Результат интеллектуальной деятельности: ЩЕЛЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Техническое решение относится к горному делу, а именно к бурению горных пород, и может быть использовано для бурения скважин или шпуров с нарезанием инициирующей щели в горном массиве для последующего проведения гидроразрыва с целью его разупрочнения или дегазации.

Известен щелеобразователь (патент RU №2359124, Е21С 37/00, Е21В 43/26, опубл. в БИ №17 за 2009 г. ), включающий стакан, в котором выполнены продольные окна и перекрестно установлены режущие органы с возможностью перемещения по перекрестным оппозитным направляющим уклонам и выхода их режущих частей из продольных окон стакана по указанным уклонам. Перекрестные оппозитные направляющие уклоны выполнены на внутренней поверхности стакана, а режущие органы установлены на поршне, размещенном внутри стакана с возможностью осевого перемещения, в полости которого установлен регулируемый подпорный клапан. Между поршнем и стаканом размещена пружина возврата.

Аналог имеет с предлагаемым техническим решением следующие общие существенные признаки: режущий орган, установленный внутри корпуса на оси с возможностью выхода из продольного окна корпуса, поршень, размещенный внутри корпуса, в полости которого установлен подпорный клапан, пружина возврата, установленная между корпусом и поршнем.

Недостатком этого щелеобразователя является то, что нарезание щели возможно только в заранее пробуренных скважинах, а следовательно, после окончания бурения скважины необходимо демонтировать буровой став и, после замены буровой коронки на щелеобразователь, повторно производить его сборку для перемещения щелеобразователя в скважине до места нарезания щели.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных технических признаков является щелеобразователь (по патенту RU №2602634, Е21В 43/26, опубл. в БИ №32 за 2016 г. ), включающий корпус, в котором выполнено продольное окно и установлен нож с возможностью перемещения по направляющему уклону и выхода его режущей части из продольного окна корпуса, при этом направляющий уклон выполнен на внутренней поверхности корпуса, а нож установлен на вилке поршня, размещенных внутри корпуса с возможностью осевого перемещения. В полости поршня установлен подпорный клапан, а между поршнем и корпусом размещена пружина возврата. На головной части корпуса установлена буровая коронка, через центральное отверстие которой проходит толкатель, имеющий жесткую связь с обратным клапаном, установленным в торцевых частях корпуса и буровой коронки, при этом подклапанная полость обратного клапана соединена каналом с подпоршневой полостью, а толкатель установлен с возможностью контактирования с забойной частью скважины или шпура и перемещения в осевом направлении.

Прототип, так же как и предлагаемый щелеобразователь, включает корпус, в котором выполнено продольное окно, внутри корпуса установлен нож с возможностью выхода его режущей части из продольного окна корпуса. Внутри корпуса размещен поршень с возможностью осевого перемещения и взаимодействия с ножом, причем в полости поршня имеется подпорный клапан, а между корпусом и поршнем размещена пружина возврата. В головной части корпуса установлена буровая коронка и обратный клапан, при этом подклапанная полость обратного клапана соединена каналом с подпоршневой полостью.

Недостатком этого щелеобразователя является то, что поршень с подпорным клапаном и пружина возврата между поршнем и корпусом расположены соосно с корпусом, поэтому для выполнения канала, подводящего жидкость из подпоршневой полости в подклапанную полость к обратному клапану, необходимо увеличить толщину стенки корпуса на величину диаметра этого канала и минимальную толщину его стенки, что составляет 10-12 мм. Таким образом, увеличивается металлоемкость, диаметр корпуса и вес изделия, что делает невозможным применение щелеобразователя в шпурах диаметром менее 70 мм. Кроме того, во время бурения возможна деформация толкателя, расположенного в канале буровой коронки, и засорение зазора между ними, что приведет к заклиниванию его в канале и прекращению работы обратного клапана, а при скольжении ножа по направляющему уклону, выполненному в корпусе, требуется дополнительное усилие со стороны поршня на преодоление силы трения. Это снижает надежность работы щелеобразователя.

Проблема заключается в создании щелеобразователя с более широкими возможностями использования за счет снижения металлоемкости при повышении надежности работы за счет исключения контакта толкателя с горным массивом и трения ножа при его выходе из корпуса.

Указанная проблема решается тем, что в щелеобразователе, включающем корпус, в котором выполнено продольное окно и установлен нож с возможностью выхода его режущей части из продольного окна корпуса и размещен поршень с возможностью осевого перемещения и взаимодействия с ножом, причем в полостипоршня имеется подпорный клапан, между корпусом и поршнем размещена пружина возврата, а в головной части корпуса установлена буровая коронка и обратный клапан, при этом подклапанная полость обратного клапана соединена каналом с подпоршневой полостью, согласно техническому решению ось поршня смещена относительно оси корпуса, что позволяет разместить канал для подвода жидкости к обратному клапану без увеличения диаметра корпуса и толщины его стенки. Это снижает металлоемкость и вес щелеобразователя, что позволяет использовать его в шпурах и скважинах диаметром менее 70 мм, расширяя возможности его использования.

Целесообразно буровую коронку соединить с головной частью корпуса посредством штифта с возможностью осевого перемещения вдоль паза, выполненного в этой части корпуса, и воздействия через игольчатый толкатель на обратный клапан. Это исключит контакт толкателя с горным массивом и его заклинивание.

Для взаимодействия поршня с ножом последний закреплен в корпусе на неподвижной оси с возможностью поворота вокруг этой оси. Это исключит необходимость выполнения направляющих уклонов в корпусе и трение о них ножа. Указанные признаки упрощают конструкцию корпуса, повышая надежность работы щелеобразователя.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения щелеобразователя и чертежами фиг. 1-3. На фиг. 1 изображен продольный разрез щелеобразователя, где X - ход буровой коронки относительно головной части корпуса; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1, на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1.

1. Щелеобразователь состоит из корпуса 1 (фиг. 1-3), в котором выполнено продольное окно 2 и установлен нож 3 с возможностью выхода его режущей части из продольного окна 2 корпуса 1. Внутри корпуса 1 размещен поршень 4 с возможностью осевого перемещения и взаимодействия с ножом 3, причем ось поршня 4 смещена относительно оси корпуса 1. Между поршнем 4 и корпусом 1 размещена пружина 5 возврата поршня 4. Внутри поршня 4 размещен подпорный клапан (поз.не указана). В головной части 6 корпуса 1 установлены буровая коронка 7 с отверстием 8 для выхода промывочной жидкости и обратный клапан (поз. не указана). Подклапанная полость 9 обратного клапана соединена каналом 10 с подпоршневой полостью 11. Буровая коронка 7 соединена с головной частью 6 корпуса 1 штифтом 12 с возможностью осевого перемещения вдоль паза 13, выполненного в головной части 6 корпуса 1, и воздействия через игольчатый толкатель 14 на обратный клапан. Игольчатый толкатель 14 размещен между буровой коронкой 7 и обратным клапаном. Для взаимодействияпоршня 4 с ножом 3 последний закреплен в корпусе 1 на неподвижной оси 15 с возможностью поворота вокруг нее.

Щелеобразователь работает следующим образом. Перед началом работы осуществляют установку щелеобразователя на штанге бурового става. Затем включают буровой станок. Буровая коронка 7 входит в контакт с горным массивом и, перемещаясь вдоль корпуса 1 щелеобразователя, воздействует на игольчатый толкатель 14, открывая обратный клапан в головной части 6 корпуса 1. Жидкость от насоса промывки (на фиг. не показан) поступает в подпоршневую полость 11 под давлением, необходимым для промывки скважины, далее по каналу 10 попадает в подклапанную полость 9 и через открытый обратный клапан в головной части 6 корпуса 1 и отверстие 8 буровой коронки 7 выходит в забой скважины. Жесткость пружины 5 возврата превышает усилие от давления жидкости, подаваемой для промывки скважины, поэтому подпорный клапан остается закрытым, а поршень 4 неподвижным.

После окончания бурения скважины на заданную глубину, буровые штанги с щелеобразователем отводят от забоя скважины на расстояние хода буровой коронки 7. При этом игольчатый толкатель 14 и буровая коронка 7 возвращаются в исходное положение, закрывая обратный клапан и препятствуя выходу жидкости в забой скважины, что приводит к повышению давления в системе щелеобразователя. В результате повышения давления в системе, в том числе в подпоршневой полости 11, подпорный клапан в поршне 4 открывается, пропуская жидкость в зону резания для охлаждения ножа 3 и удаления продуктов резания, а сам поршень 4 перемещается вдоль корпуса 1, поворачивая нож 3 вокруг оси 4 и выдвигая его режущую часть в радиальном направлении из продольного окна 2 корпуса 1, которой нарезают инициирующую щель.

После нарезания инициирущей щели для продолжения бурения скважины отключают вращение бурового става и насос промывки, при этом поршень 4 и нож 3 возвращаются в исходное положение. Затем буровой став подают на забой до упора в него буровой коронки 7 и включают насос промывки. При этом жидкость свободно проходит в забой скважины через открытый игольчатым толкателем 14 обратный клапан в головной части 6, включают вращение бурового става и продолжают процесс бурения до места нарезания следующей щели.