МОРСКОЕ БУРОВОЕ ОДНОКОЛОННОЕ ТРУБЧАТОЕ ОСНОВАНИЕ СВАЙНОГО ТИПА Российский патент 2005 года по МПК E21B15/02 E02D13/04 

Изобретение относится к области бурения скважин на акваториях, а именно к трубчатым одноколонным основаниям свайного типа для бурения с них на море.

Известно буровое одноколонное основание, состоящее из обсадных труб, жестко соединенных между собой при помощи резьбы или фланцев, и забивного снаряда, погружающего ударами по колонне труб ее нижний конец в породы морского дна на глубину 6-8 и более метров [2].

Известное буровое одноколонное основание [2] недостаточно эффективно вследствие искажения свойств донных грунтов на интервале погружения в них нижнего конца моноопоры. При инженерных изысканиях свойства исследуемых донных грунтов признаются достоверными, если их образцы отобраны вдавливающим или вращательным (а не ударно-забивным) способами, укороченными рейсами до 0,5 м с последующим (а не опережающим) креплением этого интервала скважины обсадными трубами.

Однако бурение и отбор образцов грунта (керна) вдавливающим и вращательным способами с одноколонного основания до его стабилизации на дне моря затруднительны. При стабилизации известного основания [2] первоначально ударами погружают колонну в грунт на необходимую глубину, а затем отбирают из нее керн. Свойства отобранного при этом керна отличаются от естественных, так как нарушаются дважды: 1) при погружении колонны поступивший в нее грунт уплотнен и частично отжат в затрубное пространство из-за проявления свайного эффекта; 2) при последующем отборе грунта из колонны он дополнительно уплотняется керноприемниками, частично разжижается в находящейся в колонне воде и перемешивается с нижележащими грунтами, осаждаясь на забой скважины.

Известно морское буровое одноколонное основание (МБО) [1], содержащее жестко соединенные между собой верхнюю и нижнюю секции труб и принятое за прототип. Нижняя секция известного МБО состоит из двух концентрично смонтированных и жестко соединенных по концам внутренней и наружной труб. Надежность стабилизации известного МБО [1] при требуемой минимальной глубине погружения в грунт дна 4 м обеспечивается за счет увеличения наружного диаметра нижней секции труб [3, с.232-237].

Однако увеличение наружного диаметра нижней секции труб одноколонного основания в ряде случаев затрудняет погружение этой секции в грунт и требует применения для этих целей высокоэнергоемких и массивных погружных механизмов. Обусловлено это существенным увеличением главным образом лобовых сопротивлений погружению основания в грунт, пропорциональных изменению площади торца его нижней секции (перемычки между внутренней и наружными трубами).

Сущность предлагаемого изобретения заключается в создании такого одноколонного основания свайного типа, которое при требуемой минимальной глубине погружения в грунт дна 4 м обеспечивало бы надежность его стабилизации (предотвращало опрокидывание) и позволяло бы использовать для этого менее массивные и энергоемкие, чем у прототипа, погружные механизмы (вибромолоты, забивные снаряды и т.п.).

Основной технический результат изобретения - повышение эффективности стабилизации МБО за счет уменьшения лобовых сопротивлений грунта погружению в него нижней секции МБО и, как следствие, увеличения скорости и надежности погружения менее энергоемкими механизмами.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается следующим образом.

Морское буровое одноколонное трубчатое основание свайного типа включает нижнюю секцию в виде трубы, установленной с возможностью погружения на необходимую глубину в грунт морского дна, и жестко соединенную с ней верхнюю секцию труб.

Отличительными особенностями морского бурового одноколонного трубчатого основания свайного типа является то, что по длине наружной поверхности трубы его нижней секции установлены в ее диаметрально перпендикулярных плоскостях вертикальные пластины с шириной а, определяемой выражением

где σ - допускаемое напряжение в трубах, Па;

W - момент сопротивления опасного сечения основания, м³;

γ - средняя по глубине погружения основания удельная сила тяжести грунта, Н/м³;

τ - среднее по глубине погружения основания удельное сопротивление грунта сдвигу, Па;

l - длина погруженной в грунт части нижней секции основания, м;

D - наружный диаметр трубы нижней секции основания, м.

Обоснуем получение технического результата путем реализации признаков изобретения.

Условием исключения опрокидывания МБО (выворачивания грунта) является превышение или равенство момента сил М_г сопротивления в грунтовой заделке максимально допустимому изгибающему моменту М_и труб верхней секции основания. Величина М_и для МБО определяется исходя из характеристик его труб

Величина M_г является функцией конструктивной схемы и геометрических размеров погруженной в грунт части нижней секции МБО, а также свойств грунта. Модель работы грунтовой заделки морского бурового одноколонного трубчатого основания при его изгибе установлена экспериментально [3]. Согласно этой модели верхняя (первая от дна моря) треть погруженной в грунт части нижней секции трубчатого основания при его изгибе сминает и вдавливает грунт в целик, а нижележащие 2/3 части этой секции срезают и вдавливают (поднимают) грунт из целика. Выразив с учетом этих положений момент грунтовой заделки и приравняв его допустимому моменту изгиба труб основания, для МБО прототипа имеем

Для предлагаемого МБО при рациональной ориентации пластин относительно плоскости его изгиба (когда плоскости двух пластин перпендикулярны плоскости изгиба) выражение (3) может быть представлено в виде

Гарантировать отсутствие опрокидывания бурового одноколонного основания можно, если М_г ≥_{Ми. При соблюдении этого условия потеря несущей способности будет всегда связана не с опрокидыванием бурового основания, а с его разрушением. Приравнивая выражения (2) и (4) и решая полученное уравнение относительно параметра а, получаем выражение (1).}

Сущность предложенного МБО иллюстрируется чертежами: на фиг.1 показан общий вид основания с нижней секцией в разрезе; на фиг.2 - разрез нижней секции по А-А на фиг.1.

Морское буровое одноколонное трубчатое основание свайного типа включает башмак 1, соединенный при помощи резьбы с нижним концом трубы 2 нижней секции, четыре металлические пластины 3, жестко соединенные (например, при помощи сварки) с трубой 2 по ее длине и расположенные так, что все смежные пластины перпендикулярны друг другу, трубы 4 верхней секции основания и фланцы 5 для соединения труб верхней и нижней секции основания.

Проектируется предложенное МБО для наиболее тяжелых условий его нагружения в районе предстоящего бурения. Применительно к гидрологическим условиям работы, способам и технологическим режимам бурения в первую очередь расчетным путем по условиям прочности определяются необходимые значения максимально допустимого напряжения σ , диаметра D, толщины стенки и момента сопротивления W труб МБО. Затем по средним физико-механическим характеристикам грунта дна акватории в районе предстоящего бурения и заданной глубине l погружения нижней секции основания в грунт по выражению (1) вычисляется необходимая ширина а пластин 3, которые монтируются по высоте внешней поверхности трубы 2. Высота пластин должна быть не меньше глубины l погружения нижней секции основания в грунт дна.

Монтаж и стабилизацию МБО в грунте дна осуществляется следующим образом.

Грузоподъемными механизмами бурового плавоснования поочередно опускается в воду и наращивается до упора в дно нижняя секция и необходимое количество труб верхней секции. Затем при помощи вибратора или забивного снаряда погружается нижняя секция на необходимую глубину в грунт дна.

Использование предлагаемого МБО облегчает, по сравнению с прототипом [1], погружение на необходимую глубину в грунт нижней секции основания, так как она испытывает значительно меньшие сопротивления погружению. Тем самым повышается скорость стабилизации основания, а также надежность стабилизации, так как при меньших сопротивлениях внедрению увеличивается вероятность достижения проектной глубины погружения. Кроме этого, при меньших сопротивлениях внедрению имеется возможность использовать для погружения нижней секции основания в грунт менее энергоемкие и менее массивные погружающие механизмы. Это уменьшает капитальные и трудовые затраты на изготовление этих механизмов и на их обслуживание при монтаже, стабилизации и демонтаже МБО.

Для подтверждения технического результата сравним величину сопротивления внедрению на глубину 4 м в обводненные супеси или суглинки нижних секций МБО прототипа и предлагаемого МБО. В обоих вариантах используем трубы верхней секции диаметром D=0,324 м, толщиной стенки 0,01 м, максимально допустимым напряжением σ =55× 10⁷ МПа и моментом сопротивления W=75× 10^-5 м³. Для сравнительных расчетов примем следующие одинаковые усредненные характеристики донных грунтов [4]: γ =2× 10⁴ Н/м³; τ =2× 10³ Па; удельное сопротивление на боковой поверхности элементов нижней секции f=2,2× 10⁴ Па; удельное лобовое сопротивление под нижним концом нижней секции основания R=2,1× 10⁶ Па.

Опрокидывания МБО прототипа при погружении его нижней секции в указанные грунты на глубину 4 м не произойдет, если наружный диаметр труб нижней секции составит 1,432 м (вычислен по математическому выражению формулы изобретения [1]).

Опрокидывания предлагаемого МБО при погружении его нижней секции в те же грунты на глубину 4 м не произойдет, если в диаметрально перпендикулярных плоскостях с внешней поверхностью трубы диаметром 0,324 м нижней секции будут жестко соединенены четыре пластины высотой не менее 4 м и шириной а=0,554 м каждая. Значение этой ширины вычислено по математическому выражению (1) предлагаемого изобретения.

Сопротивление грунта дна погружению в него МБО складывается из сопротивлений грунта по внешней и внутренней боковым поверхностям нижней и лобовых секций. Сопротивление грунта по боковым поверхностям равно произведению удельного сопротивления по ним на суммарную их площадь. Лобовое сопротивление равно произведению удельного сопротивления грунта под нижним концом основания на максимальную площадь поперечного сечения нижней секции основания.

Площадь погруженной в грунт дна на глубину 4 м боковой внешней и внутренней поверхности МБО прототипа составляет 21,8 м², соответственно боковое сопротивление - 480 кН. Площадь поперечного сечения нижней секции основания прототипа составляет 1,54 м², соответственно лобовое сопротивление - 3234 кН. Суммарное сопротивление грунта дна погружению в него МБО прототипа составляет 3714 кН.

В аналогичных условиях площадь погруженной в грунт дна на 4 м боковой внешней и внутренней поверхностей предлагаемого МБО составляет 25,46 м² и соответственно боковое сопротивление - 560 кН. Площадь поперечного сечения нижней секции предлагаемого МБО при толщине пластин 0,01 м составляет 0,032 м² и соответственно лобовое сопротивление - 67 кН. Суммарное сопротивление грунта дна погружению в него предлагаемого МБО составляет 627 кН, что почти в 6 раз меньше, чем погружению МБО прототипа.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет обоснованно выбрать рациональные конструкцию и параметры нижней секции бурового одноколонного основания и его грунтовой заделки в дне акватории, повышающие скорость и надежность стабилизации основания при меньших капитальных и трудовых затратах на его монтаж, стабилизацию и демонтаж.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент на изобретение РФ №2194144, МКИ Е 21 В 15/02, Е 02 В 17/00, опубл.10.12.2002. Бюл.№34 (прототип).

2. Пронкин А.П., Хворостовский С.С. Прогнозирование направлений развития разведочного бурения на шельфе. - М.: OOO “Недра-Бизнесцентр”, 1999. - 300 с. (аналоги: с.180-181, 255-257).

3. Пронкин А.П., Хворостовский И.С., Хворостовский С.С. Морские буровые моноопорные основания. - М.: OOO “Недра-Бизнесцентр”, 2002. - 303 с. (с.216-223, 232-237).

4. Ребрик Б.М. Справочник по бурению инженерно-геологических скважин. - М.: Недра, 1983, 28 с. (с.142-144).

Используется при бурении скважин на акваториях. Морское буровое одноколонное трубчатое основание свайного типа включает нижнюю секцию в виде трубы, установленной с возможностью погружения на необходимую глубину в грунт морского дна, и жестко соединенную с ней верхнюю секцию труб. По длине наружной поверхности трубы его нижней секции установлены в ее диаметрально перпендикулярных плоскостях вертикальные пластины с шириной а, определяемой по расчетной формуле из условия равенства прочности труб основания и его грунтовой заделки. Повышается стабилизация морского бурового основания за счет уменьшения лобовых сопротивления грунта погружению нижней секции, увеличивается надежность и скорость погружения менее энергоемкими механизмами. 2 ил.

Морское буровое одноколонное трубчатое основание свайного типа, включающее нижнюю секцию в виде трубы, установленной с возможностью погружения на необходимую глубину в грунт морского дна, и жестко соединенную с ней верхнюю секцию труб, отличающееся тем, что по длине наружной поверхности трубы его нижней секции установлены в ее диаметрально перпендикулярных плоскостях вертикальные пластины с шириной а, определяемой выражением

где σ – допускаемое напряжение в трубах, Па;

W – момент сопротивления опасного сечения основания, м³;

γ – средняя по глубине погружения основания удельная сила тяжести грунта, Н/м³,

τ – среднее по глубине погружения основания удельное сопротивление грунта сдвигу, Па;

l – длина погруженной в грунт части нижней секции основания, м;

D – наружный диаметр трубы нижней секции основания, м.