СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ И ПРОЧНОСТИ МОРСКОГО БУРОВОГО ОСНОВАНИЯ И МОРСКОЕ БУРОВОЕ ОСНОВАНИЕ Российский патент 2002 года по МПК E21B15/02 E02B17/02 

Изобретение относится к области бурения скважин на акваториях, а именно к стационарным опорным о дно акваторий основаниям, выполненным из одной или нескольких трубчатых опор и используемым для размещения на них платформы с буровыми механизмами и оборудованием.

Максимально допустимая высота опорного бурового основания зависит, в основном, от сил тяжести платформы с буровыми механизмами и оборудованием, сил давления морских волн и течений, сил тяжести несущих опор основания, а также сил дополнительного нагружения их в процессе выполнения буровых технологических операций. При определенных сочетаниях физических характеристик опор основания и величин воздействующих на них нагрузок основание может потерять устойчивое состояние и разрушится.

Наиболее нагруженные и опасные по прочности сечения опор основания обычно находятся у дна моря.

Известны способы [2, 3] повышения устойчивости и прочности опорных оснований и устройства для их осуществления путем уменьшения величин напряжений в опасных сечениях его опор за счет увеличения площади их поперечных сечений по мере приближения к дну моря. Площади сечения опор в известном способе [2] и соответствующем устройстве увеличиваются путем увеличения диаметров опор в направлении дна моря плавно, ступенчато или бутылкообразно. Способ и устройство [2] могут увеличить прочность основания, однако пропорционально увеличению диаметров опор возрастают силы давления на них волн и течений, а также возрастают материальные и трудовые затраты на изготовление таких опор.

Известен принятый за прототип способ [1] повышения устойчивости морского бурового основания (МБО), включающий уменьшение напряжений сжатия в сечениях его трубчатых опор путем растяжения опор, а растяжение осуществляют заполнением трех секций, выполненных в виде емкостей, различными по плотности материалами. При этом верхнюю секцию заполняют воздухом, среднюю - водой, нижнюю - породным материалом, а колонну закрепляют растяжками на якорях.

Известное МБО [1], принятое за прототип, содержит опирающиеся на башмаки трубчатые опоры, которые выполнены в виде соединенных герметичных секций труб, и смонтированную на опорах платформу. Каждая из секций труб для герметизации снабжена верхней и нижней заглушками и образует герметичную полость секций (ГПС). При этом ГПС опор заполнены материалом, обеспечивающим давление, которое увеличивается с увеличением глубины ГПС: верхняя секция заполнена воздухом, средняя - водой, нижняя - породным материалом.

Основным недостатком способа-прототипа и реализующего его МБО [1] являются сравнительно большие диаметры секций колонны, необходимые для реализации требуемых высоты опоры, ее устойчивости и прочности, а также большие материальные и трудовые затраты на изготовление, монтаж и демонтаж МБО.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании такого способа и соответствующей конструкции МБО, которые при снижении напряжения в опасных сечениях опор МБО путем их растяжения (путем адекватного уравнивания сил сжатия и растяжения во всех секциях опорных колонн МБО) позволило бы реализовать устойчивое, прочное и надежное МБО при упрощении и экономичности его конструкции.

Основной технический результат предлагаемого способа и реализующего его МБО - повышение устойчивости и прочности МБО и увеличение допустимой высоты колонны за счет надежного адекватного регулируемого уравнивания сил сжатия и растяжения во всех секциях опор МБО. Кроме того, предлагаемая технология обеспечивает снижение диаметров труб опор, упрощение их конструкции за счет снижения изгибающих нагрузок, а также снижение материальных и трудовых затрат при монтаже и эксплуатации МБО.

Технический результат достигается тем, что растяжение вертикальных трубчатых опор МБО осуществляется силой избыточного давления воздуха или газа, закачанного в герметичные полости трубчатых опор.

Технический результат в способе повышения устойчивости и прочности МБО достигается следующим образом.

Способ заключается в уменьшении напряжений сжатия в сечениях трубчатых опор или их секций путем их растяжения.

Отличительной особенностью способа является то, что растяжение трубчатых опор или их секций осуществляют силой избыточного давления воздуха или газа, закачанного в герметичные полости трубчатой опоры или ее секций, при этом давление воздуха или газа устанавливают в соответствии с выражением:

где P_n - давление воздуха или газа в полости n-й секции от верхнего конца опоры, Па;
n= 1, 2, 3,... - номер секции в опоре от ее верхнего конца до расчетной секции;
F - среднее значение суммы сил нагружения одной опоры основания технологически, буровыми механизмами и оборудованием, Н;
q - средняя сила тяжести одной секции опоры в интервале от верхнего конца опоры до расчетной секции, Н;
σ_n - предел текучести материала n-й секции опоры, Па;
d_n - наибольшее расстояние между противоположными точками в горизонтальном сечении n-й секции опоры, м;
f_n - площадь сечения полости n-й секции трубчатой опоры, м²;
δ_n - толщина n-й секции трубчатой опоры, м.

Технический результат в МБО для осуществления указанного способа реализуется следующим образом.

МБО содержит несколько вертикальных трубчатых опор, опирающихся на башмаки и выполненных в виде соединенных герметичных секций труб, и смонтированную на опорах платформу, причем каждая из секций труб снабжена верхней и нижней заглушками и образует герметичную полость секций (ГПС), а ГПС опор заполнены материалом, обеспечивающим давление, которое увеличивается с увеличением глубины ГПС.

Отличительной особенностью МБО является то, что для заполнения ГПС опор используется воздух или другой газ, закачанный под давлением в ГПС трубчатой опоры, причем давление Р_n воздуха или газа в ГПС в n-й секции установлено в соответствии с выражением (1).

Кроме того, МБО отличается тем, что секции опоры выполнены одинаковых поперечных сечений или разных поперечных сечений, увеличивающихся с увеличением глубины секции, то есть с увеличением n.

Обоснуем получение технического результата путем реализации признаков изобретения.

Давление воздуха (газа) в герметичной полости опоры передается на ее торцевые заглушки и создает усилие, растягивающее опору (секцию). Величина этого усилия равна произведению давления на площадь заглушки (т.е. площадь поперечного сечения ГПС). Состояние опоры, при котором напряжение сжатия в ее основном сечении равно нулю, обеспечивается, если создаваемая давлением воздуха или газа растягивающая сила равна по абсолютной величине сумме приходящихся на эту опору сил: технологических, тяжести платформы с буровыми механизмами и оборудованием и тяжести непосредственно опоры.

Это обеспечивается при условии:
pf = F + q, (2)
где р - давление воздуха (газа) в полости опоры, Па;
f - площадь поперечного сечения воздушной полости опоры, м²;
q - сила тяжести непосредственно опоры, Н;
F - среднее значение суммы сил нагружения одной опоры основания технологически, силой тяжести буровых механизмов и оборудования, приходящихся на данную конкретную опору, Н.

Максимально допустимое давление воздуха (газа) в опоре по условиям ее разрыва должно ограничиваться прочностью опоры по ее вертикальному, т.е. по менее прочному сечению. Это ограничение можно представить выражением:

где р - давление воздуха (газа) в полости опоры, Па;
σ - предел текучести материала опоры, Па;
δ - толщина стенки трубчатой опоры, м;
d - наибольшее расстояние между противоположными точками в горизонтальном сечении полости опоры, м.

Решая выражения (2) и (3) совместно относительно величины р, необходимой, с одной стороны (2), и ограниченной, с другой стороны (3), получим выражение для эффективной реализации на практике предложенных способа и устройства повышения устойчивости МБО:

Предложенная технология повышения устойчивости и прочности МБО реализуется за счет уменьшения в опасных сечениях опор как напряжений сжатия от действия продольных сил, так и напряжений от изгибающих сил волнового давления.

Таким образом, в опорах из секций одинакового или разного миделевого сечения рациональное значение давления воздуха (газа), закачанного в ГПС, должно определятся из выражения (1).

Сущность предложенного способа повышения устойчивости и прочности МБО иллюстрируется чертежами: на фиг.1 показана общая схема основания из трубчатых секции одинакового диаметра, фиг.2 иллюстрирует конструкцию опоры из трубчатых секций с разными поперечными сечениями и соединением секций в виде резьбового замка.

МБО включает несколько опор 1, смонтированную на них платформу 2, трубы 3 секций, заглушки 4 и 5 соответственно нижнего и верхнего концов трубчатой секции, герметичные полости 6 секций (ГПС) и башмаки 7.

Способ осуществляют растяжением вертикальных трубчатых секций опор 1 силой избыточного давления воздуха (газа), закачанного в герметичные полости 6.

Секции опоры 1 могут быть выполнены из труб 3 одинаковых (фиг.1) или разных (фиг.2) поперечных сечений. При этом рациональное значение давления воздуха (газа), закачанного в полости 6 конкретных секций, определяется выражением (1). Для нагнетания воздуха (газа) в полость 6 и последующего контроля за величиной давления в верхней или нижней заглушках 4 и 5 каждой секции может быть смонтировано ниппельное устройство известных конструкций.

Технология по монтажу МБО реализуется плавсредством, оснащенным грузоподъемным механизмом, вибратором или забивным снарядом. На месте заложения скважины поочередно наращивают и опускают в море секции первой опоры 1 до упора ее башмака 7 в дно моря. Вибратором или забивным снарядом погружают эту опору на проектную глубину в грунт дна, наращивая ее при необходимости дополнительными трубчатыми секциями. На требуемых расстояниях от установленной опоры аналогично монтируют и стабилизируют в дне моря остальные опоры. Затем на верхних концах опор 1 монтируют платформу 2 и устанавливают на ней необходимое буровое оборудование.

Способ иллюстрируется следующим примером определения допустимой высоты МБО по условиям прочности без применения и с применением предложенного способа.

Для вычисления примем величину продольных сил нагружения МБО равной 9МН. Расчетная величина нагружения одной опоры при этом составит 3МН.

Нижний конец каждой опоры основания погружен в грунт морского дна и защемлен в нем. Верхние концы всех опор жестко связаны между собой платформой. Напряжения в опоре такой конструкции могут быть определены по формуле, учитывающей совместное действие сил сжатия и изгиба:

где σ - предел текучести материала труб основания, Па;
F - среднее значение суммы сил нагружения одной опоры основания технологически, силой тяжести буровых механизмов и оборудования, Н;
S - площадь поперечного сечения труб опоры, м²;
М - изгибающий момент от силы волнового давления, НМ;
W - момент сопротивления опоры, м³.

Допустимую высоту МБО можно вычислить по формуле (5) при известном изгибающем моменте М, который для трубчатых высотных сооружений, подверженных волновому давлению, определяется выражением:
M = 1740 Дh²(L - l - 0,8h), (6)
где 1740 - опытный коэффициент, Н/м³;
Д - наружный диаметр опоры, м;
h - высота морской волны, м;
L - высота опоры (основания), возвышающаяся над дном моря, м;
l - высота опоры, возвышающаяся над уровнем моря, м.

Решая совместно (5) и (6) относительно допустимой высоты опоры (основания), получаем:

Выполним вычисления для основания с опорами из стальных труб диаметром 0,325/0,305 м при следующих характеристиках и условиях работы: допустимое напряжение σ=500 МПа, высота морской волны h=3 м, возвышение опоры l=3 м.

Подставляя в (7) принятые значения, имеем, что без применения заявленного способа и устройства МБО повышение устойчивости и прочности МБО (F=3МН на одну опору) максимально допустимая высота его с тремя опорами из труб диаметром 0,325/0,305 м составляет 34 м. Применение предложенных способа и МБО исключает воздействие на опасные сечения сжимающих нагрузок. Подставляя в (7) F= 0, получим, что с применением заявленного способа и реализующего его МБО допустимая высота МБО из труб тех же диаметров возрастает до 79 м, т.е. более, чем в 2 раза.

Таким образом, за счет адекватного уравнивания сил сжатия и растяжения во всех секциях опор МБО повышается его устойчивость, увеличивается допустимая высота опор при снижении диаметров труб. Предложенный способ более экономичен, чем [1] , при этом повышается надежность МБО при упрощении его конструкции.

Источники информации
1. Воздвиженский Б.И., Конычев М.И., Борисович В.Т. Морское бурение геолого-разведочных скважин. - М.: ВИНИТИ. (Итоги науки и техники. "Техника геолого-разведочных работ"), 1969 г., с. 85 (прототип: с. 38, рис. 30).

2. Бессвайная установка платформы на морское дно. - М.: ВНИИОЭНГ (ЭИ "Бурение"), 1974, 4, с. 12-14 (аналог).

3. Современное состояние и перспективы развития технических средств для освоения минеральных ресурсов океана. - Л.: Судостроение, 1972. - с. 162 (аналог: с. 34, рис. 26б).

Изобретение относится к области бурения скважин на акваториях, а именно к стационарным опорным о дно акваторий основаниям, выполненным из одной или нескольких трубчатых опор и используемым для размещения на них платформы с буровым оборудованием. Обеспечивает повышение устойчивости и прочности основания при снижении диаметров труб опор и материальных затрат. Сущность изобретения: способ включает уменьшение напряжений сжатия в сечениях его трубчатых опор или их секций путем их растяжения. Растяжение трубчатых опор или их секций осуществляют силой избыточного давления воздуха или газа, закачанного в герметичные полости трубчатой опоры или ее секций. При этом давление воздуха или газа устанавливают в соответствии с аналитическим выражением. Морское буровое основание содержит несколько вертикальных трубчатых опор. Они опираются на башмаки и выполнены в виде соединенных герметичных секций труб и содержат смонтированную на опорах платформу. Каждая из секций труб снабжена верхней и нижней заглушками и образует герметичную полость секций (ГПС). ГПС опор заполнены материалом, обеспечивающим давление, которое увеличивается с увеличением глубины ГПС. Для заполнения ГПС опор использован воздух или другой газ, закачанный под давлением в ГПС трубчатой опоры. Давление воздуха или газа в ГПС установлено в соответствии с аналитическим выражением. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ повышения устойчивости и прочности морского бурового основания, включающий уменьшение напряжений сжатия в сечениях его трубчатых опор или их секций путем их растяжения, отличающийся тем, что растяжение трубчатых опор или их секций осуществляют силой избыточного давления воздуха или газа, закачанного в герметичные полости трубчатой опоры или ее секций, при этом давление воздуха или газа устанавливают в соответствии с выражением

где P_n - давление воздуха или газа в полости n-й секции от верхнего конца опоры, Па;
n= 1, 2, 3, . . . - номер секции в опоре от ее верхнего конца до расчетной секции;
F - среднее значение суммы сил нагружения одной опоры основания технологически, буровыми механизмами и оборудованием, Н;
q - средняя сила тяжести одной секции опоры в интервале от верхнего конца опоры до расчетной секции, Н;
σ_n - предел текучести материала n-й секции опоры, Па;
d_n - наибольшее расстояние между противоположными точками в горизонтальном сечении n-й секции опоры, м;
f_n - площадь сечения полости n-й секции трубчатой опоры, м²;
δ_n - толщина n-й секции трубчатой опоры, м. 2. Морское буровое основание, содержащее несколько вертикальных трубчатых опор, опирающихся на башмаки и выполненных в виде соединенных герметичных секций труб, и смонтированную на опорах платформу, причем каждая из секций труб снабжена верхней и нижней заглушками и образует герметичную полость секций (ГПС), а ГПС опор заполнены материалом, обеспечивающим давление, которое увеличивается с увеличением глубины ГПС, отличающееся тем, что для заполнения ГПС опор использован воздух или другой газ, закачанный под давлением в ГПС трубчатой опоры, причем давление Р_n воздуха или газа в ГПС в n-й секции установлено в соответствии с выражением

где P_n - давление воздуха или газа в полости n-й секции от верхнего конца опоры, Па;
n= 1, 2, 3, . . . - номер секции в опоре от ее верхнего конца до расчетной секции;
F - среднее значение суммы сил нагружения одной опоры основания технологически, буровыми механизмами и оборудованием, Н;
q - средняя сила тяжести одной секции опоры в интервале от верхнего конца опоры до расчетной секции, Н;
σ_n - предел текучести материала n-й секции опоры, Па;
d_n - наибольшее расстояние между противоположными точками в горизонтальном сечении n-й секции опоры, м;
f_n - площадь сечения полости n-й секции трубчатой опоры, м²;
δ_n - толщина n-й секции трубчатой опоры, м. 3. Морское буровое основание по п. 2, отличающееся тем, что секции опоры выполнены одинаковых поперечных сечений или разных поперечных сечений, увеличивающихся с увеличением глубины секции, т. е. с увеличением n.