RU2362869C1 - Способ стабилизации морского бурового одноколонного основания и устройство для осуществления способа - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к способу и устройству стабилизации одноколонных оснований, применяемых для бурения с них скважин на море. Техническим результатом является повышение надежности стабилизации основания путем присоединения опорных крыльев к нижней ступени основания. Крылья выполняют в форме прямоугольных пустотелых коробов, соединяют с нижней ступенью шарнирно, с боковыми стенками крыльев жестко соединяют щеки, выступающие ниже днища крыла, на конце днища монтируют упор. Геометрические параметры опорных крыльев определяют из условий их положительной плавучести и недопустимости вдавливания (просадки) одноколонного основания в грунт в процессе бурения. Способ и устройство исключают просадку и заваливание основания при уменьшении глубины погружения его в грунт до 4 м, позволяют автоматически переводить крылья из положения отвесного в горизонтальное (рабочее) и стабилизировать основание с легких плавсредств без дополнительных грузоподъемных механизмов, затрат труда и времени. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к области горного дела, а именно к способам и устройствам для монтажа и стабилизации на море трубчатых одноколонных (моноопорных) оснований для бурения с них сравнительно неглубоких скважин с отбором качественного керна, преимущественно разведочных на твердые полезные ископаемые, инженерно-геологических и т.п.

Известны способ монтажа и стабилизации морского бурового одноколонного основания (МБО) и устройство для его осуществления [2], характеризующиеся тем, что МБО монтируют из верхней и нижней секций труб разных диаметров с возможностью ограниченного поступательного перемещения верхней секции в нижней. Стабилизируют МБО ударами верхней секции по нижней, погружая ее на 6-8 м и более в грунт дна (аналог).

Способ и устройство [2] не удовлетворяют требованиям к отбору керна в интервале погружения нижней секции МБО в грунт. Физико-механические характеристики грунтов при погружении в них нижней секции МБО ударами существенно нарушаются, что при бурении с целью, например, инженерно-геологических изысканий недопустимо. Погружать в грунт нижнюю секцию ударами допустимо до глубины 4 м от дна моря, так как до этой глубины еще до стабилизации МБО возможен отбор качественных проб обводненных грунтов однорейсовыми пробоотборниками вдавливаемого, обуривающего или клюющего типов. Способ и устройство [2] не обеспечивают надежной стабилизации МБО при заглублении его нижней секции в грунт дна на глубины до 4 м, особенно на участках с сильно обводненными грунтами.

Известен способ монтажа и демонтажа морского бурового моноопорного основания (МБО) [3], включающий спуск до упора в дно моря понтона с укрепленной на нем колонной труб. Для повышения надежности стабилизации МБО понтон на время бурения скважины заполняют водой, а после бурения освобождают от воды и поднимают на поверхность (аналог).

Известный способ [3] в ряде случаев не обеспечивает вертикальности МБО при постановке понтона на дно из-за неровности дна. Вертикальность МБО нарушается иногда в процессе бурения, так как понтон при передаче на него различного рода вибрационных и динамических нагрузок накреняется из-за разной прочности грунтов под сторонами понтона. Это приводит к прекращению бурения, потере скважины, труда, времени и средств.

Известно морское буровое одноколонное основание (МБО) с нижней секцией (ступенью) из двух труб разных диаметров, которые смонтированы концентрично, и их нижние концы соединены между собой герметичной перемычкой [1] (прототип). Нижнюю ступень этого МБО для уменьшения интервала грунтов с нарушенными свойствами погружают в грунт на глубину не больше 4 м от дна. Необходимую прочность грунтовой заделки МБО [1] при этом обеспечивают за счет увеличения наружного диаметра нижней ступени, который при любой заданной глубине ее погружения в грунт определяют по математическому выражению, полученному из условия равенства прочности труб МБО и его грунтовой заделки на опрокидывание.

Вычисления по математическому выражению прототипа и практика бурения показывают, что МБО в обводненных грунтах действительно не опрокинется, если погрузить в них на глубину 4 м его нижнюю ступень из труб диаметром 1,65 м. Однако после стабилизации в обводненных грунтах при бурении скважины МБО зачастую проседает (опускается вниз) несмотря на большую площадь нижнего торца его нижней ступени (перемычки между внутренней и наружной трубами). Обусловлено это следующим.

Скважина в каждом рейсе бурения в обводненных породах после подъема из нее керноприемника заплывает породами, так как ее стенки не закреплены обсадными трубами. Обсадку скважины трубами осуществляют обычно после отбора керна со всего интервала обводненных пород, длина которого зачастую больше 20 м, т.е. после множества рейсов. Каждый рейс бурения начинают с перебуривания заплывшего интервала скважины и интенсивного вымывания водой пород, поступающих в керноприемник. Крепление трубами интервала скважины, пробуренного и заполненного обводненными породами, осуществляют путем расхаживания колонны труб одновременно с промывкой ее водой. Вода, нагнетаемая в скважину для перебурки ее заплывших интервалов и крепления стенок скважины колонной труб с промывкой, вымывает породы из под нижней ступени МБО, и часть пород обрушается из-за ее боковых стенок. Это уменьшает силы лобового сопротивления и трения по боковой поверхности нижней ступени основания с породами. В результате МБО под действием силы тяжести находящихся на нем механизмов и сил вибрационно-динамического характера, возникающих при бурении и расхаживании колонны труб (далее - при бурении), проседает.

В то же время в ряде случаев стабилизации нижняя ступень МБО [1] упирается в плотные грунты на глубинах меньше 2,5 м от дна. Необходимая устойчивость МБО при этом не достигнута, дальнейшее же погружение нижней ступени в грунт без применения высокоэнергоемких погружающих механизмов затруднено. Обусловлено это большой площадью перемычки между внутренней и наружной трубами нижней ступени и, соответственно, большим лобовым сопротивлением погружению нижней ступени в грунт.

Кроме того, бурение скважин разведочных, инженерно-геологических, картировочных и близких к ним по параметрам осуществляют с плавсредств преимущественно катамаранного типа с «П»-образным буровым проемом для спуска и подъема через него различного назначения снарядов и труб, в том числе МБО. Ширина бурового проема этих плавсредств составляет обычно 0,7-1,0 м [4, с.78; 5, с.5 и 10; 6, с.255; 8, с.58; 9, с.21]. Осуществлять монтаж, стабилизацию и демонтаж МБО с плавсредства с шириной бурового проема, меньшей диаметра нижней ступени МБО, трудно и неэффективно.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в создании способа и устройства для стабилизации морского бурового основания, которые бы исключали его проседание в обводненных грунтах при погружении в них нижней ступени основания на глубину не более 4 м и позволяли эффективно монтировать и демонтировать МБО, в том числе с широко применяемых для бурения плавсредств с шириной их «П»-образного бурового проема до 1 м. Способ и устройство для стабилизации МБО основаны на определении рациональных параметров устройства по математическим зависимостям, которые получены из условия, что вызывающие проседание МБО силы всегда меньше сил сопротивления грунтовой заделки проседанию.

Основной технический результат изобретения: повышение надежности стабилизации МБО с длиной его нижней ступени 4 м при бурении скважин и креплении их стенок трубами на любых рациональных режимах; сокращение количества высокоэнергоемких, массивных грузоподъемных и погружающих механизмов, затрат труда и времени для стабилизации МБО с плавсредств, в том числе с легких с «П»-образным буровым проемом шириной до 1 м.

Технический результат в предлагаемом способе стабилизации МБО достигается следующим образом.

Предлагаемый способ стабилизации морского бурового одноколонного основания включает изготовление его нижней ступени длиной 4 м из труб большего и верхней ступени из труб меньшего диаметров, спуск нижней ступени в море с борта или через буровой проем плавсредства, жесткое соединение верхней ступени с нижней, монтаж на них забивного снаряда, наращивание труб верхней ступени и спуск МБО до дна моря, погружение нижней ступени в грунт морского дна ударами по ней забивным снарядом.

Отличительными особенностями предлагаемого способа стабилизации МБО является то, что на одинаковом расстоянии друг от друга по периметру наружной поверхности верхнего конца нижней ступени МБО монтируют опорные крылья в количестве n+1 (n=1, 2, …), в начале спуска нижней ступени в море опорные крылья устанавливают в положение, отвесное в направлении продольной оси нижней ступени, а по мере погружения в воду крылья переводят в положение, перпендикулярное продольной оси нижней ступени (горизонтальное), и нижнюю ступень основания погружают ударами по ней забивным снарядом до упора крыльев в грунт дна. Отличительная особенность способа также в том, что перевод крыльев из положения отвесного в горизонтальное и наоборот обеспечивают автоматически.

Оснащение МБО опорными крыльями достаточной длины и площади исключает опасность его просадки даже при обрушении пород из-за боковых стенок его нижней ступени, так как посредством крыльев силы, вызывающие просадку, воспринимают донные грунты, которые находятся на расстоянии от труб нижней ступени основания и не подвержены размыву и обрушению.

Возможность нахождения опорных крыльев в отвесном положении не требует больших площадей палубы плавсредства для размещения на нем МБО с крыльями практически любых размеров, реально необходимых для надежной стабилизации основания в грунте дна. Возможность перевода крыльев из отвесного положения в горизонтальное и наоборот позволяет успешно монтировать и демонтировать МБО с плавсредств со сравнительно малыми размерами их бурового проема. Автоматический перевод крыльев из положения отвесного в горизонтальное и наоборот сокращает затраты средств, труда и времени на монтаж, стабилизацию и демонтаж МБО.

Вертикальность МБО независимо от уклона морского дна при предлагаемом способе стабилизации изначально обеспечивают путем вертикального погружения в грунт нижней ступени основания. В способе аналога [2] необходимая вертикальность МБО обеспечивается не всегда, так как опирающийся о грунт понтон не оснащен нижней (направляющей) ступенью и не предусмотрен способ ее погружения в грунт дна акватории.

Технический результат устройства для осуществления способа стабилизации МБО достигается следующим образом.

Устройство для осуществления способа стабилизации МБО содержит верхнюю меньшего и нижнюю большего диаметров трубчатые ступени, жестко соединенные между собой посредством наковальни, кольцевой забивной снаряд, одетый на верхнюю ступень с возможностью возвратно-поступательного перемещения по ней и нанесения ударов по наковальне, плавсредство с грузоподъемным оборудованием для монтажа на верхнем конце основания и демонтажа с него платформы с буровыми механизмами.

Отличительные особенности устройства для осуществления способа стабилизации МБО в том, что с внешней поверхностью его наковальни соединены в количестве не менее двух на одинаковом расстоянии друг от друга в плане опорные крылья, с боковыми стенками крыльев по всей их длине жестко соединены пластины (щеки), выступающие за пределы днища крыла, крылья соединены с наковальней шарнирно и могут изменять свое положение от отвесного в направлении продольной оси нижней ступени основания до перпендикулярного этой же оси (горизонтального) и наоборот.

Опорные крылья в их горизонтальном положении после стабилизации МБО на дне акватории предотвращают не только его просадку, но и наклоны. Наклонам МБО по направлению продольной оси крыльев препятствует длина крыльев. Наклонам МБО в направлениях, перпендикулярных продольной оси крыльев, препятствуют ширина опорных крыльев и, главным образом, щеки по длине боковых стенок опорных крыльев, так как они внедрены глубже и в более плотные грунты, чем сами крылья. Шарнирное соединение опорных крыльев с наковальней МБО позволяет переводить крылья из отвесного положения в горизонтальное и наоборот.

Надежность стабилизации МБО с опорными крыльями зависит от их конструктивного типа и геометрических параметров, а также от свойств донных грунтов в районе бурения. Поэтому отличительные особенности устройства состоят также в том, что все опорные крылья выполнены в форме прямоугольников с одинаковыми параметрами, и необходимую длину крыла определяют в зависимости от силы его нагружения и удельного сопротивления грунта дна вдавливанию в него опорного крыла из условия

где l и a - длина и ширина опорного крыла соответственно, м;

Q - максимальная нагрузка на опорные крылья (сумма сил: тяжести МБО и механизмов на нем; технологических, возникающих при бурении), кН;

n - количество опорных крыльев в устройстве МБО;

Р - минимальное значение удельного сопротивления донных грунтов вдавливанию в районе заложения скважины, кПа.

Опорные крылья прямоугольной формы более эффективно, чем, например, цилиндрической, препятствуют наклонам МБО в направлениях, перпендикулярных продольной оси крыльев. Достоинство прямоугольной формы крыльев также в том, что в отвесном положении они образуют с нижней ступенью компоновку, удобную для спуска в буровой проем и укладки на палубе плавсредства.

Выражение (1) для определения рациональной длины опорного крыла получают из условия, что сила сопротивления грунта вдавливанию в него всех опорных крыльев превышает силу, с которой все крылья давят на грунт

здесь F=a·l - площадь опоры одного опорного крыла на грунт, м².

Выражая в (2) площадь опорного крыла через его ширину и длину и решая это выражение относительно длины крыла, получают условие (1). Выполнение условия (2) и, соответственно, условия (1) исключает просадку МБО, т.е. обеспечивает надежность его стабилизации.

Отличительные особенности устройства для осуществления способа стабилизации МБО также в том, что все опорные крылья выполнены в форме герметичных прямоугольных пустотелых коробов, обладают положительной плавучестью и их геометрические параметры определяют из условия

где a, b и l - ширина, высота и длина опорного крыла соответственно, м;

с - ширина щеки опорного крыла, м;

δ - толщина стенок корпуса и щек опорного крыла, м;

ρ - плотность воды, кг/м³ (в расчетах принимают р=1000 кг/м³);

ρ_M - плотность материала корпуса и щек опорного крыла, кг/м³.

Положительная плавучесть опорных крыльев обеспечивает автоматический перевод их из отвесного положения в горизонтальное и наоборот без использования специальных грузоподъемных механизмов. Это снижает стоимость, повышает производительность и удобство стабилизации МБО с опорными крыльями с плавсредств различного типа, в том числе с «П»-образным буровым проемом, так как не требует дополнительных затрат средств, труда и времени на монтаж и демонтаж МБО.

Соотношение (3) между параметрами опорных крыльев получено из условия положительной плавучести крыла, соответствующей требованию

где ρ - плотность воды, кг/м³;

V - объемное водоизмещение опорного крыла с боковыми щеками, м³;

М - масса опорного крыла с боковыми щеками, кг.

Выражая в (4) объемное водоизмещение и массу опорного крыла с боковыми щеками через обозначения их геометрических параметров и решая это выражение относительно высоты опорного крыла, получают условие (3). Подставляя в (3) значение длины крыла, вычисленное по условию (1), получают необходимую высоту крыла. Выражения (1) и (3) получены из условий предотвращения просадки (вдавливания) МБО в грунт морского дна и обеспечения положительной плавучести опорного крыла соответственно. Поэтому совместное решение выражений (1) и (3) позволяет получать значения параметров опорных крыльев, которые рациональны по размерам, массе и гарантируют надежность стабилизации МБО в грунте морского дна.

Отличительная особенность устройства также в том, что на конце днища каждого опорного крыла между щеками смонтирован упор и высота упора обеспечивает при отвесном положении крыла наклон его 1,5-2° в сторону от оси нижней ступени. Изначальный наклон 1,5-2° опорного крыла в сторону от оси нижней ступени МБО при спуске крыльев в воду обеспечивает их поворот на шарнирах в стороны от нижней ступени, а не к ней. Необходимый наклон обеспечивает упор в конце днища каждого крыла. Высоту упора вычисляют пропорционально длине используемого крыла.

С плавсредства любого типа, и особенно с плавсредства с «П»-образным буровым проемом шириной до 1 м, наиболее экономично и удобно стабилизировать МБО при помощи устройства с двумя опорными крыльями, соединенными с наковальней в ее диаметрально противоположных сторонах. Отличия такого варианта устройства для стабилизации МБО заключаются также в том, что ширина каждого крыла меньше ширины бурового проема плавсредства, щеки выступают ниже днища опорного крыла на величину, не превышающую наружного радиуса нижней ступени МБО, расстояние между внутренними стенками щек больше диаметра труб нижней ступени, а между наружными стенками щек меньше ширины бурового проема плавсредства.

Ограничение ширины опорного крыла шириной бурового проема допустимо, так как необходимая по условию предотвращения проседания МБО площадь крыла может быть соблюдена за счет увеличения его длины.

Выбор высоты щек и расстояния между ними в зависимости от диаметра нижней ступени МБО и ширины бурового проема обеспечивает компактное положение крыльев вокруг нижней ступени в их подвешенном состоянии. При этом крылья не упираются друг в друга, и между ними сохраняется запроектированное расстояние. Это важно и удобно при спуске и подъеме МБО с крыльями через буровой проем ограниченной ширины.

Сущность предложенных способа и устройства для стабилизации МБО иллюстрируется схемами работы устройства с двумя опорными крыльями: на фиг.1 приведен общий вид МБО при его спуске в буровой проем плавсредства и подъеме на его палубу; на фиг.2 показан вид МБО в период завершения его стабилизации в грунте дна моря; на фиг.3 показано МБО в разрезе по А-А по фиг.1; на фиг.4 приведен разрез МБО по Б-Б по фиг.2.

Морское буровое одноколонное основание с двумя опорными крыльями для осуществления предлагаемого способа стабилизации МБО включает нижнюю одноколонную трубчатую ступень 1, жестко соединенную с ее верхним концом наковальню 2, опорные крылья 3, выполненные в форме герметичных прямоугольных пустотелых коробов и соединенные с наковальней 2 при помощи шарниров, щеки 4, жестко соединенные с длинными боковыми стенками каждого опорного крыла и выступающие за пределы его днища в сторону нижней ступени 1, упор 5, жестко смонтированный в конце днища каждого опорного крыла между щеками 4 и обеспечивающий наклон 1,5-2° оси и днища крыла в его отвесном положении в сторону от оси нижней ступени 1, верхнюю трубчатую ступень 6, жестко соединенную с наковальней 2 при помощи болтов, кольцевой забивной снаряд 7, одетый на верхнюю трубчатую ступень 6 с возможностью свободного по ней перемещения, тросовую петлю 8 с уравновешивающей дугой 9. Концы тросовой петли 8 соединены с забивным снарядом 7, а дуга 9 подвешена на переброшенном через блок 10 буровой вышки 11 тросе 12 буровой лебедки 13, которые установлены на плавсредстве 14.

Для изготовления МБО с опорными крыльями необходимо знать тип плавсредства, предназначенного для стабилизации с него МБО, техническую характеристику бурового станка на МБО и расчетное значение удельного сопротивления грунтов дна вдавливанию в районе предстоящего бурения скважин. Эти данные позволяют по условию (1) предотвращения просадки МБО и по условию (3) обеспечения плавучести опорного крыла вычислить рациональные геометрические размеры всех элементов опорных крыльев.

Пример вычисления. Определить рациональные размеры МБО и его опорных крыльев для бурения на глубинах моря до 25 м буровым станком морской буровой установки (МБУ) «Старт». МБО стабилизировать через «П»-образный буровой проем плавсредства. Ширина проема 0,80 м. Крылья выполнить из листовой стали плотностью ρ_м=7850 кг/м³ с толщиной стенки δ=0,01 м. Дно моря в районе бурения представлено обводненными грунтами.

1. При монтаже и демонтаже МБО через «П»-образный буровой проем шириной 0,80 м следует использовать МБО с максимально возможным диаметром нижней ступени 0,72 м из серийно выпускаемых труб. Это МБО рационально оснастить только двумя опорными крыльями с шириной боковых щек (величиной выхода ниже днища крыла) с=0,35 м.

2. Так как расстояние между внутренними стенками щек, являющихся продолжением боковых стенок опорных крыльев, должно быть больше диаметра труб нижней ступени, а между наружными стенками щек - меньше ширины бурового проема, принимают ширину опорных крыльев а=0,76 м.

3. Максимальное значение силы нагружения опорных крыльев определяют из технической характеристики МБУ «Старт» [8, с.54-60]: сила тяжести бурового станка равна 31,5 кН; сила тяжести в воде МБО с верхней ступенью длиной 27 м из труб диаметром 0,273/0,251 м и нижней ступенью длиной 4 м из труб диаметром 0,72/0,70 м составляет 21,5 кН; сила тяжести в воде забивного снаряда на наковальне МБО равна 19 кН; технологическая сила достигает максимума 35 кН при подъеме обсадных труб из скважины. Сумма всех сил составляет 107 кН. Принимают расчетное значение Q=110 кН.

4. Необходимые параметры крыльев вычисляют исходя из их опоры на наименее прочные грунты. Такими грунтами для морей являются илы. Зафиксированы илы с минимальным удельным сопротивлением вдавливанию Р=150 кПа [7, с.650]. При удалении вглубь буквально на 0,01 м от дна моря сопротивляемость илов вдавливанию существенно возрастает. Для работы МБО с крыльями это положительно, так как в илистое дно их изначально заглубляют практически на всю высоту. В интервале первых метров от дна сопротивления илов вдавливанию изменяются от 500 до 1500 кПа [6, с.161]. Однако илы при воздействии на них динамических нагрузок разжижаются. Поэтому при вычислении параметров крыльев принимают пониженное расчетное значение удельного сопротивления илов вдавливанию Р=50 кПа.

5. В приведенное выше выражение (1) подставляют теперь уже известные значения Q, Р, а, n и после решения выражения (1) получают

Вычисленное значение длины опорного крыла округляют в сторону увеличения. Это не осложняет процессы монтажа и демонтажа пока длина нижней ступени МБО остается больше длины крыла. Принимают l=2 м и этим повышают надежность стабилизации МБО в 1,38 раза.

6. В выражение (3) подставляют значение l=2 м и получают высоту крыла b=0,299 м. Вычисленное значение высоты округляют в сторону увеличения. Приняв l=2,0 м и b=0,3 м, имеем: ρV=470 кг, М=469 кг, т.е. требуемое условие плавучести крыла (ρV≥М) выполняется. При проектировании МБО учитывают возможность налипания на крылья донного грунта или, например, необходимость оснащения крыльев ребрами жесткости и вычисленное значение высоты крыла принимают больше. Так, при l=2,0 м и b=0,35 м ρV=546 кг, а М=490,5 кг, и это не противоречит условию плавучести (4).

По вычисленным и обоснованным геометрическим параметрам (l×a×b=2,0 м×0,76 м×0,35 м) изготовляют два крыла 3 и соединяют их при помощи шарниров с наковальней 2 в диаметрально противоположных сторонах нижней ступени 1. Стабилизацию в дне моря предложенным способом МБО с двумя опорными крыльями осуществляют следующим образом.

На точке заложения скважины нижнюю ступень 1 с соединенными с ее наковальней 2 опорными крыльями 3 вывешивают при помощи лебедки 13 на переброшенном через блок 10 буровой вышки 11 тросе 12, ориентируют нижнюю ступень с крыльями до совпадения осевой плоскости крыльев в их отвесном положении с продольной осевой плоскостью «П»-образного бурового проема плавсредства 14 (фиг.3), опускают в проем и подвешивают в нем на специальных хомутах. На тросе 12 вывешивают первую трубу верхней ступени 6 МБО, соединяют ее при помощи болтов с наковальней 2 нижней ступени 1, вывешивают кольцевой забивной снаряд 7, одевают его на соединенную с наковальней 2 первую трубу верхней ступени 6 и опускают по ней до посадки на наковальню 2. Затем промеряют глубину моря, собирают соответствующей длины две ветви тросовой петли 8, пропущенной через уравновешивающую дугу 9, соединяют ветви тросовой петли 8 с проушинами забивного снаряда 7 и уравновешивающую дугу 9 фиксируют на плавсредстве 14 в стороне от бурового проема. По известным в практике бурения схемам на тросе 12 лебедки 13 вывешивают собранные первую трубу верхней ступени 6 и нижнюю ступень 1 с забивным снарядом 7 (фиг.1) и, поочередно наращивая трубы верхней ступени 6 и потравливая тросовую петлю 8, опускают МБО с крыльями 3 и установленным на наковальне 2 забивным снарядом 7 до упора нижнего конца нижней ступени 1 в дно моря.

На опорные крылья 3 уже в начале погружения их в воду действует выталкивающая сила, пропорциональная водоизмещению крыльев. Причем при движении опорного крыла в воде вниз в направлении дна моря на разные стенки крыла действуют разные по величине силы сопротивления воды и оказывают различное воздействие на положение крыла относительно нижней ступени 1. Максимальная сила сопротивления воды действует на днище крыла 3, находящееся между щеками 4. Обусловлено это незначительным наклоном крыла в сторону от нижней ступени 1. Наклон изначально обеспечивается упорами 5. Эта сила способствует повороту крыльев 3 на шарнирах в стороны от нижней ступени 1. А так как вычисленные параметры каждого опорного крыла 3 обеспечивают его положительную плавучесть, т.е. выталкивающая сила крыла больше его силы тяжести, то по мере погружения в воду крылья из отвесного положения автоматически поворачиваются на шарнирах (фиг.4) вверх. При полном погружении крыльев 3 в воду их верхняя торцевая стенка упирается в корпус наковальни 2, и опорные крылья занимают фиксированное горизонтальное положение (фиг.2).

Следовательно, при вертикальном положении нижней ступени 1 в воздухе направления продольных осей опорных крыльев 3 и нижней ступени 1 примерно совпадают (фиг.1). При вертикальном положении нижней ступени 1 в воде, в том числе в период стабилизации одноколонного основания на дне моря и бурения всей скважины, продольные оси опорных крыльев 3 перпендикулярны продольной оси нижней ступени 1 (фиг.2).

После упора нижней ступени 1 МБО в дно моря трос 12 лебедки 13 соединяют с уравновешивающей дугой 9 и ударами забивного снаряда 7 по наковальне 2 путем его расхаживания при помощи лебедки 13 погружают нижнюю ступень 1 основания до упора опорных крыльев 3 в грунт дна. На акваториях с сильно обводненными донными грунтами нижнюю ступень 1 возможно забивать с уходом в них опорных крыльев 3 (фиг.2) даже на всю их высоту без применения высокоэнергоемких и массивных погружающих механизмов, так как площадь нижнего торца нижней ступени предлагаемого устройства и, соответственно, лобовые сопротивления погружению ее в грунт малы. Обусловлено это тем, что нижняя ступень предлагаемого устройства в отличие от прототипа выполнена из труб одного диаметра, а не из двух труб (внутренней и наружной) разных диаметров, смонтированных концентрично и жестко соединенных между собой герметичной перемычкой.

Для стабилизации МБО с количеством опорных крыльев больше двух плавсредство любого типа оснащают вышкой (или стрелой), позволяющей ее наклонять и выносить кронблок на нужное расстояние за пределы борта плавсредства. С плавсредств без «П»-образного проема вышка в наклонном состоянии находится в течение всего периода стабилизации МБО и бурения с него скважины. С плавсредств с «П»-образным проемом после спуска крыльев под уровень воды вышку переводят в вертикальное положение, и подвешенная на ней часть МБО оказывается в проеме плавсредства, так как крылья, независимо от их количества, находятся ниже корпуса плавсредства. Перевод МБО в проем облегчает дальнейший процесс стабилизации МБО, который продолжают по описанной выше схеме для МБО с двумя крыльями.

После стабилизации МБО в грунте дна на верхний конец верхней ступени основания, возвышающийся над уровнем моря, устанавливают буровой станок и бурят скважину вращательным или вдавливающим способом, осуществляют статическое зондирование, а также крепление неустойчивых интервалов скважины обсадными трубами, в том числе с промывкой морской водой и расхаживанием обсадной колонны. При этом до закрепления скважины обсадными трубами возможны размыв ее стенок и обрушение пород из-под нижнего конца нижней ступени 1 основания. Однако это не нарушает надежности стабилизации и не создает опасности просадки МБО в грунте морского дна. Обусловлено это тем, что два крыла длиной по 2,0 м и площадью опоры по 1,52 м² (данные примера) каждое исключают просадку МБО и его наклоны, особенно в направлении крыльев. Наклоны МБО в направлениях, перпендикулярных плоскости крыльев, предотвращают нижняя ступень 1, изначально стабилизированная в грунте вертикально, ширина крыла, а также две боковые его щеки, внедренные глубже днища опорного крыла и, соответственно, в более плотные грунты.

Таким образом, опорные крылья со щеками исключают просадку и заваливание бурового одноколонного основания, т.е. повышают надежность его стабилизации при уменьшении интервалов грунтов с нарушенными характеристиками. Шарнирное соединение крыльев с нижней ступенью МБО позволяет эффективно его монтировать и демонтировать с плавсредств с малой шириной бурового проема. Крылья в форме герметичных пустотелых коробов с рациональными расчетными физическими и геометрическими параметрами обладают положительной плавучестью. Это обеспечивает их автоматический перевод из транспортного положения в рабочее и наоборот, сокращает необходимое количество высокоэнергоемких, массивных грузоподъемных и погружающих механизмов, затраты материалов, труда и времени на монтаж, стабилизацию и демонтаж одноколонного основания.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2194144, МПК Е21В 15/02, Е02В 17/00, опубл. БИ №34, 2002, с.269 (прототип).

2. Патент РФ №2171349, МПК 7 Е21В 15/02, опубл. БИ №21, 2001, с.297-298 (аналог).

3. Патент РФ №2235183, МПК 7 Е21В 15/02, Е02В 17/02, опубл. БИ №24, 2004 (аналог).

4. Архангельский И.В. Морское бурение инженерно-геологических скважин. - Л.: Недра, 1980.

5. Лукошков А.В. Бурение неглубоких разведочных скважин в море с борта плавсредств. - М.: Обзор ВИЭМС, 1980.

6. Смолдырев А.Е. Методика и техника морских геолого-разведочных работ. - М.: Недра, 1978.

7. Трофимов В.Т. и др. Грунтоведение. - М.: Изд-во МГУ, 2005.

8. Хворостовский А.С., Хворостовский И.С., Хворостовский С.С. Новые технологическая схема и установка для эффективного бурения разведочных скважин на море. - М.: Изв. вузов. Геология и разведка. 2007. №2.

9. Шелковников И.Г., Лукошков А.В. Технические средства подводного разведочного бурения и опробования. - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1979.

Claims (6)

1. Способ стабилизации морского бурового одноколонного основания, включающий изготовление его нижней ступени длиной 4 м из труб большего диаметра и верхней ступени из труб меньшего диаметра, спуск нижней ступени в море с борта или через буровой проем плавсредства, жесткое соединение верхней ступени с нижней, монтаж на них забивного снаряда, наращивание труб верхней ступени и спуск основания до дна моря, погружение ударами нижней ступени основания в грунт морского дна, отличающийся тем, что на одинаковом расстоянии друг от друга по периметру наружной поверхности верхнего конца нижней ступени основания монтируют опорные крылья в количестве n+1 (n=1, 2, …), в начале спуска нижней ступени в море опорные крылья устанавливают в положение, отвесное в направлении продольной оси нижней ступени, а по мере погружения в воду крылья переводят в положение, перпендикулярное продольной оси нижней ступени (горизонтальное), и нижнюю ступень основания погружают ударами по ней забивным снарядом до упора крыльев в грунт морского дна, причем перевод опорных крыльев из отвесного положения в горизонтальное и наоборот обеспечивают автоматически.

2. Устройство для осуществления способа стабилизации морского бурового одноколонного основания, содержащее верхнюю меньшего и нижнюю большего диаметров одноколонные трубчатые ступени, жестко соединенные между собой посредством наковальни, и кольцевой забивной снаряд, установленный на наковальне с возможностью возвратно-поступательного перемещения по трубам верхней ступени и нанесения ударов по наковальне, отличающееся тем, что с внешней поверхностью наковальни соединены в количестве не менее двух на одинаковом расстоянии друг от друга в плане опорные крылья, крылья соединены с наковальней шарнирно с возможностью изменения положения крыльев от отвесного в направлении продольной оси нижней ступени основания до горизонтального в направлении, перпендикулярном продольной оси нижней ступени основания и наоборот, по всей длине каждого опорного крыла с его боковыми стенками жестко соединены пластины (щеки), выступающие ниже днища крыла.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что все опорные крылья выполнены в форме одинаковых прямоугольников, и необходимую длину каждого крыла определяют в зависимости от нагрузки на них и удельного сопротивления грунта дна вдавливанию в него опорного крыла из условия

где l и а - длина и ширина опорного крыла соответственно, м;
Q - максимальная нагрузка на опорные крылья (сумма сил: тяжести МБО и механизмов на нем технологических, возникающих при бурении), кН;
n - количество опорных крыльев в устройстве МБО;
Р - минимальное значение удельного сопротивления донных грунтов вдавливанию в районе заложения скважины, кПа.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что все опорные крылья выполнены в форме герметичных прямоугольных пустотелых коробов, обладают положительной плавучестью, и их геометрические параметры удовлетворяют условию

где a, b и l - ширина, высота и длина опорного крыла соответственно, м;
с - ширина щеки опорного крыла, м;
δ - толщина стенок корпуса и щек опорного крыла, м;
ρ - плотность воды, кг/м³ (в расчетах принимают ρ=1000 кг/м³);
ρ_M - плотность материала корпуса и щек опорного крыла, кг/м³.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что на конце днища каждого опорного крыла между щеками смонтирован упор, и при отвесном положении крыльев высота упора обеспечивает наклон каждого крыла 1,5-2° в сторону от оси нижней ступени.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что с наковальней в ее диаметрально противоположных сторонах соединены два опорных крыла, ширина каждого крыла меньше ширины бурового проема плавсредства, щеки выступают ниже днища опорного крыла на величину, не превышающую наружный радиус(а) нижней ступени основания, расстояние между наружными стенками щек меньше ширины бурового проема плавсредства, а между внутренними стенками щек больше диаметра нижней ступени.

Images