СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ОДНОКОЛОННОГО ОСНОВАНИЯ И БУРЕНИЯ С НЕГО НА МОРЕ Российский патент 2005 года по МПК E21B15/02 

Изобретение относится к области бурения скважин на морских акваториях, а именно к способам и устройствам для повышения устойчивости, прочности и эффективности стабилизации (приведение в устойчивое положение) опирающихся о морское дно одноколонных (моноопорных) оснований при бурении с них скважин, преимущественно для инженерно-геологических изысканий россыпных месторождений на твердые полезные ископаемые по ромбической разведочной сети.

Как известно [3], при разведке россыпных месторождений и проведении инженерно-геологических изысканий на суше бурение осуществляют в основном по ромбической разведочной сети с бурением скважин с площадок многоопорного свайного основания.

При бурении на море одной из основных задач является обеспечение устойчивости и прочности морского бурового опорного основания.

Известны способ и устройство [2] для повышения устойчивости и прочности морского бурового одноколонного опорного основания путем уменьшения величины напряжений в опасных сечениях его опор за счет увеличения их поперечных сечений по мере приближения к дну моря. В трубчатых конструкциях моноопор в направлении дна моря увеличивают диаметр труб, в форменных конструкциях - поперечные размеры ферм [2]. Способ и устройство [2] могут увеличить прочность основания, однако пропорционально увеличению диаметров (размеров) опор возрастают силы давления на них волн и течений, а также увеличиваются материальные и трудовые затраты на изготовление и установку таких опор.

Известны также устройства, обеспечивающие наложение дополнительных связей на поперечные сечения основания для их стабилизации, в основе конструкции которых лежат либо фиксирующие форменные элементы [5], либо реечные упоры [4], закрепленные на специальных пятах башмака основания, либо тросовые оттяжки [1].

Известен принятый за прототип способ [1] стабилизации морского бурового основания (цилиндрической колонны), заключающийся в уменьшении напряжений сжатия в сечениях его трубчатых опор путем растяжения опор тросовыми оттяжками, закрепленными на тяжелых якорях на дне моря. Способ [1] включает погружение нижней части опорного основания (ОО) на необходимую глубину в грунт морского дна и наложение на поперечные сечения ОО дополнительных связей (растяжек на якорях), препятствующих изгибу ОО, а также монтаж буровых механизмов на верхнем конце ОО, спуск в него бурового снаряда, бурение скважины и подъем бурового снаряда.

Известное устройство [1], принятое за прототип, включает ОО из соединенных элементов труб и наложенные на поперечные сечения ОО связи в виде растяжек на тяжелых якорях, препятствующих изгибу ОО. При этом нижний конец ОО погружен в грунт морского дна на необходимую по условию прочности грунтовой заделки глубину, а верхний конец ОО возвышается над уровнем моря на недосягаемую для волн высоту, и на нем установлена площадка с буровыми механизмами.

Однако в ряде случаев, например в условиях изменяющегося по силе и направлению морского волнения, наложение на поперечные сечения ОО связей в виде закрепленных на якорях тросовых оттяжек [1] не обеспечивает достаточной устойчивости и надежности работы ОО. Это обусловлено тем, что при натяжении тросовых оттяжек невозможно полностью выбрать их слабину, и при изменении силы и направления волнения, а также при недостаточной держащей силе якорей (из-за малой их массы и слабых донных грунтов) якоря ползут, величина провеса оттяжек увеличивается, и моноопора может колебаться. Кроме того, заякоривание моноопоры на дне моря, контроль сил натяжения оттяжек при бурении и демонтаж якорной системы [1] после окончания бурения являются трудоемкими и продолжительными процессами. При этом поскольку глубины многих скважин не превышают 100 м по породам (причем по мягким) и на их бурение требуется сравнительно непродолжительное время, то время на монтаж и демонтаж якорной системы [1] часто составляет значительную долю времени, затрачиваемого на проведение буровых работ.

Поэтому укрепление ОО в способе и устройстве [1] с целью повышения их устойчивости и прочности нередко оказывается недостаточно технически и экономически эффективным.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании такого способа и соответствующей конструкции ОО, которые при снижении напряжения в сечениях опоры ОО путем его растяжения (путем адекватного уравнивания сил сжатия и растяжения) позволили бы реализовать устойчивое, прочное и надежное ОО при упрощении и экономичности конструкции.

Основной технический результат предлагаемого способа и реализующего его устройства - повышение устойчивости и прочности ОО и увеличение допустимой высоты основания (увеличение глубины разведываемых бурением акваторий) за счет надежного уравнивания сил сжатия и растяжения опоры ОО. Кроме того, предлагаемая технология обеспечивает снижение диаметров труб опор ОО, упрощение их конструкции за счет снижения изгибающих ОО нагрузок, а также снижение материальных и трудовых затрат при монтаже, эксплуатации и демонтаже ОО.

Технический результат в способе стабилизации одноколонного основания (ОО) и бурения с него на море достигается следующим образом.

Способ включает погружение нижней части ОО на необходимую глубину в грунт морского дна и наложение на ОО связей, препятствующих его изгибу, монтаж буровых механизмов на верхнем конце ОО, спуск в него бурового снаряда, бурение скважины и подъем бурового снаряда.

Отличительной особенностью способа является то, что до бурения с ОО, являющегося основным ОО (ООО), дополнительно к ООО погружают в грунт два вспомогательных одноколонных основания (ВОО), связывая ООО и ВОО между собой жесткими связями в горизонтальной плоскости, образующими замкнутый треугольник, причем ООО и ВОО погружают в близлежащих точках заложения плановых скважин ромбической инженерно-разведочной сети россыпных месторождений.

Отличием способа также является то, что связь ООО и ВОО осуществляют образующими замкнутый треугольник в горизонтальной плоскости тремя жесткими оттяжками регулируемой длины с жестко смонтированными на концах каждой оттяжки хомутами, которые надевают на ООО и ВОО и фиксируют на них ниже площадки с буровыми механизмами.

При этом в конкретных случаях выполнения способа ООО и ВОО погружают в грунт на равных друг другу расстояниях, образуя равносторонний треугольник из оттяжек, зафиксированных на ООО и ВОО.

Кроме того, в частных случаях бурение скважин осуществляют последовательно с каждого из трех ОО, перемещая буровые механизмы с ООО на ВОО, или одновременно, смонтировав на каждом из ОО комплект буровых механизмов.

Технический результат устройства достигается его конструктивным выполнением.

Устройство для стабилизации ОО и бурения с него на море включает ОО из соединенных элементов труб, наложенные на поперечные сечения ОО и препятствующие его изгибу связи. При этом нижний конец ОО погружен в грунт морского дна на необходимую по условию прочности грунтовой заделки глубину, а верхний конец ОО возвышается над уровнем моря на недосягаемую для волн высоту, и на нем установлена площадка с буровыми механизмами.

Отличительной особенностью устройства является то, что ОО, являющееся основным ОО (ООО), дополнительно снабжено двумя погруженными в грунт вспомогательными одноколонными основаниями (ВОО), связанными с ООО в горизонтальной плоскости жесткими связями, выполненными в виде оттяжек регулируемой длины, образующих в плане замкнутый равносторонний треугольник, каждая оттяжка на концах снабжена жестко смонтированными хомутами, которые надеты на ООО и ВОО и зафиксированы на них ниже площадки с буровыми механизмами.

Сущность предложенных способа и устройства для стабилизации ОО и бурения с него на море иллюстрируется чертежами: на фиг.1 приведена общая конструктивная схема выполнения способа при бурении с ООО, связанного оттяжками с двумя ВОО; на фиг.2 показан вид устройства по сечению А-А фиг.1; на фиг.3 показан вариант выполнения оттяжки между ООО и ВОО.

Устройство для реализации способа стабилизации ОО и бурения с него на море (фиг.1, 2) включает основное (на фиг.1 - левое) и два вспомогательных ОО 1, соединенных между собой оттяжками 2 (фиг.3) регулируемой длины со смонтированными на их концах хомутами 3, снабженными плашками 4. На верхнем конце ООО 1 смонтирована площадка 5 с буровыми механизмами.

Способ и устройство стабилизации ОО и бурения с него на море реализуются путем установки ООО, двух вспомогательных ВОО 1 и связи их между собой тремя оттяжками 2 и иллюстрируются следующим примером выполнения.

В точках заложения трех плановых близлежащих скважин ромбической инженерно-разведочной сети при помощи буровых механизмов (лебедка, вышка, забивной снаряд или вибромеханизм) плавсредства (не показаны) опускают в воду до дна акватории ООО и ВОО 1 и по известным схемам ударного или вибрационного бурения погружают их нижние концы в грунт морского дна на глубину, необходимую по условию прочности грунтовой заделки (глубину, при которой основание не опрокинется прежде, чем произойдет потеря его несущей способности). Обычно эта глубина составляет 4-8 м в зависимости от прочности донных грунтов и диаметра труб ОО 1. Верхние концы ОО 1 после завершения погружения их нижних концов в грунт должны возвышаться над уровнем моря на 1,5-2,0 м, чтобы в процессе бурения морские волны не захлестывали установленные затем на ОО буровые механизмы. Затем верхние концы ООО и ВОО 1 соединяют друг с другом в горизонтальной плоскости жесткими оттяжками 2, фиксируя их жестко на ОО 1 при помощи хомутов 3. При этом оттяжки 2 образуют замкнутый треугольник, вершинами которого являются ОО 1.

При инженерно-разведочных изысканиях россыпных месторождений планируемые точки заложения скважин, как правило, размещают по ромбической сети с острыми углами ромба 60°, поэтому ООО и ВОО 1 погружают на равных друг от друга расстояниях, образуя равносторонний треугольник из оттяжек 2, зафиксированных на ООО и ВОО 1 (фиг.2). При такой установке достигается рациональная по прочности и устойчивости жесткость всей конструкции в целом. Значение момента инерции подобной конструкции не зависит от положения плоскости изгиба в отличие, например, от конструкции, образованной соединением трех колонн в форме призмы с ОО в виде прямоугольного треугольника.

Поскольку направления ветра и волн в процессе бурения могут неоднократно меняться, то предлагаемое устройство с сечением в плане в форме равностороннего треугольника в общем случае по прочности и устойчивости является оптимальным.

Соединение ОО 1 жесткими оттяжками 2 в предложенном устройстве осуществляется следующим образом. Хомуты 3 с внутренними вложенными плашками 4, смонтированные на концах оттяжки 2, надеваются на соединяемые пары ОО и фиксируются на них ниже площадки 5 с буровыми механизмами (но выше уровня моря). Зафиксированные на ОО 1 с помощью хомутов 3 оттяжки 2 образуют в плане равносторонний треугольник.

Площадка 5 с буровыми механизмами монтируется на верхнем конце ООО при помощи грузоподъемных механизмов плавсредства (не показаны). В частных случаях бурение скважин осуществляется последовательно с каждого из трех ОО при перемещении площадки 5 с буровыми механизмами с ООО на ВОО или (с целью экономии времени) одновременно при монтировании на каждом из ООО комплекта буровых механизмов.

Бурение скважин производится одним из известных способов (вращательный, вдавливающий, ударный). Устройство для стабилизации ОО и бурения с него на море демонтируют после завершения последовательного бурения всех плановых скважин ромбической сети.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство позволяют повысить устойчивость и прочность ОО, увеличивая тем самым допустимую высоту основания (глубину бурения от уровня моря). По сравнению с прототипом [1] предложенная конструкция более надежна, менее сложна и более экономична в отношении трудовых и временных затрат. Использование для стабилизации ООО и ВОО, с которых также осуществляется бурение, в три раза сокращает затраты труда и времени на бурение скважин.

Источники информации

1. Воздвиженский Б.И., Конычев М.И., Борисович В.Т. Морское бурение геологоразведочных скважин. - М.: ВИНИТИ (Итоги науки и техники. “Техника геологоразведочных работ”), 1969. - 85с. (прототип способа и устройства: с.38, рис.30).

2. Бессвайная установка платформы на морское дно. - М.: ВНИИОЭНГ (ЭИ “Бурение”), 1974, №4, с.12-14 (аналог способа и устройства).

3. Техника и технология ударно-канатного бурения при разведке россыпей / В.П.Кренделев, В.В.Махотин, В.М.Минаков, В.А.Орьев. - М.: Недра, 1979, с.233 (аналог способа).

4. А.с.СССР №1049616, МПК Е 02 В 17/02, Е 02 В 15/02, опубл. БИ, 1983, №39, с.127 (аналог устройства).

5. Пат. РФ №2134740, МПК Е 02 В 17/00, 17/04, Е 02 В 15/02, опубл. БИ, №23, 1999, с.238 -239, 20.08.99 (аналог устройства).

Изобретение используется в области бурения скважин на морских акваториях, преимущественно для инженерно-геологических изысканий россыпных месторождений по ромбической разведочной сети. В способе стабилизации одноколонного основания и бурения с него на море, включающем погружение нижней части одноколонного основания на необходимую глубину в грунт морского дна и наложение на одноколонное основание связей, препятствующих его изгибу, монтаж буровых механизмов на верхнем конце одноколонного основания, спуск в него бурового снаряда, бурение скважины и подъем бурового снаряда, до бурения с одноколонного основания, являющегося основным одноколонным основанием, дополнительно к основному одноколонному основанию погружают в грунт два вспомогательных одноколонных основания, связывают основное и вспомогательные одноколонные основания между собой жесткими связями в горизонтальной плоскости, образующими замкнутый треугольник. Основное и вспомогательные одноколонные основания погружают в близлежащих точках заложения плановых скважин ромбической инженерно-разведочной сети россыпных месторождений. Устройство для стабилизации одноколонного основания и бурения с него на море включает одноколонное основание из соединенных элементов труб, наложенные на поперечные сечения одноколонного основания и препятствующие его изгибу связи. Нижний конец одноколонного основания погружен в грунт морского дна на необходимую по условию прочности грунтовой заделки глубину, а его верхний конец возвышается над уровнем моря на недосягаемую для волн высоту, и на нем установлена площадка с буровыми механизмами. Одноколонное основание, являющееся основным, дополнительно снабжено двумя погруженными в грунт вспомогательными одноколонными основаниями, связанными с основным одноколонным основанием в горизонтальной плоскости жесткими связями, выполненными в виде оттяжек регулируемой длины, образующих в плане замкнутый равносторонний треугольник. Каждая оттяжка на концах снабжена жестко смонтированными хомутами, которые надеты на основное и вспомогательные одноколонные основания и зафиксированы на них ниже площадки с буровыми механизмами. Повышается устойчивость и прочность одноколонного основания, увеличивается допустимая высота основания. Повышается надежность способа и устройства. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ стабилизации одноколонного основания и бурения с него на море, включающий погружение нижней части одноколонного основания на необходимую глубину в грунт морского дна и наложение на одноколонное основание связей, препятствующих его изгибу, монтаж буровых механизмов на верхнем конце одноколонного основания, спуск в него бурового снаряда, бурение скважины и подъем бурового снаряда, отличающийся тем, что до бурения с одноколонного основания, являющегося основным одноколонным основанием, дополнительно к основному одноколонному основанию погружают в грунт два вспомогательных одноколонных основания, связывают основное и вспомогательные одноколонные основания между собой жесткими связями в горизонтальной плоскости, образующими замкнутый треугольник, причем основное и вспомогательные одноколонные основания погружают в близлежащих точках заложения плановых скважин ромбической инженерно-разведочной сети россыпных месторождений.2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что связь основного и вспомогательных одноколонных оснований осуществляют образующими замкнутый треугольник в горизонтальной плоскости тремя жесткими оттяжками регулируемой длины с жестко смонтированными на концах каждой оттяжки хомутами, которые надевают на основное и вспомогательные одноколонные основания и фиксируют на них ниже площадки с буровыми механизмами.3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что основное и вспомогательные одноколонные основания погружают в грунт на равных друг от друга расстояниях, образуя равносторонний треугольник из оттяжек, зафиксированных на основном и вспомогательных одноколонных основаниях.4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что бурение скважин осуществляют последовательно с каждого из трех одноколонных оснований, перемещая буровые механизмы с основного на вспомогательные одноколонные основания, или одновременно, смонтировав на каждом из одноколонных оснований комплект буровых механизмов.5. Устройство для стабилизации одноколонного основания и бурения с него на море, включающее одноколонное основание из соединенных элементов труб, наложенные на поперечные сечения одноколонного основания и препятствующие его изгибу связи, при этом нижний конец одноколонного основания погружен в грунт морского дна на необходимую по условию прочности грунтовой заделки глубину, а его верхний конец возвышается над уровнем моря на недосягаемую для волн высоту и на нем установлена площадка с буровыми механизмами, отличающееся тем, что одноколонное основание, являющееся основным, дополнительно снабжено двумя погруженными в грунт вспомогательными одноколонными основаниями, связанными с основным одноколонным основанием в горизонтальной плоскости жесткими связями, выполненными в виде оттяжек регулируемой длины, образующих в плане замкнутый равносторонний треугольник, каждая оттяжка на концах снабжена жестко смонтированными хомутами, которые надеты на основное и вспомогательные одноколонные основания и зафиксированы на них ниже площадки с буровыми механизмами.