением направленной протяженной трещины, приводящей к посадке кровли.

Возник замысел использовать данную технологию в качестве основы для одного из вариантов определения напряжений в массиве горных пород методом измерительного гидроразрыва. Как известно, физическую основу метода представляет зависимость критического давления рабочей жидкости при гидравлическом разрыве изолированного участка измерительной скважины от напряженного состояния и свойств разрушаемой среды. Предполагается, что если изолированный участок скважины содержит заранее выполненную щель, трещина гидравлического разрыва на небольшом расстоянии от скважины сохраняет заданное направление. При этом процедура интерпретации экспериментальных данных существенно упрощается [4].

Технология проведения тестов гидроразрыва включает бурение скважин на глубину до 10 - 12 метров, нарезание дискообразных щелей в стенках скважин, герметизацию их локальных участков специальным уравновешенным пакерным устройством, включая участки с нарезанными щелями. Для нарезания дискообразных щелей разработано устройство, адаптированное к физико-механическим свойствам данного полезного ископаемого и условиям проведения буровых работ.

Схема устройства показана на рисунке. Оно состоит из корпуса 1, штока 2, ножа 3, оси 4, возвратной пружины 5, окна 6, уклона 7, стопорной гайки 8, регулировочной гайки 9, рабочей пружины 10, шайбы 11, штифта 12, хвостовика 13 и забойного наконечника 14. Выход ножа из корпуса позволяет нарезать дискообразные полости на стенках скважин диаметром до 150 мм.

Работа устройства происходит в следующей последовательности. Хвостовиком 13 устройство навинчивается на штангу бурового станка и, используя осевую подачу, без вращения вводится в скважину до упора забойного наконечника 14 в забой последней. После досылки устройства в скважину включают вращатель бурового става станка и осевую подачу из расчета 1/50 мм/об.

С учетом того, что забойный наконечник 14 штока 2 неподвижен, то дальнейшее осевое перемещение совершает корпус 1 устройства с уклоном 7, сжимая пружину 10. При этом нож 3 скользит по надвигающемуся в его сторону уклону 7, поворачиваясь на закрепленной оси 4, растягивает пружину 5 и выдвигается из корпуса через окно 6. Выдвижение ножа из корпуса, совмещенное с вращением корпуса, приводит к нарезке в стенке скважины полости дискообразной формы.

После нарезания полости вращение бурового става прекращают и медленно (К=200мн/мин) перемещают буровой став на 0,5 м по направлению к устью скважины. Такое перемещение необходимо и достаточно для втягивания ножа 3 внутрь корпуса 1 под действием пружин 5 и 10.

Место нарезания полости по длине шпура предусматривается регулировать установкой проставок различной длины, навинчиваемых на забойный наконечник 14.

Рис. Схема устройства для нарезания дисковых щелей в стенках скважин: исходное положение устройства (вверху) и положение подвижных частей устройства после выдвижения ножа (внизу), (пояснения в тексте)

Устройство испытано в производственных условиях при выполнении тестов гидроразрыва в сильвинитовом массиве рудника СКРУ-3 Верхнекамского месторождения калийных солей. Инициирующие щели выполнялись с помощью устройства в вертикальных скважинах диаметром 76 мм на глубине порядка 10 м от контура подземной выработки. Прочность породы на разрыв в местах испытания составляла 2.5-3.8 МПа. Результаты щелеобразования контролировались при помощи видеозонда и были признаны удовлетворительными.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Леконцев Ю.М., Сажин П.В. Технология направленного гидроразрыва пород для управления труднообрушаемыми кровлями в очистных забоях и дегазации угольных пластов // ФТПРПИ. - 2014. - № 5. С. 137-142..

2. Леконцев Ю.М., Леонтьев А.В., Рубцова Е.В. Устройство для гидроразрыва пород в скважине // Патент России № 2433259. 2011. Бюл. № 31.

3. Панов А. В., Скулкин А. А., Цибизов Л. В., Родин Р. И. Определение компонент природного поля напряжения по данным измерительного гидроразрыва // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). -Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 3. - С. 186-190.

© Ю. М. Леконцев, А. В. Леонтьев, 2016