СПОСОБ МОНТАЖА И СТАБИЛИЗАЦИИ БУРОВОГО МОНООПОРНОГО ОСНОВАНИЯ НА ДНЕ МОРЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 2006 года по МПК E21B15/02 

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

Известны способы и устройства [3] монтажа и стабилизации морского бурового моноопорного (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 вибромеханизмами или ударами по ее верхнему торцу забивным снарядом.

Такие традиционные способы и устройства недостаточно эффективны вследствие потерь энергии и низкого КПД ударов. Трудоемкость и стоимость таких работ весьма высоки, надежность же работы морских оснований недостаточна.

Известен способ [2] монтажа морского бурового одноколонного основания, который 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 породу ударами по торцу придонной муфты колонны специальным забивным снарядом, скользящим по наружной поверхности колонны.

Соответствующее устройство [2] 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.

Однако известные способ и устройство [2] в ряде случаев не обеспечивают достаточной эффективности и экономичности, имеют значительные потери энергии (малый КПД ударов), что снижает скорость монтажа и стабилизации основания и надежность работы. Изготовление специального сложного забивного снаряда повышает трудоемкость и стоимость работ. Кроме того, при реализации способа и устройства [2], как правило, имеют место искажения свойств грунтов, что снижает достоверность результатов инженерно-геологических изысканий в скважинах впоследствии при бурении.

Известные способ и устройство [1] для монтажа и стабилизации морского бурового одноколонного основания, принятые за прототип, позволяют по сравнению с другими аналогами повысить эффективность погружения колонны в породу путем снижения потерь энергии (увеличение КПД ударов), повысить скорость монтажа и стабилизации основания при упрощении оборудования.

Способ [1] включает поочередный спуск и наращивание труб колонны основания, погружение нижней части колонны в породы морского дна на глубину, исключающую заваливание колонны, и укрепление на ее верхнем конце платформы с буровыми механизмами, причем колонну монтируют из верхней и нижней секций, а погружение колонны на необходимую глубину в породы осуществляют посредством ударов установленного на нижнем конце верхней секции кольцевого ударника по кольцевой наковальне. При этом, если кольцевой ударник установлен на конце верхней секции, то кольцевая наковальня смонтирована на нижнем конце нижней секции.

Устройство [1] для осуществления способа [1] содержит 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. При этом колонна труб включает верхнюю и нижнюю секцию, снабженные соответственно ударником и наковальней, выполненными кольцевыми.

Известный способ и устройство [1], как и другие аналоги, недостаточно эффективны вследствие искажения физико-механических свойств донных грунтов на интервале погружения в них нижнего конца трубчатой опоры. При инженерных изысканиях на суше свойства исследуемых грунтов признаются достоверными, если их образцы отобраны вдавливающим или вращающим 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 или вращающим способами с моноопорного основания до его стабилизации на дне моря невозможны. При стабилизации моноопорного основания известными способом и устройством [1] сначала ударами погружают моноопору в грунт на необходимую глубину, а затем отбирают из нее керн.

Таким образом, свойства отобранного при реализации способа [1] керна могут существенно отличаться от естественных, так как нарушаются дважды: во-первых, при погружении моноопоры поступивший в нее грунт уплотнен и частично отжат в затрубное пространство из-за проявления свайного эффекта; во-вторых, при последующем отборе керна из моноопоры керноприемниками грунт дополнительно уплотняется, частично разжижается в находящейся в моноопоре воде и перемешивается со слоями нижележащих грунтов, осажаясь на забой скважины.

Для исключения нарушения физических характеристик грунтов до их последующего отбора из скважины или исследования непосредственно в ней необходимо создать такой способ монтажа и стабилизации бурового моноопорного основания, который позволил бы реализовать погружение колонны посредством воздействия кольцевого ударника, установленного на нижнем конце верхней секции, который снабжен смонтированными на нем трубчатыми сваями на заданном удалении от оси скважины, как это предложено, например, в устройстве [4]. Однако в силу своей специфики, а также вследствие использования кольцевых ударника и наковальни установка [4] не может быть эффективно применена для большинства буровых плавсредств с «П»-образными проемами (катамаранов), особенно при незначительной ширине проемов (от 0,8 до 1,0 м), и требует дополнительных плавсредств и специальных грузоподъемных механизмов (например, наклоняемой буровой вышки с выносом кронблока за пределы катамарана).

Сущность предлагаемого изобретения заключается в создании таких способа и устройства монтажа и стабилизации бурового моноопорного основания свайного типа, которые позволяли бы опускать верхнюю и нижнюю секции бурового моноопорного основания и забивной снаряд непосредственно через буровой «П»-образный проем катамарана наиболее распространенной ширины (0,8-1,0 м), а также позволяли бы стабилизировать основание на морском дне без нарушения физических характеристик грунтов до их последующего отбора из скважины или исследования непосредственно в ней.

Основной технический результат изобретения - повышение эффективности бурения скважин на море за счет облегчения, ускорения и удешевления монтажа и демонтажа бурового моноопорного основания с плавсредства с обычно малой шириной бурового «П»-образного проема при увеличении КПД передачи энергии удара от забивного снаряда сваям нижней секции основания и при одновременном сохранении требуемой качественной геологической информации из скважины и надежной стабилизации основания на дне моря посредством реализации прямоугольной формы нижней секции и забивного снаряда. При этом синергия новой технологии и реализующего ее устройства, обеспечивая совокупный эффект двух технических объектов, позволяет использовать для бурения разведочных и инженерно-геологических скважин мобильные и дешевые плавсредства.

Технический результат в способе монтажа и стабилизации достигается следующим образом.

Способ монтажа и стабилизации бурового моноопорного основания на дне моря включает поочередный спуск и наращивание с плавсредства элементов нижней и верхней секций основания и забивного снаряда, погружение нижней секции основания ударами по ней забивным снарядом в породы морского дна на глубину, исключающую заваливание моноопорного основания.

Отличительными особенностями способа является то, что нижнюю секцию и забивной снаряд выполняют в форме прямоугольников и в каждом из четырех углов нижней секции монтируют трубчатые сваи одинаковой длины, причем длины коротких сторон нижней секции и забивного снаряда выбирают меньше ширины проема бурового плавсредства, а длины их длинных сторон определяют по выражению:

где а и b - длины длинной и короткой сторон нижней секции и забивного снаряда;

с - требуемое удаление сваи от оси запроектированной скважины;

d - наружный диаметр сваи,

при этом основную массу забивного снаряда концентрируют у его двух противоположных коротких сторон, образуя две ударяющие площадки, а нижнюю секцию основания погружают в грунт ударами этих площадок по двум ударяемым площадкам, сформированным у противоположных коротких сторон нижней секции непосредственно над трубчатыми сваями.

Технический результат устройства достигается следующим образом.

Устройство для монтажа и стабилизации бурового моноопорного основания на дне моря содержит колонну соединенных между собой труб, забивной снаряд, механизм для погружения части колонны в породы, плавсредство с грузоподъемным средством. При этом колонна включает верхнюю и нижнюю секции, снабженные соответственно ударником и наковальней ь.

Отличительной особенностью является то, что наковальня и забивной снаряд выполнены с прямоугольным сечением, в каждом из четырех углов нижней секции смонтированы трубчатые сваи одинаковой длины, причем длины коротких сторон нижней секции и забивного снаряда выбраны меньше ширины проема бурового плавсредства, а длины длинных сторон определяются выражением (1). При этом основная масса забивного снаряда сконцентрирована у его двух противоположных коротких сторон, образуя две ударяющие площадки, а наковальня нижней секции основания выполнена в виде двух ударяемых площадок, сформированных у противоположных коротких сторон нижней секции непосредственно над трубчатыми сваями.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема варианта выполнения монтировки бурового моноопорного основания в начале его стабилизации (погружения в грунт морского дна), на фиг.2 приведен вид основания по сечению А-А, на фиг.3 - вид основания по сечению Б-Б.

Буровое моноопорное основание и устройство для его стабилизации на дне моря включает: нижнюю секцию, содержащую сваи 1 и жестко соединяющую их верхние концы прямоугольную наковальню 2 с центральным сквозным цилиндрическим отверстием; трубчатый центратор 3, соединенный при помощи фланца 4 с прямоугольной наковальней 2; верхнюю секцию 5 труб, соединенных между собой и с трубчатым центратором 3 при помощи фланцев 6; прямоугольный забивной снаряд 7 со сквозным центральным отверстием квадратного сечения и с жестко смонтированными на забивном снаряде проушинами 8 для его соединения с тросом; узел подвески забивного снаряда 7, включающий тросовую петлю 9, уравновешивающую дугу 10, дополнительные соединительные элементы 11, вертлюжную скобу 12 и трос 13 лебедки (на фиг. не показано). По всей длине внешней поверхности трубчатого центратора 3 установлены направляющие 14 для обеспечения направленного соударения прямоугольного забивного снаряда 7 и прямоугольной наковальни 2 площадками, передающими максимум энергии удара сваям 1.

Монтаж и стабилизацию бурового моноопорного основания предложенными способами и устройством осуществляют следующим образом.

Для бурового плавсредства с заданной шириной «П»-образного проема устанавливают допустимую длину короткой стороны прямоугольных элементов устройства для стабилизации бурового моноопорного основания. Длина короткой стороны должна быть меньше ширины проема минимум на 0,01 м. Из оценки плотности донных грунтов и гидрологических условий в районе предстоящего бурения ориентировочно устанавливают необходимую длину (обычно 4-6 м) и диаметр (0,146-0,168 м) свай нижней секции основания: чем плотнее грунты и чем слабее волнения и течения, тем меньше параметры свай.

В соответствии с выражением (1) вычисляют минимально допустимую длину нижней секции и забивного снаряда устройства для стабилизации бурового моноопорного основания. Математическое выражение (1) получено из решения прямоугольного треугольника с учетом следующих исходных условий: 1) длина короткой стороны b нижней секции и забиваемого снаряда (меньший катет треугольника) меньше ширины проема бурового плавсредства и равна сумме двух диаметров d сваи и расстояния между образующими двух свай короткой стороны; 2) длина длинной стороны а нижней секции и забивного снаряда (больший катет треугольника) равна сумме двух диаметров d сваи и расстояния между образующими двух свай длинной стороны; 3) гипотенуза треугольника, являющаяся диагональю прямоугольных поперечных сечений нижней секции и забивного снаряда, равна удвоенной сумме диаметра d сваи и требуемого удаления с (не менее 1 м) сваи от оси запроектированной скважины.

Все элементы бурового моноопорного основания и устройства для его стабилизации в грунте морского дна располагают на палубе бурового плавсредства (на фиг. не показано). С прямоугольной наковальней 2 жестко соединяют четыре трубчатые сваи 1, собранную нижнюю секцию основания опускают в «П»-образный проем плавсредства и подвешивают, например, на двух патрубках. На прямоугольную наковальню 2 нижней секции устанавливают трубчатый центратор 3 с жестко соединенными с его наружной поверхностью направляющими 14 и при помощи фланца 4 болтами центратор жестко соединяют с нижней секцией основания. При помощи буровой вышки и лебедки плавсредства на трубчатый центратор 3 одевают и сажают на прямоугольную наковальню 2 прямоугольный забивной снаряд 7, причем сажают так, чтобы короткие стороны прямоугольного забивного снаряда 7 (ударяющие площадки) совпадали с короткими сторонами прямоугольной наковальни 2 (ударяемыми площадками). К проушинам 8 забивного снаряда 7 подсоединяют тросовую петлю 9, пропущенную через уравновешивающую дугу 10, и уравновешивающую дугу 10 фиксируют на палубе плавсредства. Длину тросовой петли 9 подбирают в соответствии с глубиной моря в точке бурения скважины добавлением необходимой длины дополнительных соединительных элементов 11. Далее на тросе 13 с вертлюжной скобой 12 вывешивают трубы 5 верхней секции, поочередно соединяют их между собой при помощи фланцев 6 и опускают буровое моноопорное основание, наращивая верхнюю секцию трубами 5, до упора свай 1 основания в дно моря, подсоединяют вертлюжную скобу 12 на тросе 13 к уравновешивающей дуге 10 и погружают сваи в грунт, расхаживая забивной снаряд вверх и вниз и нанося им удары по прямоугольной наковальне 2.

После погружения свай 1 на необходимую глубину в грунт на верхний конец верхней секции бурового моноопорного основания монтируют буровые механизмы и осуществляют бурение.

По завершении бурения скважины буровое моноопорное основание демонтируют в следующей последовательности. При помощи лебедки и вышки плавсредства с моноопорного основания снимают буровые механизмы. Затем буровое моноопорное основание извлекают из грунта и далее, по мере подъема, разъединяют все трубы 5 верхней секции и укладывают их на палубе плавсредства. Для ускорения монтажа и стабилизации бурового моноопорного основания на следующей точке бурения нижнюю секцию с соединенными с ней сваями 1 и трубчатым центратором 3 и установленным на ее прямоугольной наковальне 2 забивным снарядом 7 оставляют в буровом проеме плавсредства подвешенными на патрубках и тросе лебедки.

Выполнение нижней секции бурового моноопорного основания и забивного снаряда в форме прямоугольников с длинами их сторон, определяемыми по рекомендуемому математическому выражению исходя из ширины проема бурового плавсредства, позволяет монтировать и демонтировать все моноопорное основание, включая его нижнюю секцию и забивной снаряд, непосредственно через «П»-образный проем небольшой ширины (0,8-1,0 м) без применения дополнительных плавсредств и грузоподъемных механизмов. Это облегчает, ускоряет и удешевляет монтаж, стабилизацию на дне и демонтаж моноопорного основания и позволяет эффективно использовать для бурения разведочных и инженерно-геологических скважин на море легкие, мобильные и дешевые плавсредства.

Монтаж трубчатых свай основания в четырех углах его нижней секции, т.е. на расстояниях не менее 1 м от оси скважины, обеспечивает получение качественной геологической информации из скважины и надежной стабилизации основания на дне моря.

Концентрация массы забивного снаряда над его ударяющими площадками и направленное нанесение ударов ими по ударяемым площадкам наковальни непосредственно над погружаемыми в грунт сваями повышает надежность и долговечность работы нижней секции, а также КПД передачи энергии удара сваям и скорость их погружения в грунт при меньшей высоте расхаживания забивного снаряда.

Таким образом, заявленные способ монтажа и стабилизации бурового моноопорного основания и устройство для осуществления способа повышают эффективность бурения скважин на водных акваториях за счет уменьшения капитальных затрат на буровые плавсредства и грузоподъемные механизмы, времени и труда на монтаж, стабилизацию и демонтаж основания при одновременном обеспечении требуемой качественной геологической информации из скважины и надежной стабилизации основания на дне моря.

Источники информации

1. RU 2171349 C1, 27.07.2001 (прототип).

2. GB 1397470 A, 11.06.1975 (аналог).

3. Пронкин А.П., Хворостовский И.С., Хворостовский С.С. Морские буровые моноопорные основания / Под ред. С.С.Хворостовского. - М.: ООО «Недра-Бизнес-центр», 2002. - 303 с. (аналоги: с.231-235, 243 -247).

4. RU 34197 U1, 27.11.2003.

Использование: бурение скважин на морских акваториях. Сущность: создание способа и устройства для монтажа и стабилизации трубчатого моноопорно основания, которые позволяют опускать верхнюю и нижнюю секции основания и забивной снаряд через буровой «П»-образный проем катамарана, при этом наковальня и забивной снаряд выполнены прямоугольными с заданным соотношением сторон, а основная масса забивного снаряда сконцентрирована у его коротких сторон. Технический результат: повышение эффективности бурения с плавсредства с малой (0,8-1,0 м) шириной бурового проема при увеличении КПД передачи энергии удара от забивного снаряда сваям нижней секции основания и при сохранении физических характеристик грунтов в скважине до их последующего отбора. 2 н.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ монтажа и стабилизации бурового моноопорного основания на дне моря, включающий поочередный спуск и наращивание с плавсредства элементов нижней и верхней секций основания и забивного снаряда, погружение нижней секции основания ударами по ней забивным снарядом в породы морского дна на глубину, исключающую заваливание моноопорного основания, отличающийся тем, что нижнюю секцию и забивной снаряд выполняют в форме прямоугольников и в каждом из четырех углов нижней секции монтируют трубчатые сваи одинаковой длины, причем длины коротких сторон нижней секции и забивного снаряда выбирают меньше ширины проема бурового плавсредства, а длины их длинных сторон определяют по выражению

где а и b - длины длинной и короткой сторон нижней секции и забивного снаряда;

с - требуемое удаление сваи от оси запроектированной скважины;

d - наружный диаметр сваи,

при этом основную массу забивного снаряда концентрируют у его двух противоположных коротких сторон, образуя две ударяющие площадки, а нижнюю секцию основания погружают в грунт ударами этих площадок по двум ударяемым площадкам, сформированным у противоположных коротких сторон нижней секции непосредственно над трубчатыми сваями.

где а и b - длины длинной и короткой сторон нижней секции и забивного снаряда;

с - требуемое удаление сваи от оси запроектированной скважины;

d - наружный диаметр сваи,

при этом основная масса забивного снаряда сконцентрирована у его двух противоположных коротких сторон, образуя две ударяющие площадки, а наковальня нижней секции основания выполнена в виде двух ударяемых площадок, сформированных у противоположных коротких сторон нижней секции непосредственно над трубчатыми сваями.