Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Условия и современные технологии бурения инженерно-геологических скважин на море 7
1.1 Параметры инженерно-геологических скважин и основные геолого-методические требования к их бурению 7
1.2. Условия бурения скважин на море 8
1.3. Возможности различных типов морских буровых оснований 12
1.4. Опыт бурения на море с моноопорных оснований 16
1.5. Задачи исследований 19
Глава 2. Особенности и информативность способов бурения инженерно-геологических скважин на море 20
2.1. Особенности кернообразования при ударном и вибрационном погружении обсадных труб в породы на суше и на море 20
2.2. Влияние скорости погружения керноприемника в породы на качество и выход керна 24
2.3. Оценка способов бурения инженерно-геологических скважин на море 27
2.4. Основные выводы по главе 2 32
Глава 3 . Исследование напряженного состояния моноопорных оснований при бурении на море 33
3.1. Механико-математическое описание МО и его внешних связей 34
3.2. Объемные, реактивные и конструктивные нагрузки на МО 36
3.3. Гидродинамические нагрузки на моноопорное основание 40
3.4. Уравнения равновесия моноопорного основания 49
3.5. Уравнения колебаний моноопорного основания 53
3.6. Влияние различных факторов на напряженное состояние МО 59
3.7. Выводы по главе 3 66
Глава 4. Рациональные конструкции буровых моноопор, установок и инструмента 67
4.1. Методика выбора оптимальных параметров грунтовой заделки МО 67
4.2. Рациональные конструкция и параметры моноопорных оснований 72
4.3. Рациональная конструкция бурового станка на моноопоре 76
4.4. Комплекс технологического бурового инструмента 80
Глава 5. Исследования и разработка технологических схем и технологии бурения с моноопорных оснований 82
5.1. Технология стабилизации МТО-2С: 273/720 82
5.2. Исследования надежности грунтовой заделки МО 86
5.3. Способ регулирования азимутальной ориентации бурового станка на МО 90
5.4. Способ извлечения МО и колонны обсадных труб из скважины 94
5.5. Способ транспортировки моноопорного основания по морю 97
5.6. Натурные исследования новой технологии бурения инженерно-геологических скважин на море с моноопорных оснований 100
5.7. Выводы и рекомендации по главе 5 107
Глава 6. Возможности и эффективность бурения скважин на шельфе с моноопорных оснований 110
6.1. Методика и критерий оценки прочности и эксплуатационной надежности моноопорного основания 110
6.2. Возможности новой технологии бурения скважин с моноопорных оснований на шельфе России 116
6.3. Экономическая эффективность технологии бурения скважин на море с моноопорных оснований 120
Заключение 123
Список использованной литературы 125
Приложения 131
- Возможности различных типов морских буровых оснований
- Влияние скорости погружения керноприемника в породы на качество и выход керна
- Гидродинамические нагрузки на моноопорное основание
- Рациональные конструкция и параметры моноопорных оснований
Возможности различных типов морских буровых оснований
Морское буровое основание - элемент морской буровой установки (МБУ), на котором размещаются механизмы, оборудование и специальная аппаратура для выполнения комплекса работ по бурению скважин. Известно большое количество типов морских буровых оснований, обладающих различными эксплуатационно-технологическими возможностями (рис. 1.2).
Наибольшее распространение при бурении ИГС в б.СССР и РФ получили легкие несамоходные буровые понтоны [5,37,45,83]. Их основные достоинства: относительная дешевизна, простота изготовления и малая осадка, позволяющая работать на мелководье. Однако бурение с понтонов имеет ряд существенных недостатков. Среди них: необходимость во вспомогательных судах для транспортировки с одной точки бурения на другую; ограниченность применения на открытых акваториях из-за плохой приспособленности к волнению и невозможности качественного бурения при качке; малая автономность, ввиду неприспособленности понтонов к длительному нахождению на них людей. Существенно большими мобильностью, автономностью и мореходными качествами обладают специализированные буровые суда. Например, созданное в б.СССР для инженерно-геологических изысканий в прибрежных районах буровое судно "Геолог-1" [6]. При правильной организации геологоразведочных работ на море такие суда могут использоваться почти круглогодично, чередуя бурение, пробоотбор, геофизические исследования и т.п. в зависимости от гидрометеорологических условий моря. Однако они дорогостоящие и не позволяют выполнять работы в непосредственной близости от берега, на отмелях и т.п.
. Полуавтономные, управляемые дистанционно по гибким связям с надводного судна Автономные, работающие без механических связей с надводным судном Рис.1.2 Классификация оснований и установок для разбуривания подводных площадей Общим принципиальным недостатком бурения скважин с ПБУ является их качка и дрейф, обусловленные изменяющимися во времени по силе и направлению ветрами, волнением и течениями. Возникающие при этом вертикальные, горизонтальные и угловые перемещения ПБУ относительно оси скважины вызывают соответствующие перемещения установленного на них бурового станка и бурильной колонны. В этих условиях трудно поддерживать рациональные режимы бурения, обеспечивать надежность и безаварийность работы оборудования, получать качественный керн. Наибольшие проблемы возникают при статическом зондировании и пенетрационно-каротажных исследованиях вдавливанием в грунт зондов и снарядов на бурильных трубах.
Известно большое количество оригинальных технических решений, направленных на борьбу с указанной проблемой: применение компенсаторов перемещений обсадной и бурильной колонн; подвешивание буровой площадки на мачте судна; использование систем динамической стабилизации плавучих оснований и различного типа успокоителей качки и т.д. [84, 89]. Однако эти разработки лишь частично уменьшают качку и ее влияние на процесс бурения, так как создают реактивные силы и моменты, стабилизирующие буровое основание или буровые механизмы, только при уже состоявшемся их отклонении. Существенны и затраты на внедрение и применение этих разработок.
Наилучшее качество бурения на море достигается при размещении оборудования на опорных основаниях или непосредственно на дне. Выполнение технологически операций в этом случае мало зависит от волнения моря. Поэтому при прочих равных условиях удается достичь наиболее высокой геологической информативности результатов исследований, что в инженерной геологии является одним из основных критериев эффективности.
С точки зрения независимости от гидрометеорологических условий на поверхности моря оптимальным является бурение скважин подводными буровыми станками (ПБС). Известно несколько зарубежных и отечественных вариантов их конструкций [37,45] с дистанционным управлением и обслуживаемых водолазами. По мнению авторов [89] будущее морского бурения именно за ПБС. Однако сегодня из-за сложности, оригинальности и штучности изготовления эти станки дорогие в изготовлении и эксплуатации. Поэтому их использование для решения задач инженерной геологии экономически не оправданно.
Среди опорных о дно оснований наибольшее распространение получили самоподъемные на выдвижных опорах (СОО). В б.СССР, например, хорошо зарекомендовали себя СОО серии ПБУ-63, оснащенные четырьмя выдвижными цилиндрическими опорами диаметром 0,27м [5]. Основными достоинствами СОО являются высокое качество бурения и возможность работы в приливно-отливной зоне, где плавучие основания эксплуатировать затруднительно.
Проблемой является то, что традиционные конструкции СОО дорогостоящи в изготовлении, а возможности каждой из них ограничены узкими интервалами глубин моря, для которых они сконструированы. Например, стоимость современного СОО для бурения ИГС глубиной до 100 м по породам на глубинах моря 10 - 20 м составит сегодня по данным судостроительного завода г.Астрахань 6 млн.долл. Кроме того, использование СОО сопряжено с большими затратами средств и времени на предварительные инженерные изыскания донных грунтов, его буксировку на точку бурения, перевод из транспортного положения в рабочее и наоборот. Успех стабилизации и снятия СОО с точки бурения во многом зависит от рельефа, уклона и состава грунта дна. При этом с СОО происходит до 30 % аварий от их общего числа [71].
Влияние скорости погружения керноприемника в породы на качество и выход керна
Процесс отбора керна из скважины впереди колонны обсадных труб или непосредственно гз колонны заключается в погружении в породы грунтоноса или трубчатого керноприемника вдавливанием, вращением или ударами. Конструкции грунтоносов и керноприемников (далее грунтоносов) для бурения на море, как правило, в целях сохранения керна от его потери и вымывания при подъеме имеют закрытый верхний конец с вмонтированными для истечения воды одним или несколькими обратными клапанами (рис.2.1).
Погружение грунтоноса с закрытым верхним концом в целик сопровождается увеличением давления со стороны находящейся в нем воды на породы забоя. При определенных обстоятельствах рост давления может приводить к значительному уплотнению поверхностных пород. В результате получаемая геологическая информация о структуре выбуриваемого керна будет существенно отличаться от реальной.
Очевидно, что величина прироста давления воды на грунт внутри грунтоноса зависит от его скорости погружения и геометрии. По этой причине при бурении на море ИГС важно иметь представление о рациональных величинах и соотношениях этих факторов. Прирост величины давления воды на породы грунта АР при внедрении ф/ грунтоноса в целик приближенно равен потере давления Pj, возникающей при истечении воды из обратного клапана грунтоноса. В инженерных расчетах значение Pj можно оценить [22, 87] по формуле PJ = 0,5CCPBC12, (2.1) где С,с - коэффициент гидравлических сопротивлений; р - плотность воды; Cj— скорость потока воды при входе в обратный клапан. Плотность морской воды - известная величина (рв«Ю30 кг/м ). Значение Сі согласно условию неразрывности может быть вычислено по выражению С, =CoFo/F,, (2.2) где Со - скорость движения грунтоноса; F0, Fi - заполняемые водой площа-ди сечении грунтоноса и обратного клапана, соответственно. Коэффициент Q зависит, главным образом, от геометрий отверстия обратного клапана, грунтоноса и ствола скважины над ним. При числе Рейнольд-са Re 104 величину Q можно рассчитать по формуле, приведенной в [22] & = Л(1" F,/F0) + (1- F,/F2)2 + т (1- F,/F0)-1/2(l- FlfF2)+Xll/d, (2.3) /ф где т, х, X - коэффициенты смягчения входа, формы отверстия, сопротивления трения канала обратного клапана, соответственно; 1\ - длина канала обратного клапана; d-диаметр канала братного клапана; F2 - площадь сечения скважины. Рассмотрим подробнее правую часть формулы (2.3). Первый член здесь отвечает за сопротивления, возникающие при входе потока в обратный клапан. Коэффициент ц вводится по причине того, что даже малое закругление, срез или утолщение входной кромки отверстия клапана приводят к тому, что пово рот входящего в него потока происходит более плавно, зона отрыва и вихреоб разования уменьшается, вследствие чего уменьшается и Q. {ш Второй член отвечает за сопротивления, возникающие при выходе потока из обратного клапана. Третий - учитывает отношение площадей F]/F0 и F]/F2, характеризующее поджатие потока на входе и его расширение на выходе. Коэффициент х в этом члене вводится для отражения влияния формы входных кромок и отношения глубины канала к его диаметру. Последний член учиты (р, вает потери на трение внутри канала отверстия и вводится, если обратный клапан имеет относительно большую глубину.
По данным И.Е.Идельчика [22] при перетоке воды через отверстие с острыми к потоку краями, что соответствует конструкции обратного клапана, г] = 0,5; т = 1,41 , а последний член в правой части (2.3) можно полагать равным нулю, т.к. он пренебрежимо мал по сравнению с остальными.
С уменьшением сечения обратного клапана и неизменных сечениях грунтоноса и ствола скважины над ним скорость С і потока воды через клапан и коэффициент С,с увеличиваются. Соответственно увеличивается величина АР (табл.3). В результате уплотняется грунт на забое, увеличиваются силы трения на поверхности контакта грунтоноса и грунта, что препятствует поступлению последнего в грунтонос и искажает его естественные свойства.
Как свидетельствуют данные табл.3, проблема выбора оптимальных скоростных режимов бурения ИГС на море должна решаться с учетом анализа конструктивных особенностей применяемых грунтоносов. Увеличение площади проходных отверстий обратных клапанов грунтоносов можно рассматривать как одно из эффективных мероприятий по снижению прироста давления воды на породы, возникающего при погружении грунтоноса в целик. При применении традиционных конструкций грунтоносов с малыми от (ffc носительными диаметрами обратных клапанов можно руководствоваться ре комендациями [57], где максимальные значения скорости погружения грунтоноса при отборе монолитов предлагается ограничивать: в грунтах сильно обводненных - до 0,02 м/с, в слабо обводненных - до 0,08 м/с. Погружение грунтоноса с такими скоростями возможно механизмами с гидравлической подачей при бурении вдавливающим и вращательным способами.
Оценка способов бурения инженерно-геологических скважин на море Способы бурения с целью определения рационального можно сравнивать по целому ряду показателей. Однако главным и определяющим при оценке 1т всегда должен являться показатель, отражающий назначение скважины. При бурении инженерно-геологических скважин (ИГС), как на суше, так и на море, в качестве определяющего показателя следует принимать геологиче скую информативность [6]. И только если имеется несколько способов буре ния, обеспечивающих достаточное качество информации, имеет смысл про должать их сравнение по другим показателям: технической и экономической (ш эффективности, эксплуатационно-технологическим возможностям, и т.п. Ниже перечислены преимущества и недостатки известных способов бурения и возможности их применения для инженерно-геологических изысканий на море. Ударно-забивной способ при современном развитии технических средств позволяет наиболее экономично отбирать пробы пород, удовлетворяющие требованиям к бурению скважин с целью разведки россыпей и стройматериалов. Он эффективен также для бурения скважин с опережением забоя колонной обсадных труб больших диаметров в мягких породах, например, геотехнологических для разработки месторождений янтаря, а также технических.
Вместе с тем, ударно-забивной способ неизбежно приводит к нарушению физико-механических характеристик исследуемого грунта. Установлено, что применение используемых на суше долот и желонок при наличии в скважине воды влечет за собой переход легких фракций разрушаемых пород во взвешен 28 ное состояние и их перемешивание. При последующем извлечении снаряда из (0 скважины часть этой смеси изливается через верх колонны. В результате объем получаемых проб оказывается меньше теоретического, а содержание полезного ископаемого в них не отражает действительного запаса месторождения. Наилучшее качество проб отбираемых пород при ударном бурении обеспечивают керноприемники, погружаемые в породы ударами без отрыва их от забоя. Серьезное внимание при ударном бурении приходится уделять также величине погружения грунтоноса за удар. После достижения определенного порога этой величины, особенно в водообильных породах, количество и качество выбуриваемого керна обычно резко снижается (табл. 4), а в породах с включениями галечников и валунов проявляется эффект подклинивания.
Гидродинамические нагрузки на моноопорное основание
Все конструкции, работающие на шельфе, в той или иной мере подвергаются гидродинамическим нагрузкам от волн и течений. Бурение скважин с МО по технико-экономическим соображениям предполагается осуществлять при высотах волн до 1,5 м. Достоверное определение параметров волнового давления на МО представляет собой трудную задачу. Обусловлено это тем, что обтекание преград волнами представляет собой случайный, изменяющийся во времени процесс с характеристиками, зависящими от множества факторов.
Предложить одновременно простое, удобное для практических вычислений и относительно точное физико-математическое его описание сложно, а проводить каждый раз натурные испытания экономически неоправданно. На современном этапе развития науки и техники для определения волновых нагрузок используют в основном приближенные полуэмпирические теории.
Экспериментально установлено: если выполняется условие D О,1А, где D — диаметр обтекаемой волновым потоком вертикальной цилиндрической преграды, А, - длина волны, то преграда практически не оказывает влияния на характеристики потока.
Расчеты волновых нагрузок при соблюдении этого условия принято производить по теории, предложенной Дж. Морисоном и Д.Лаппо и получившей в литературе название инженерной теории обтекания. Максимальный диаметр труб, которые планируется использовать для сооружения МО, составляет 0,508 м. Поэтому, согласно справочным данным по режиму волнения на морях России (табл.4) [61], условие D ОДА. будет выполняться для МО при всяком сколь либо
В инженерной теории обтекания волнение рассматривают как регулярный процесс с неизменными характеристиками (периодом 7в, длиной А,, высотой И). Считают, что колебания уровня воды при обтекании преграды подчиняются гармоническому закону, а преграда относительно набегающих волн остается неподвижной. Волновую нагрузку q(z,t) на элемент единичной длины вертикальной цилиндрической
В - вершина и подошва волны, вычисляют как сумму ее инерционной (7и и Q- равнодействующая нагрузки скоростной qv составляющих ?иМ=СиР Дау ; qv{z,t)= v{z,,)\v{z,,l (3.2) где Си и Су - гидродинамические коэффициенты инерционного и скоростного сопротивления; рв-плотность воды; D- внешний диаметр преграды; V\z,t)-горизонтальная проекция скорости движения частиц воды. В формуле для qv{z,t) одно из значений V\z,t) берется по модулю, так как перемещение частиц воды при волнении происходит по незамкнутым орбитам, близким по форме к круговым, и скорость этого движения знакопеременна.
Согласно теории волн малой амплитуды для гидрологических условий, при которых отношение глубины акватории Н к длине волны А, превышает 0,2 , скорость и ускорение перемещения частиц воды при волнении можно выразить следующим образом
При H 0,2A, зависимости (3.3) и, соответственно, (3.4) будут иметь более сложный вид, так как в этих условиях на величины скорости и ускорения частиц воды существенное влияние оказывает дно акватории.
Однако, исследования напряженного состояния МО придется выполнять преимущественно для акваторий с глубиной более 10 м при волнении, не превышающем умеренного, когда X 30 м (см. табл.4). Поэтому при расчетах волновой нагрузки на МО практически всегда будет выполняться условие Н 0,2А, и выражения (3.3) и (3.4) будут справедливы.
При расчете несущих элементов опор морских сооружений, а также их гравитационных и свайных оснований, волновую нагрузку в большинстве случаев приводят к равнодействующей Q[t) [33]:
Рациональные конструкция и параметры моноопорных оснований
Для решения задач инженерной геологии станок на МО должен бурить вращательным и вдавливающим способами с отбором образцов грунта с мало или совсем ненарушенной структурой (погружение МО в грунт дна целесообразно реа-лизовывать оборудованием на катамаране). Вращательный способ необходим для бурения в плотных и крепких породах, вдавливающий - для отбора проб слабых и сильно водонасыщенных грунтов снарядами со штампом. Исходя из функционального назначения бурового станка на МО, в его состав должны входить: вращатель, гидропатрон, механизм подачи и трубодержатель.
Характерной особенностью морских буровых МО является их большая гибкость. Поэтому необходимо учитывать, что масса бурового станка и положение ее центра относительно оси МО, направление и величина создаваемых станком и воспринимаемых МО технологических усилий оказывают большое влияние на возможности применения этой технологической схемы бурения.
По результатам теоретических исследований и анализа особенностей практического бурения с МО вращателями ВМБ-1 (с односторонним) и ВМБ-2 (с симметрично относительно МО расположенным силовым приводом) предлагается проектировать и устанавливать на МО буровые станки, у которых силовой привод вращателя и гидроцилиндры механизма подачи установлены симметрично относительно оси МО, а центр масс располагается на оси МО. Выполнение этих рекомендаций позволяет достичь двух важных результатов: возникающие в МО напряжения изгиба оказываются минимальными; вектор создаваемых станком и воспринимаемых МО технологических усилий в любой момент времени оказывается сонаправлен оси МО и его изменения не вызывают изгибных колебаний МО.
Согласно требованиям к бурению инженерно-геологических скважин (ИГС) нижний предел частоты правого вращения вращателя не должен превышать 40 об/мин., верхний не должен быть меньшим 300 об/мин. Вращатель должен обеспечивать крутящий момент не менее 1,6 кНм. При бурении ИГС желательно иметь возможность плавно регулировать частоту вращения и скорость подачи бурового снаряда. Поэтому в силовом приводе предпочтительно использовать гидромоторы или электродвигатели постоянного тока. Из-за меньшего давления масла в гидросистеме при применении вращателя с двумя гидродвигателями снижается вероятность протечек масла в соединительных узлах, повышается степень экологической безопасности производства работ.
Механизм гидроподачи бурового станка для выполнения пенетрационных исследований грунтов должен развивать усилие вниз в 60-100 кН. Вверх для подъема бурового снаряда из скважины достаточно обеспечивать усилие в 30 кН. В целях наращивания бурового снаряда трубами со стандартными длинами 3,2 м необходимо, чтобы ход цилиндров составлял не менее 3,5 м.
Для облегчения и ускорения спуско-подъемных операций вращатель станка должен иметь возможность вертикально перемещаться при помощи гидроподачи со скоростью не менее 0,6 м/с. В целях удобства наращивания, сборки и разборки бурового снаряда вращатель целесообразно проектировать поворачивающимся от вертикального до горизонтального положения с возможностью правого и левого вращения для свинчивания и отвинчивания бурильных и обсадных труб.
Размеры платформы на МО под буровой станок следует назначать не более 1,5 м х 1,0 м. Необходимо иметь механизмы легкого, безопасного, быстрого и надежного соединения платформы с МО, а также регулирования положения станка в азимутальном направлении. Высота платформы не должна превышать 0,3 м, чтобы при возвышении МО над палубой плавоснования в 0,8-1,0 м обслуживающий персонал мог наращивать (отвинчивать) бурильные трубы с плавоснования.
Управлять работой механизмов бурового станка на МО предпочтительно дистанционно с плавоснования, используя систему электроуправления маслорас-пределением. Для соблюдения требований экологии и сокращения затрат времени на постановку и снятия с МО станка соединять станок с маслостанцией на пла-восновании следует минимально возможным количеством масляных шлангов. Ф Для стабилизации МО и бурения с него, постановки на МО и снятия с него станка буровое плавоснование должно быть оснащено: Л-образной вышкой высотой 10-14 м, грузоподъемностью до 300 кН с П-образным проемом под ней; рабочую площадью палубы 10x15 м для оборудования, труб и инструмента; якорными лебедками для собственной стабилизации на точке бурения; лебедкой буровых станков ЗИФ-650, СКБ-5 или ЗИФ-1200; насосом НБ-4 или НБ-5, развивающим напор до 10 МПа для бурения с промывкой и извлечения МО и обсадных труб из скважины гидравлическим способом. Плавоснование должно позволять задействовать 80 кВт его энергетической мощности на бурение.
В соответствии с выработанными с участием автора требованиями специалистами ОАО "Геомаш" спроектирована и изготовлена морская буровая установка (МБУ) «Старт». Она включает буровой станок, устанавливаемый на МО, мас-лостанцию с электроприводом и пульт электрогидроуправления работой механизмов станка, размещаемые на плавосновании.
Буровой станок МБУ "Старт" (рис. 4.3) состоит из установленных на платформе МО: стоек мачты с направляющими; кареток и гидроканатных устройств их перемещения; вращателя с двумя гидромоторами; гидроцилиндров поворота вращателя; жестко соединенного с нижней плоскостью вращателя зажимного гидропатрона труб; трубодержателя и трубораскрепителя.
