СПОСОБ МОНТАЖА И СТАБИЛИЗАЦИИ МОРСКОГО БУРОВОГО ОДНОКОЛОННОГО ОСНОВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК E21B15/02 

Изобретение относится к области бурения скважин на морских акваториях, в частности к способу монтажа морского бурового одноколонного основания и устройству для его осуществления.

Известны способ и устройство [2, 3] монтажа и стабилизации морского бурового одноколонного основания, характеризующиеся поочередным спуском и наращиванием колонны обсадных труб, погружением в породы морского дна нижней части колонны способами и устройствами, традиционно применяемыми для погружения обсадных труб в породы на суше, устанавливаемыми на верх колонны вибромеханизмами или ударами по ее верхнему торцу забивным снарядом (ударной бабой).

Основной трудностью для эффективного применения способов и устройств монтажа и стабилизации буровых оснований является снижение потерь энергии, передаваемой снарядами или механизмами от верха колонны к ее башмаку. На море к потерям на продольные деформации колонны добавляются потери на ее радиальные деформации, обусловленные тем, что в интервале слоя воды колонна не защищена от изгиба. Используемые для морского опорного одноколонного основания трубы имеют большие диаметры, толщину стенок, т.е. достаточно массивны, и их трудно наращивать с качающегося на волнах плавсредства.

Таким образом, известные способы и устройства [2, 3] недостаточно эффективны вследствие потерь энергии и низкого КПД ударов. Трудоемкость и стоимость таких работ весьма высоки, надежность же работы морских оснований недостаточна.

Ряд недостатков известных технологий бурения [2, 3] устранены в способе и устройстве [1], принятом за прототип.

Известный способ [1] , принятый за прототип, монтажа морского бурового одноколонного основания, включает поочередный спуск и наращивание труб колонны, погружение нижней части колонны в породы морского дна на глубину, исключающую заваливание колонны, укрепление на верхнем конце колонны платформы с буровыми механизмами. При этом колонну погружают в породы ударами по торцу придонной муфты колонны специальным забивным снарядом, скользящим по наружной поверхности колонны.

Соответствующее устройство для монтажа и стабилизации морского бурового одноколонного основания [1], принятое за прототип, содержит колонну соединенных между собой труб, снаряд и механизмы для погружения части колонны в породы, плавсредство с грузоподъемным средством для установки платформы со смонтированными на ней механизмами на верхний конец колонны труб.

Однако известные способ и устройство [1] в ряде случаев не обеспечивают достаточной эффективности и необходимой экономичности, имеют значительные потери энергии (малый КПД ударов), что снижает скорость монтажа и стабилизации основания и надежность работы. При этом изготовление специального сложного забивного снаряда повышает трудоемкость и стоимость работ.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в создании таких способа и устройства для монтажа и стабилизации морского бурового одноколонного основания, которые позволили бы повысить эффективность технологии, снизить трудоемкость и стоимость оборудования при повышении скорости и надежности монтажа и стабилизации основания в породах морского дна, реализуя тем самым оптимальность критерия "сложность" - стоимость - эффективность", т.е. получение максимальной эффективности при приемлемой (сниженной) сложности и стоимости технологии.

Основной технический результат изобретения - повышение эффективности погружения колонны в породу путем снижения потерь энергии (увеличение КПД ударов), повышение скорости монтажа и стабилизации основания при упрощении оборудования, снижение трудоемкости и стоимости процесса монтажа и стабилизации при повышении его надежности.

Технический результат достигается за счет того, что одноколонное основание (колонну) монтируют из двух секций труб (верхней и нижней) разных размеров с возможностью ограниченного поступательного перемещения верхней секции в нижней, а погружение колонны на необходимую глубину в породы осуществляют ударами верхней секции по нижней путем расхаживания верхней секции относительно нижней, т.е. путем использования верхней секции колонны в качестве забивного снаряда. Синергия новой технологии и реализующего ее устройства обеспечивают совокупный эффект двух технических объектов, объединенных единой целью повышения эффективности процессов монтажа и стабилизации морского бурового одноколонного основания.

Технический результат в способе монтажа и стабилизации достигается следующим образом.

Способ монтажа и стабилизации морского бурового одноколонного основания включает поочередной спуск и наращивание труб колонны, погружение нижней части колонны в породы морского дна на глубину, исключающую заваливание колонны, и укрепление на верхнем конце колонны платформы с буровыми механизмами.

Отличительными особенностями способа является то, что колонну монтируют из верхней и нижней секций, погружение колонны на необходимую глубину в породы осуществляют ударами верхней секции по нижней секции путем расхаживания верхней секции относительно нижней при их телескопическом соединении, а удары производят с помощью установленного на нижнем конце верхней секции кольцевого ударника по кольцевой наковальне, смонтированной на нижнем конце нижней секции.

Технический результат устройства достигается следующим образом.

Устройство для монтажа и стабилизации морского бурового одноколонного основания содержит колонну соединенных между собой труб, снаряд и механизмы для погружения части колонны в породы, плавсредство с грузоподъемным средством для установки платформы со смонтированными на ней механизмами на верхний конец колонны труб.

Отличительной особенностью устройства является то, что колонна включает соединенные телескопически верхнюю и нижнюю секции, на нижнем конце верхней секции установлен кольцевой ударник, на нижнем конце нижней секции смонтирована кольцевая наковальня, причем верхняя и нижняя секции соединены с возможностью ограниченного поступательного перемещения верхней секции в нижней. При этом телескопическое соединение между верхней и нижней секциями колонны в интервале расхаживания ударника выполнено шлицевым.

Кроме того, отличием устройства является то, что нижняя секция выполнена из трубы большего диаметра, чем верхняя, а с верхним концом нижней секции колонны жестко соединен раструб с радиусом кривизны его внутренней поверхности большим или равным минимально допустимому радиусу кривизны трубы верхней секции.

В частном случае выполнения наковальня смонтирована на расстоянии не менее 1,5 м от породоразрушающего башмака. При этом расстояние между наковальней и башмаком устанавливается при помощи соединяющего их трубчатого удлинителя соответствующей длины.

На фиг. 1 приведена схема одноколонного двухсекционного основания в процессе его монтажа и стабилизации (погружения в породы); на фиг. 2 - сечение основания по А-А по фиг. 1; на фиг. 3 приведен общий вид одноколонного двухсекционного основания в процессе бурения.

Морское буровое одноколонное основание с устройством для его монтажа и стабилизации в породах морского дна включает нижнюю секцию 1 и коаксиально установленную в ней с возможностью ограниченного перемещения верхнюю секцию 2, соединенные между собой при помощи фланцев 3. На нижнем конце секции 2 установлен кольцевой ударник 4, а на нижнем конце секции 1 установлена кольцевая наковальня 5, ограничивающая продольное перемещение секции 2 с ударником 4 вниз. С наковальней 5 жестко соединен трубчатый удлинитель 6, оканчивающийся породоразрушающим башмаком 7. На верхнем конце нижней секции 1 смонтирован раструб 8, ограничивающий продольное перемещение секции 2 с ударником 4 вверх, а также ограничивающей радиус изгиба труб верхней секции 2 в пределах, доступных их прочности. На наружной поверхности ударника 4 выполнены продольные пазы 9, а на внутренней поверхности секции 1 в интервале расхождения ударника 4 - продольные выступы 10. Способ монтажа и стабилизации одноколонного основания осуществляют с заякоренного плавсредства 11. На основании смонтирована платформа 12, с которой шарнирно соединен трап 13, внутри труб основания размещен буровой снаряд 14.

Способ осуществляют с помощью устройства для монтажа и стабилизации бурового одноколонного основания следующим образом.

На точке заложения буровой скважины при помощи грузоподъемных механизмов (лебедка, вышка и т.п.) плавсредства 11 (см. фиг. 1) опускают в воду необходимое количество труб удлинителя 6 с породоразрушающим башмаком 7, с верхним концом удлинителя 6 соединяют кольцевую наковальню 5, с наковальней соединяют первую трубу нижней секции 1 с выступами 10 шлицевого соединения на ее внутренней поверхности. Далее на трубу шлицевого соединения наращивают необходимое количество труб нижней секции 1, опускают ее по мере наращивания вниз и подвешивают на трубодержатель любой из известных конструкций (не показана). Затем в наружную секцию 1 опускают кольцевой ударник 4, с ним соединяют первую трубу верхней секции 2 с надетым на эту трубу раструбом 8. Раструб 8 жестко соединяют с верхним концом секции 1, при помощи лебедки плавсредства 11 выбирают слабину троса, соединенного с первой трубой секции 2, приподнимают эту трубу до упора верхнего торца ударника 4 в нижний торец раструба 8, вывешивают опущенную нижнюю секцию 1, освобождают ее от трубодержателя, опускают всю систему вниз и подвешивают за верхний конец трубы секции 2 на трубодержателе.

Далее поочередно наращивают и опускают вниз трубы верхней секции 2. При этом башмак 7 первым становится на морское дно, но процесс наращивания и опускания вниз верхней секции 2 продолжают до упора ударника 4 в наковальню 5. Под тяжестью труб секций 1 и 2 трубчатый удлинитель 6 с башмаком 7 может сразу погружаться на некоторую глубину в грунты морского дна, и они окажутся внутри трубчатого удлинителя. Поступление грунтов морского дна в трубчатый удлинитель 6 выше наковальни 5 нежелательно, поэтому необходимая длина удлинителя 6 должна определяться, исходя их физических свойств донных грунтов. В большинстве случаев необходимо, чтобы длина удлинителя составляла не менее 1,5 м. Затем верхнюю секцию 1 освобождают от трубодержателя, наращивают очередной трубой и процесс погружения в породы удлинителя 6 и труб нижней секции 2 продолжают ударами кольцевого ударника 4 по наковальне 5. Для этого всю верхнюю секцию 1 труб с ударником 4 приподнимают на тросе лебедки плавсредства 11 и затем сбрасывают на наковальню 5, т.е. осуществляют расхаживание верхней секции 2 с ударником 4.

Так как масса труб верхней секции 2 и ударника 4 большая, то достаточная энергия ударов обеспечивается при высоте расхаживания до 0,8 м. Поэтому выступы 10 шлицевого соединения в первой от наковальни 5 трубе нижней секции 1 достаточно выполнить на длине до 1,5 м (до этого же значения может быть ограничена длина всей этой трубы).

После стабилизации основания в породах морского дна, т.е. после погружения трубчатого удлинителя 6 и труб нижней секции 1 на необходимую глубину в породы, на верхний конец секции 1 грузоподъемными средствами плавсредства 11 устанавливают платформу 12 одновременно со смонтированными на ней буровыми механизмами (вращатель, лебедка, вышка и т.п.).

Процесс бурения скважин механизмами, установленными на платформе 12, не зависит от волнения моря. Поэтому бурение можно осуществлять любым из известных способов (ударно-забивной, вдавливанием, вращательный) по технологиям, применяемым на суше.

Ликвидацию скважины после завершения бурения и демонтаж отдельного основания проводят в последовательности, обратной сооружению скважины и опорного основания.

Таким образом, применение секционного опорного основания из труб различных диаметров и способа его стабилизации путем расхаживания верхней секции в нижней, т.е. путем использования верхней секции труб в качестве забивного (и выбивного) снаряда, обеспечивает по сравнению с известными конструкциями опорных оснований и способами их стабилизации следующие преимущества;
- увеличение КПД ударов при стабилизации основания в породах морского дна и улучшает условия стабилизации;
- уменьшает изгибные напряжения от сил волнового давления, увеличивает прочность и надежность работы основания, что уменьшает количество поломок и позволяет выходить с бурением разведочных и инженерно-геологических скважин на более глубокие акватории;
- уменьшает материальные и трудовые затраты на изготовление специальных забивных снарядов для стабилизации основания;
- гарантирует извлечение опорного основания из пород морского дна без применения для этого специальных выбивных снарядов и, соответственно, без дополнительных материальных и трудовых затрат.

Каждое из перечисленных преимуществ повышает скорость монтажа и стабилизации (а также демонтажа) одноколонного опорного основания, уменьшает стоимость выполнения этих процессов, что в целом повышает эффективность геологоразведочных работ на море при оптимизации критерия "сложность-стоимость-эффективность".

Источники информации
1. Заявка Англии N 1397470, кл. E 21 B 15/02, опубл. 11.06.75 (прототип способа и устройства).

2. Хворостовский С.С., Пронкин А.П. Методы повышения эффективности бурения разведочных скважин с судов. - М.: ЗАО "Геоинформмарк", 1998, с. 64-68 (аналоги).

3. А. с. СССР N 1011783, МПК E 02 D 7/08, E 21 B 19/10, опубл. БИ N 14, 1983, c. 123 (аналог).

Использование: в области бурения скважин на морских акваториях механизмами, устанавливаемыми на опорном основании в виде одной трубчатой колонны. Сущность: применение технологии двухсекционного опорного основания из труб различных диаметров и способа его стабилизации путем расхаживания верхней секции в нижней, т.е. путем использования верхней секции труб в качестве забивного (выбивного) снаряда. Удары производятся с помощью установленного на нижнем конце верхней секции кольцевого ударника по кольцевой наковальне, смонтированной на нижнем конце нижней секции. Телескопическое соединение между верхней и нижней секциями колонны выполнено шлицевым. Технический результат: повышение эффективности погружения колонны путем снижения потерь энергии, повышение скорости монтажа и стабилизации основания при упрощении оборудования, снижение трудоемкости и стоимости процесса при повышении его надежности. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ монтажа и стабилизации морского бурового одноколонного основания, включающий поочередный спуск и наращивание труб колонны, погружение нижней части колонны в породы морского дна на глубину, исключающую заваливание колонны, и укрепление на ее верхнем конце платформы с буровыми механизмами, отличающийся тем, что колонну монтируют из верхней и нижней секций, погружение колонны на необходимую глубину в породы осуществляют ударами верхней секции по нижней секции путем расхаживания верхней секции относительно нижней при их телескопическом соединении, а удары производят с помощью установленного на нижнем конце верхней секции кольцевого ударника по кольцевой наковальне, смонтированной на нижнем конце нижней секции. 2. Устройство для монтажа и стабилизации морского бурового одноколонного основания, содержащее колонну соединенных между собой труб, снаряд и механизм для погружения части колонны в породы, плавсредство с грузоподъемным средством для установки платформы со смонтированными на ней механизмами на верхний конец колонны труб, отличающееся тем, что колонна включает соединенные телескопически верхнюю и нижнюю секции, на нижнем конце верхней секции установлен кольцевой ударник, на нижнем конце нижней секции смонтирована кольцевая наковальня, причем верхняя и нижняя секции соединены с возможностью ограниченного поступательного перемещения верхней секции в нижней. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что телескопическое соединение между верхней и нижней секциями колонны в интервале расхаживания ударника выполнено шлицевым. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что нижняя секция выполнена из трубы большего диаметра, чем верхняя, а с верхним концом нижней секции колонны жестко соединен раструб с радиусом кривизны его внутренней поверхности, большим или равным минимально допустимому радиусу кривизны трубы верхней секции. 5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что наковальня смонтирована на расстоянии не менее 1,5 м от породоразрушающего башмака, причем расстояние между наковальней и породоразрушающим башмаком устанавливается при помощи соединяющего их трубчатого удлинителя соответствующей длины.