МОРСКОЕ БУРОВОЕ ОДНОКОЛОННОЕ ОСНОВАНИЕ Российский патент 2002 года по МПК E21B15/02 E02B17/00 

Изобретение относится к области бурения скважин на акваториях с опорных о дно оснований, а именно к буровым основаниям, выполненным из одной колонны труб, нижний конец которой погружен в грунт дна на глубину, достаточную для предотвращения опрокидывания (заваливания) основания.

Известны конструкции [2,3] морских буровых одноколонных оснований (МБО), состоящие из соединенных между собой башмака и колонны обсадных труб равного по высоте поперечного сечения.

К конструктивным недостаткам известных МВО [2,3] можно отнести: а) опасность разрушения основания у дна акватории, так как в колонне равного по ее высоте поперечного сечения напряжения возрастают пропорционально удалению вниз от сечения, воспринимающего равнодействующую волнового давления, и б) необходимость погружения нижнего конца трубчатого основания, особенно малого диаметра, на сравнительно большую глубину в грунт, так как величина сил, предотвращающих опрокидывание, просадку, выдергивание и проворачивание основания, пропорциональна величине заглубления и диаметру его труб.

Поскольку напряжение в опасном сечении трубчатого опорного основания уменьшается пропорционально увеличению диаметра труб нижней секции по сравнению с верхней, то прочность и надежность работы МБО может быть повышена посредством увеличения диаметра нижних труб основания.

Так, известно МБО [1] , принятое за прототип, содержащее соединенные между собой секции труб и породоразрушающий башмак, жестко соединенный с нижним концом нижней секции. При этом расположенная над башмаком секция состоит из двух концентрично смонтированных и соединенных между собой труб, причем внутренний диаметр секции из концентрично смонтированных труб равен внутреннему диаметру труб вышележащей секции, а наружный диаметр секции из концентрично смонтированных труб больше наружного диаметра труб остальных секций. Секции могут быть соединены между собой муфтами (фланцами).

Однако в одноколонном МБО [1] не определены рациональные величины сечения и высоты секций основания и, следовательно, не определены рациональные параметры его грунтовой заделки (диаметр и высота труб, погружаемых в грунт). Поэтому известное МВО [1] не исключает необходимости погружения в грунт нижней секции основания на большую глубину, что нежелательно, поскольку иногда из-за близкого расположения от дна скальных пород погрузить МВО на сравнительно большую глубину (7 и более м) вообще не удается. Кроме того, грунт, поступивший в трубы основания, представляет интерес для геологии, поэтому после стабилизации МБО (погружения на достаточную глубину) грунт извлекается из труб керноприемником (пробоотборником). Однако после двойного механического воздействия на грунт (1-й раз при погружении в него труб основания, 2-й - при отборе грунта из труб) его плотность, структура и другие свойства могут быть отличны от фактических (т.е. не соответствовать природным характеристикам).

Таким образом, известное МБО [1] в ряде случаев не обеспечивает надежной стабилизации при заглублении на сравнительно малые глубины, а отбираемые образцы грунта из опоры основания могут дать искаженную информацию при бурении разведочных и инженерно-геологических скважин.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в создании такого МВО, которое позволило бы повысить надежность стабилизации его в донном грунте при уменьшении глубины погружения за счет использования основания с рациональным соотношением сечения и высоты его нижней секции, которое определяется совокупностью физических характеристик грунта и параметрами труб МБО.

Изобретение основано на использовании полуэмпирической зависимости между параметрами нижней секции МБО и характеристиками грунта дна акватории, которая получена из условия равенства прочности МБО и его грунтовой заделки (условия противодействия опрокидыванию МВО); равенства удерживающего момента грунтовой заделки максимально допустимому изгибающему моменту МБО. Адекватность полученной зависимости практически подтверждена при бурении скважин на акваториях с трубчатых опорных оснований.

Основной технический результат изобретения - повышение надежности стабилизации МБО и прочности его заделки в грунте морского дна при уменьшении погружения в грунт. При этом, в отличие от [1], исключаются искажения физических характеристик извлекаемых грунтов по глубине при проведении пробоотбора.

Технический результат достигается следующим образом.

МБО содержит соединенные между собой муфтами секции труб и породоразрушающий башмак, жестко соединенный с нижним концом нижней секции. При этом расположенная над башмаком секция состоит на двух концентрично смонтированных и соединенных между собой труб, причем внутренний диаметр секции из концентрично смонтированных труб равен внутреннему диаметру труб вышележащей секции, а наружный диаметр секции из концентрично смонтированных труб больше наружного диаметра остальных секций.

Отличительными особенностями МБО является то, что концентрично смонтированные трубы жестко соединены между собой, а наружный диаметр секции из концентрично смонтированных труб определяется из условия равенства прочности МБО и его грунтовой заделки

где D - наружный диаметр секции из концентрично смонтированных труб, м;
L - величина заглубления нижнего конца секции из концентрично смонтированных труб в грунт морского дна, м;
γ - удельный вес выдавливаемого грунта, Н/м³;
τ - удельное сопротивление грунта дна сдвигу, Па;
δ - предел текучести материала труб, Па;
W - момент сопротивления наиболее опасного сечения одноколонного основания, м³.

На чертеже изображен общий вид предлагаемого морского бурового одноколонного основания.

МБО включает башмак 1, жестко соединенный с нижним концом нижней секции 2, состоящей из двух концентрично смонтированных и жестко соединенных между собой труб; к верхнему концу секции 2 при помощи муфты 3 присоединена колонна, состоящая из секций 4 одинарных труб, соединенных между собой при помощи муфт (или фланцев).

Работа МБО заключается в следующем.

Конструкция секции 2 МБО выполняется по параметрам (высоте и диаметру), определяемым условием (1). До начала монтажа и стабилизации МБО по средним физико-механическим характеристикам грунта дна акватории в районе предстоящего бурения по заданной величине погружения нижнего конца МБО в грунт и по расчетным значениям прочности МБО в конкретных гидрогеологических условиях определяются необходимые значения диаметра, толщины стенки и предел текучести материала труб секций 4, а по выражению (1) вычисляется необходимый наружный диаметр труб секции 2, который уточняется исходя из близких значений диаметров серийно выпускаемых труб.

При этом высота секции 2 может быть больше заданного значения величины погружения в грунт нижнего конца основания. Выполнение секции 2 из концентрично смонтированных труб с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру вышележащих секций, обеспечивает эффективное извлечение на поверхность грунта, поступившего в трубы основания при его стабилизации, что обусловлено соответствием диаметров поступающего в трубы основания грунта и применяемого для его отбора керноприемника (пробоотборника). Соответствие наружного диаметра труб нижней секции 2 МБО условию (1) увеличивает моменты сил его сопротивления смятию, тяжести и среза по образующей выдавливаемого объема грунта, т.е. повышает прочность грунтовой заделки МВО.

МБО, включающее секции 4 с муфтами 3 и секцию 2 с закрепленным башмаком 1, погружается в грунт на необходимую глубину при помощи вибратора или ударного снаряда.

Использование предлагаемого МБО позволяет, по сравнению с аналогами [2,3] и прототипом [1] , повысить надежность его стабилизации в грунте морского дна при существенном уменьшении глубины погружения основания в грунт и повышении качества геологической информативности.

Сравним надежность грунтовой заделки МБО трех типов при погружении их нижних секций в обводненные илы или пески (удельное сопротивление сдвигу τ= 10³ Па, удельный вес выдавливаемого грунта γ=2•10⁴ Н/м³) на глубину 4 м от дна моря:
МБО [2, 3] равного по высоте поперечного сечения из одинарных труб диаметром 0,324 м;
верхние секции МБО [1] из одинарных труб того же диаметра 0,324 м и равного по высоте поперечного сечения, нижняя секция, телескопически соединенная с верхней, из труб диаметром 0,351 м (диаметр, достаточный по условиям конструирования);
верхние секции МБО из одинарных труб того же диаметра 0,324 м и равного по высоте поперечного сечения, наружный диаметр труб нижней секции необходимо определить.

Секции из труб диаметром D= 0,324 м во всех трех МБО характеризуются одинаковыми пределом текучести σ=55•10⁷ Па, толщиной стенки 0,01 м и моментом сопротивления W=8•10⁴ м³.

Из вычислений по формуле (1) следует, что грунтовая заделка глубиной 4 м в грунтах указанных свойств не исключает опрокидывания МБО, выполненных по типу аналога [2,3] или прототипа [1]. Для предотвращения опрокидывания МБО по типу аналога необходимо погрузить его нижний конец в грунт на глубину 6,4 м от дна моря. Для предотвращения опрокидывания МБО по типу прототипа его нижнюю секцию необходимо погрузить в грунт на глубину L=6,2 м от дна моря.

Опрокидывания МБО заявленного изобретения при погружении его нижней секции в те же грунты на глубину L=4 м не произойдет, если наружный диаметр труб нижней секции составит D=1,65 м, что в 4,7 раза больше диаметра 0,351 м (прототип). Величина необходимого диаметра D=1,65 м, гарантирующая надежность грунтовой заделки, вычислена по формуле [1], являющейся одним из отличительных признаков изобретения.

Кроме того, выполнение секции 2 из концентрично смонтированных труб с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру труб вышележащих секций, обеспечивает соответствие диаметров поступающего в моноопорное основание грунта и применяемого для его отбора породоотборника. Благодаря этому, в отличие от МБО с нижней секцией из одинарных труб увеличенного диаметра, уменьшаются искажения отбираемых из основания образцов грунта, повышается качество геологической информации и производительность бурения.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет обоснованно выбрать рациональные конструкцию и параметры нижней секции бурового одноколонного основания и его грунтовой заделки в дне акватории и тем самым обеспечить синергию технического результата: повышение надежности стабилизации МБО и прочности его заделки в грунте морского дна при уменьшении глубины погружения в грунт в совокупности с уменьшением искажений физических характеристик извлекаемых при пробоотборе грунтов.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Св-во на ПМ РФ 16377, МКИ Е 21 В 7/12, опубл. 27.12.2000; БИПМ, 2000, 36, с. 434-435 (прототип).

2. Св-во на ПМ РФ 10765, МКИ Е 21 В 7/12, Е 02 В 17/00, опубл. 16.08.99; ОБ, 1999, 8, с. 83-84 (аналог).

3. Пронкин А.П., Хворостовский С.С. Прогнозирование направлений развития разведочного бурения на шельфе. - М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 1999. - 300 с. (аналоги: с.179-181, 255-257).

Использование: конструктивное выполнение средств бурения скважин на акваториях из одной колонны труб, нижний конец которой погружен в грунт дна. Сущность: установленная над башмаком секция труб состоит из двух концентрично смонтированных и жестко соединенных между собой труб с рациональным соотношением сечения и высоты, которое определяется полуэмпирической зависимостью и отражает связь совокупности физических характеристик грунта и параметров труб морского бурового основания (МБО). Технический результат: повышение надежности стабилизации МБО и прочности его заделки в грунте морского дна при уменьшении глубины погружения в грунт, а также снижение искажений физических характеристик грунтов при пробоотборе. 1 ил.

Морское буровое одноколонное основание, содержащее соединенные между собой муфтами секции труб и породоразрушающий башмак, жестко соединенный с нижним концом нижней секции, при этом расположенная над башмаком секция состоит из двух концентрично смонтированных и соединенных между собой труб, причем внутренний диаметр секции из концентрично смонтированных труб равен внутреннему диаметру труб вышележащей секции, а наружный диаметр секции из концентрично смонтированных труб больше наружного диаметра труб остальных секций, отличающееся тем, что концентрично смонтированные трубы жестко соединены между собой, а наружный диаметр секции из концентрично смонтированных труб определяется из условия

где D - наружный диаметр секции из концентрично смонтированных труб;
L - величина заглубления нижнего конца секции из концентрично смонтированных труб в грунт морского дна;
γ - удельный вес выдавливаемого грунта;
τ - удельное сопротивление грунта дна сдвигу;
δ - предел текучести материала труб;
W - момент сопротивления наиболее опасного сечения одноколонного основания.