СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ ТОРОСОВ И СТАМУХ, СВОЙСТВ ЛЬДА И ГРАНИЦЫ ЛЬДА И ГРУНТА Российский патент 2000 года по МПК E21C39/00 G01N9/00 

Изобретение относится к ледоведению и ледотехнике и может быть использовано при ледовых исследованиях, в частности в районах добычи углеводородов на шельфе замерзающих морей.

Задачей исследования льда является оценка возможных воздействий ледяных полей и торосов на сооружения. Торос представляет собой хаотическое нагромождение морского льда, находящееся на плаву, и частично смороженное. Стамуха в данном случае представляет торос, посаженный на мель. Толщина торосов достигает 20 м, а стамух 40-50 м. Торосы и стамухи могут создать значительные ледовые нагрузки на сооружения, которые необходимо учитывать при проектировании.

Известные дистанционные методы исследования льда, такие как радиолокация и гидролокация, не могут обеспечить получение достоверных данных при исследованиях торосов из-за помех при зондировании неоднородного льда, для таких исследований необходимо проводить бурение скважин во льду. Исследования торосов и стамух производятся при доставке людей и оборудования к месту работы судном или вертолетом, работа производится в условиях ограниченного времени пребывания на льду, поэтому для обеспечения бурения большого количества скважина важна высокая производительность при бурении, записи параметров бурения, а также при обработке полученных результатов.

Известно бурение скважин во льду переносными электромеханическими бурами фирм Танака или Ковакс. Такие буры представляют собой электрический или бензиновый мотор с редуктором, к которому крепятся штанги со шнеками или секция керноотборника. Эти легкие буровые установки позволяют бурить скважины с отбором керна на глубину до 7 м и без отбора керна до 20 м. Достоинством является высокая скорость бурения и получение керна, пригодного для измерения температуры, прочности и структуры льда при сравнительно небольшом весе оборудования. Недостатком является большой объем тяжелой физической работы.

Известно керновое и бескерновое бурение электротермобурами, разработанными в Арктическом и Антарктическом НИИ [1, 2], которые используются при исследованиях ледников и морского льда с 1970 г. Достоинством являются сравнительно небольшой вес, возможность бурения скважин на всю глубину торосов, возможность определения величины и расположения пустот во льду с высокой точностью.

Известно и широко используется бурение скважин без отбора керна горячей водой, при котором подогретая вода насосом подается в термобуровой снаряд и выпускается в забой из отверстия в коронке термобура. Достоинством является высокая производительность, что позволяет бурить большое количество скважин за короткое время для оценки толщины тороса и грубого определения количества и расположения пустот. Недостатками являются невозможность получения по данным бурения объективной и подробной информации о распределении и размерах пустот, толщины консолидированной части льда и плотности льда.

Наиболее близким является "Способ определения плотности ледяного покрова", автор Суханов Л.А. [3], 1975 г. Это изобретение предусматривает определение плотности снега и льда по скорости бурения скважин электротермобуровым снарядом при подаче на бур постоянной тепловой мощности, расходуемой на бурение льда. Запись времени бурения и глубины скважины производится на ленту самопишущего устройства, по которой при обработке определяют по градуировочной кривой плотность льда на измеряемых горизонтах. Достоинством этого способа является возможность определения плотности снега и льда при недорогом бескерновом тепловом бурении ледников.

Недостатками этого способа при его использовании для исследования торосов и стамух являются:
1. Отсутствие измерения и записи потребляемой буром мощности, без чего невозможно определить плотность льда, поскольку обеспечить постоянную подаваемую мощность затруднительно, а при водяном бурении невозможно.

2. Отсутствие измерения и записи температуры талой воды в скважине вносит погрешности в определение плотности льда, поскольку скорость бурения зависит от плотности льда и загрязнения забоя посторонними включениями, при наличии которых одновременно понижается скорость бурения и повышается температура талой воды.

3. Отсутствие измерения и записи давления воды над забоем, необходимых для измерения границ консолидированного льда.

4. Запись параметров бурения на бумажную ленту потребует больших затрат времени на сбор и обработку данных.

Целью настоящего изобретения является получение при бескерновом бурении электричеством или горячей водой объективной информации для определения общей толщины тороса и толщины его консолидированной части, распределения и размеров пустот во льду, солености, плотности и пористости льда, а также уменьшение трудоемкости обработки полученной информации.

Указанная цель достигается следующими действиями.

1. В процессе теплового бурения-плавления льда производят одновременную запись на компьютер следующих параметров бурения: подаваемой на бур тепловой мощности (напряжения и тока при электробурении, температуры и расхода воды при бурении горячей водой), температуры и давления воды в скважине вблизи от забоя, времени бурения и глубины скважины. Одновременно измеряют температуру льда в районе бурения. При последующей обработке этих данных на компьютере определяются общая толщина тороса, границы консолидированного льда, плотность льда, расположение и размеры пустот.

2. Определение солености льда производят при электрическом бурении путем откачки из забоя полученной при бурении льда воды и измерения ее солености. Эта вода по шлангу подается в измеритель солености, полученные данные записывают на компьютер одновременно с другими параметрами бурения, причем при обработке данных учитывают время прохода воды из скважины по шлангу до измерителя солености.

3. Границу льда и грунта определяют по резкому повышению температуры воды в скважине и уменьшению скорости бурения до полной остановки.

На фиг.1 показана блок-схема бурения горячей водой с записью параметров бурения. Состав оборудования: водоподогреватель 1, подающий шланг 2, фильтр 3, буровой шланг 4, мерное колесо 5, термобур 6, датчики температуры воды 8 и 11, датчик расхода воды 9, датчик глубины 10, датчик давления 12, переносной компьютер или электронное устройство для записи 13.

На фиг.2 показана блок-схема электротермического бурения торосов с записью параметров бурения. Состав оборудования: бензогенератор 1, щит управления 2, питающий кабель 3, датчики напряжения 4 и тока 7, мерное колесо 5, электротермобур 6, регулируемый насос 8, измеритель солености 9, датчик глубины 10, датчик температуры 11, датчик давления 12, переносной компьютер или электронное устройство для записи 13, шланг 14.

На фиг. 3 показана схема определения границ консолидированного льда, на которой схематически показаны варианты расположения верхней границы консолидированного льда относительно уровня моря (выше 2, ниже 3 и на уровне моря), нижней границы консолидированного льда 4 (схема А), и соответствующий этим границам ход изменения давления воды в скважине (схема Б).

Осуществление данного способа исследования строения торосов и стамух производится при полевых работах, где производят бурение скважин с записью параметров бурения, и последующей обработке полученных данных.

Комплекс полевых работ предусматривает:
1. Для обследования большой площади торосов и стамух можно использовать более производительное водяное бурение льда, широко используемое для исследований ледников и морского льда. Потребляемая мощность до 60 кВт, скорость бурения до 3 м/мин. При обработке записанных параметров бурения определяют скорость бурения, толщину торосов, расположение и размеры пустот, плотность льда, границы консолидированного льда, границу льда и грунта.

Бурение горячей водой производится с использованием оборудования, показанного на фиг. 1.

Горячая вода подается от водоподогревателя 1 по подающему шлангу 2, далее через фильтр 3 по буровому шлангу 4 в термобур 6. Вода, выходящая из коронки термобура, расплавляет лед в забое, и бур погружается в лед, увлекая за собой буровой шланг, пропущенный через мерное колесо 5, на котором установлен датчик глубины 10. Тепловая мощность измеряется датчиками температуры 8 и расхода воды 9. Датчиками температуры 11 и давления 12 измеряют температуру и давление воды вблизи забоя.

Повышение температуры воды на забое и уменьшение скорости бурения свидетельствуют о входе бура в загрязненный лед, прослойку грунта во льду или в донный грунт. Для проверки продолжают бурение, плавно приподнимая на 5-10 см и опуская бур на забой. При проходе бура через прослойку грунта скорость бурения восстанавливается, при попадании бура в грунт бурение прекращается.

Вся информация от датчиков о параметрах бурения подается на переносной компьютер или электронное устройство для записи 13, по окончании рабочей смены данные переписываются на стационарный компьютер.

Для проведения этой работы возможно использование стандартного оборудования для водяного бурения, потребуется доработка термобура с целью повышения чувствительности при определении размеров пустот во льду, размещения датчиков температуры и давления воды в термобуре и коммуникаций для передачи этих данных на блок записи.

2. Для детального обследования ограниченной площади торосов проводят электротепловое бурение с записью параметров бурения, при этом производится откачка воды из забоя и измерение ее солености с записью на компьютер. При обработке данных определяют скорость бурения, толщину тороса, границы консолидированного льда, границу льда и грунта, расположение и размеры пустот, плотность, соленость и пористость льда. Электротепловое бурение производится с помощью оборудования, показанного на фиг.2. Электропитание подается от бензогенератора 1 через щит управления 2 по кабелю 3 к электротермобуру 6. Потребляемая мощность 2 кВт, скорость бурения морского льда 0,2-0,4 м/мин. Одновременно производят откачку из забоя образующейся при бурении талой воды с помощью вакуум-насоса 8 по шлангу 14 через измеритель солености 9. Датчики тока 7 и напряжения 4 установлены на щите управления 2, датчик температуры 11 установлен у торца коронки, датчик давления воды в забое 12 установлен над коронкой термобура, датчик глубины 10 установлен на мерном колесе 5, через которое пропущен кабель 3. Повышение температуры воды на забое и уменьшение скорости бурения свидетельствуют о входе бура в загрязненный лед, прослойку грунта во льду или в донный грунт. Для проверки продолжают бурение при мощности, уменьшенной на 70%, резко приподнимая на 5-10 см и опуская бур на забой (для удаления из забоя частиц грунта). При проходе бура через прослойку грунта скорость бурения восстанавливается, при попадании бура в грунт бурение прекращается.

Вся информация от датчиков о параметрах бурения подается на переносной компьютер или электронное устройство для записи 13, по окончании рабочей смены данные переписываются на стационарный компьютер.

Для проведения этой работы может быть использовано широко известное электротермобуровое оборудование, разработанное в ААНИИ. Потребуется доработка термобура ЭТИ-3 для размещения датчиков температуры и давления, разработка измерителя солености с подающим вакуум-насосом и кабель-шланга для электропитания бура и подачи из забоя талой воды в измеритель солености льда. При обработке записанных на компьютер параметров бурения определяются следующие данные о структуре торосов и стамух:
1. Тепловая мощность q, подведенная к термобуру
1.1 При электрическом бурении
q=1,163•I•U, (1)
где I - сила тока. А;
U - напряжение, В.

1.2 При водяном бурении
q=G•t, (2)
где G - расход воды, кг/с;
t - температура воды, ^oC.

2. Количество и размеры пустот во льду определяются по графику зависимости скорости бурения υ от глубины H скважины, полученной по записи глубины скважины и времени бурения T

где ΔH - глубина скважины за отрезок времени бурения ΔT
Величину скорости бурения рассчитывают на компьютере для каждой точки при достаточно малом отрезке времени, получают график, по которому оценивают расположение и размеры пустот, где скорость погружения бура резко возрастает.

3. Определение плотности льда производится при электрическом бурении на заданных горизонтах скважины по записи тепловой мощности, подаваемой на бур, солености льда, температуры талой воды на забое и скорости бурения, а также измеренной температуре льда. Процесс теплового бурения-плавления является квазистационарным, при котором скорость бурения υ зависит от подводимой мощности

где q - тепловая мощность термобура, Вт;
F - площадь забоя (торца коронки), м²;
t_т - температура талой воды, образующейся при бурении, ^oC;
C_т - теплоемкость талой воды, Дж/кг•град;
ρ_л - плотность льда, кг/м³;
Q - теплозатраты на плавление единицы массы морского льда, Дж;
K - поправочный коэффициент.

Затраты тепла на плавление 1 кг морского льда Q определяются из таблиц, приведенных в литературе [4], или по формуле, приведенной в журнале [5]:

где S - соленость льда в относительных единицах;
C_л - теплоемкость пресноводного льда, Дж/кг•град;
C_в - теплоемкость пресной воды, Дж/кг•град;
t_л - температура льда, ^oC;
L - скрытая теплота плавления пресного льда, Дж/кг;
α =-0,01848 (^oC)^-1.

При тепловом бурении часть подаваемой на бур мощности расходуется на прогрев окружающего льда. Величина ее зависит главным образом от конструкции буровой коронки, а также от теплофизических свойств льда. Потери тепла в окружающий лед учитываются коэффициентом K, который определяется для каждой термобуровой коронки или партии коронок при их изготовлении путем бурения льда различной солености и температуры.

Величина плотности морского льда определятся по формуле:

По записи солености и измеренной температуре льда и используя табличные данные, приведенные в [4], определяют объем рассола в одном литре льда V_р и плотность ρ_p рассола.

Объем пресноводного льда в одном литре морского льда определяется по формуле:

где ρ =916,7 кг/м³ - плотность пресного льда;
ρ_л - плотность льда, определенная по формуле (6), кг/м³;
ρ_p - плотность рассола, определенная по таблице;
V_р - объем рассола на один литр льда, определенный по таблице.

Объем воздуха в одном литре льда:
V_в=1-(V_р+V_л). (8)
Пористость льда:
П=(V_р+V_в)•100%. (9)
Определение плотности льда при водяном бурении производится из условия пропорциональности скорости бурения подаваемой мощности:

где q - подаваемая мощность;
ρ - плотность льда.

Каждая термобуровая коронка или партия коронок проходит тарировку путем бурения льда известной плотности при различной температуре. Определяется скорость бурения υ_o при мощности q₀ и плотности льда ρ_o, а также поправочный коэффициент k, зависящий от температуры льда

При бурении торосов плотность льда определяется из условия

где υ_x - скорость бурения исследуемого льда;
q_х - мощность термобура при бурении исследуемого льда.

Отсюда определяется плотность льда

Следует отметить, что определение плотности льда при водяном бурении является более грубым, чем при электрическом бурении. Однако водяное бурение более производительно, на его скорость меньше влияет загрязнение льда, поэтому для бурения стамух при наличии загрязненного льда в придонной части его использование более эффективно.

4. Определение границ консолидированной части льда.

Консолидированная часть льда - это слой смороженных кусков льда. Эта часть льда водонепроницаема, поэтому при тепловом бурении-плавлении в скважине находится талая вода. Эта вода вытекает из скважины и растекается по верхней границе консолидированного льда. При выходе скважины в пористый несмороженный лед уровень воды в скважине установится на уровне моря, т.к. пористая часть льда сообщается с морем. Определение границ консолидированного льда производится по записи измерения уровня воды в скважине. При этом по изменению уровня воды выделяют границы консолидированного водонепроницаемого льда, которые уточняют по расположению пустот во льду, определяемых по скорости бурения.

На фиг. 3 приведена схема определения границ консолидированного льда (схема А). Определение уровня воды в скважине производится с помощью датчика давления, установленного на термобуре вблизи от коронки. Ход изменения давления воды в скважине показан на схеме Б.

Верхняя граница H_в консолидированного льда определяется по формуле:

где H₁ - глубина скважины при начале измерения давления воды;
P₁ - измеренное давление воды;
ρ_в - плотность воды в скважине;
Δh - расстояние от датчика давления до носка коронки термобура.

Нижняя граница консолидированного льда соответствует глубине скважины при резком изменении давления воды и определяется по формуле
H_н=H₂, (12)
где H₂ - записанная глубина скважины при резком изменении давления воды.

Следует отметить, что в зависимости от расположения верхней границы консолидированного льда ход изменения давления воды в скважине будет различным. При расположении верхней границы выше уровня моря во время выхода скважины в пористый лед уровень и давление воды в скважине резко уменьшаются, при верхнем уровне консолидированного льда ниже уровня моря с выходом скважины в пористый лед уровень и давление воды резко повышаются, а при расположении верхней границы на уровне моря уровень и давление воды в скважине не изменятся.

Нижняя граница консолидированного льда определяется по ходу изменения давления воды и скорости бурения с оценкой расположения пустот во льду. Поэтому при верхней границе консолидированного льда, расположенной на уровне моря, определение нижней границы консолидированного льда производится по расположению пустот во льду и путем экстраполяции расположения границ в соседних скважинах.

5. Определение глубины расположения границ льда и грунта производят по данным записи температуры и давления воды на забое и глубины скважины.

Граница льда и грунта относительно поверхности стамухи расположена на глубине, при которой произошло резкое повышение температуры воды на забое и уменьшение скорости бурения до полной остановки.

Расположение границы льда и грунта относительно уровня воды в скважине определяется по формуле:

где P₂ - измеренное давление воды в забое над коронкой термобура;
ρ_в - плотность воды в скважине;
Δh - расстояние от датчика давления до носка коронки термобура.

Предлагаемый способ исследования торосов и стамух обеспечивает получение большого объема необходимой объективной информации о внутреннем строении этих ледовых образований при эффективном тепловом бурении большого количества скважин. Применение компьютера позволяет в короткие сроки проводить обработку собранного материала. Экономический эффект от использования предлагаемого способа состоит из экономии времени и дорогостоящих услуг авиации при полевых работах и экономии времени высококвалифицированных специалистов при обработке полученных материалов. В этом предложении предусмотрено использование самых современных методов и аппаратуры для бурения, записи параметров и обработки материалов для получения информации о строении торосов и стамух и оценки их возможного воздействия на гидротехнические сооружения. Учитывая повышенный интерес в районах добычи углеводородов на шельфах замерзающих морей, настоящее предложение можно считать актуальным.

Библиографические данные
1. Морев В.А. а.с. N350945, БИ N27, оп. 13.11.72 г.

2. Морев В.А. а.с. N439601, БИ N30, оп. 15.08.74 г.

3. Суханов Л.А. а.с. N468133, БИ N15, оп. 25.04.75 г.

4. Назинцев Ю.Л., Дмитраш Ж.А., Моисеев В.И. "Теплофизические свойства морского льда". Л., Издательство ЛГУ, 1988 г.

5. Schwerdtfeger P. "The thermal properties of sea ice" Journal of Glaciology, 1963, Vol. 4, N36, p. 789-807.

Изобретение относится к ледоведению и ледотехнике, предназначено для исследования торосов и стамух на шельфах замерзающих морей. Задачей изобретения является получение объективной информации для определения свойств льда, границ консолидированного льда и границы льда и грунта с помощью теплового бурения скважин электричеством или горячей водой, а также уменьшение трудоемкости обработки информации. Для этого в процессе бурения записывают на компьютер следующие параметры бурения: тепловая мощность, подаваемая на термобур, температура воды в скважине, давление воды в скважине, глубина скважины, время бурения. Дополнительно при электробурении измеряется и записывается соленость откачиваемой из скважины талой воды. По этим параметрам определяются толщина торосов, размеры и расположение пустот, границы смороженного (консолидированного) льда, свойства льда (плотность, соленость, пористость) и наличие загрязнений. При бурении стамух измеряется граница льда и грунта относительно уровня воды, заполняющей скважину, и поверхности стамухи. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения структуры торосов и стамух, свойств льда и границы льда и грунта, характеризующийся тем, что осуществляют тепловое электрическое или водяное бурение скважин во льду, производят измерение и одновременную запись на компьютер времени бурения и глубины скважины, температуры и давления воды в скважине вблизи забоя и подаваемой на бур тепловой мощности, определяемой путем измерения напряжения и тока при электрическом бурении и температуры и расхода воды при бурении горячей водой, при бурении стамух делают ряд подъемов и опусканий бура на забой для продолжения бурения загрязненного льда и достижения донного грунта, которое определяется по резкому повышению температуры воды вблизи забоя и уменьшению скорости бурения до полной остановки, по данным глубины скважины и давления воды вблизи забоя определяют глубину расположения границы льда и грунта, определяют скорость бурения и строят график зависимости скорости бурения от глубины скважины и по нему оценивают расположение и размеры пустот, по скорости бурения, подаваемой мощности и измеренной температуре льда и воды в забое определяют плотность льда, а по измеренному давлению воды в скважине вблизи забоя определяют уровень воды в скважине, по изменению которого определяют границы консолидированного льда. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при тепловом электрическом бурении производят постоянную откачку из забоя талой воды, образующейся при бурении, и пропускают ее через измеритель солености, при этом измеренные данные записывают на компьютер одновременно с другими параметрами и учитывают их при определении плотности льда, а по полученным значениям величин солености и плотности льда определяют его пористость.