Буровое моноопорное основание
Использование: бурение скважин на морских акваториях.
Сущность: создание 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.
Техническое решение относится к области горного дела, а именно: к области бурения скважин на водных акваториях, в частности к буровым моноопорным основаниям свайного типа и устройствам для их стабилизации на дне моря.
Известно морское буровое одноколонное основание и устройство для его стабилизации, состоящее из телескопически соединенных между собой верхней и нижней секций труб [2-4]. Нижняя секция труб этого основания ударами по ней верхней секцией погружается в породы морского дна на глубину, исключающую заваливание колонны при бурении станком, установленном на ее верхнем конце. Недостаток известного одноколонного основания заключается в искажении свойств донных грунтов на интервале погружения в них нижней секции колонны (моноопоры), который достигает 8 и более метров.
При инженерных изысканиях свойства исследуемых донных грунтов признаются достоверными, если их образцы отобраны вдавливающим или вращательным (а не ударно-забивным) устройствами, укороченными рейсами до 0,5 м с последующим, а не с опережающим, креплением этого интервала скважины обсадными трубами. Однако бурение и отбор образцов грунта (керна) вдавливающим и вращательным способами с моноопорного основания до его стабилизации на дне моря невозможны. При стабилизации
известного основания [2] первоначально ударами погружают нижнюю трубчатую секцию в грунт на необходимую глубину, а затем отбирают из нее керн. Свойства отобранного при этом керна отличаются от естественных, так как нарушаются дважды: 1) грунт при погружении в него трубчатой секции частично отжимается в затрубное пространство, а поступивший в нее уплотнен из-за проявления свайного эффекта; 2) при последующем отборе керна из нижней трубчатой секции керноприемниками грунт дополнительно уплотняется, частично разжижается в находящейся в моноопоре воде и перемешивается со слоями нижележащих грунтов, осажаясь на забой скважины.
Известно буровое одноколонное основание, состоящее из жестко соединенных между собой верхней и нижней секций и кольцевого забивного снаряда, принятое в качестве прототипа [1]. Стабилизируется известное буровое основание в грунте морского дна ударами по нижней секции кольцевым забивным снарядом. Свойства донных грунтов на точке бурения скважины при этом не искажаются. Обусловлено это тем, что нижняя секция основания прототипа снабжена несколькими сваями, которые жестко соединены с верхней секцией на одинаковом удалении (радиусе) от ее оси, т.е. от оси скважины. Величина этого удаления, при котором погружаемые в дно сваи не нарушают свойства донных грунтов в скважине, должна составлять не менее 1 м.
При соблюдении этих требований диаметр нижней секции и ударяющего по сваям забивного снаряда прототипа составляет не менее 2,5 м (с учетом диаметра свай). Однако ширина «П» - образного проема большинства буровых плавсредств (катамаранов) значительно меньше. Поэтому опустить к дну моря и поднять на поверхность нижнюю секцию основания и его забивной снаряд грузоподъемными механизмами бурового плавсредства через такой проем невозможно. Так размеры проема катамарана «Амур-1», долгое время использовавшегося в нашей стране для бурения на акваториях дальневосточных морей, составляют: ширина - 1 м; длина 3,2 м.
Бурение в Каспийской геологической экспедиции ГНЦ «Южморгеология» в настоящее время осуществляется с катамаранов с шириной проема 0,8 м. Для спуска с таких катамаранов и подъема на них нижней секции и забивного снаряда основания необходимо использовать дополнительные плавсредства, специальные грузоподъемные механизмы (например, наклоняемую буровою вышку с выносом кронблока за пределы катамарана). Выполнение этих операций сопряжено с большими затратами средств, времени и труда.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании такого трубчатого моноопорного основания свайного типа и устройства для его стабилизации в грунте морского дна, которые позволяли бы опускать верхнюю и нижнюю секции моноопорного основания и забивной снаряд непосредственно через буровой 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 - повышение эффективности бурения скважин на море за счет облегчения, ускорения и удешевления монтажа и демонтажа моноопорного основания с плавсредства с малой шириной бурового проема, а также увеличения КПД передачи энергии удара от забивного снаряда сваям нижней секции основания при одновременном сохранении требуемой качественной геологической информации из скважины и надежной стабилизации основания на дне моря.
Предлагаемые буровое моноопорное основание и устройство для его стабилизации на дне моря включающие нижнюю секцию основания с центральным сквозным цилиндрическим отверстием и трубчатыми сваями, удаленными к периферии на расстояние, при котором погружаемые в дно сваи не нарушают физико-механических свойств грунтов, исследуемых впоследствии при бурении скважины с бурового плавсредства с «П» -образным проемом, забивной снаряд с центральным сквозным отверстием
для погружения ударами элементов нижней секции в грунт морского дна, верхнюю секцию из труб, соединяемых между собой при помощи резьбы или фланцев, центратор движения забивного снаряда, жестко соединяющий нижнюю секцию основания с верхней, обеспечивают получение технического результата за счет того, что: а) нижняя секция и забивной снаряд выполнены в форме прямоугольников и в каждом из четырех углов нижней секции установлена трубчатая свая, причем длины коротких сторон нижней секции и забивного снаряда меньше ширины проема бурового плавсредства и расстояние каждой сваи от центра прямоугольной нижней секции по ее диагонали составляет не менее 1 м; б) основная масса забивного снаряда сконцентрирована у его двух противоположных коротких сторон, образуя две ударяющие площадки, и соответственно этим площадкам у противоположных коротких сторон нижней секции непосредственно над ее сваями сформированы две ударяемые площадки; в) сквозное отверстие в забивном снаряде выполнено квадратным и по длине центратора установлены направляющие, фиксирующие положение забивного снаряда в плане в процессе его расхаживания при нанесении ударов по ударяемым площадкам нижней секции основания.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема бурового моноопорного основания с устройством для его стабилизации на дне моря в начале его стабилизации (погружения в грунт), на фиг.2 - вид основания по сечению А - А на фиг.1, на фиг.3 - вид основания по сечению Б - Б на фиг.1.
Буровое моноопорное основание и устройство для его стабилизации на дне моря состоит из: нижней секции, включающей трубчатые сваи 1 и жестко соединяющую их верхние концы прямоугольную наковальню 2 с центральным сквозным цилиндрическим отверстием; трубчатого центратора 3, соединенного при помощи фланца 4 с наковальней 2; верхней секции труб 5, соединенных между собой и с центратором 3 при помощи фланцев 6; прямоугольного забивного снаряда 7 со сквозным центральным отверстием
квадратного сечения и с жестко смонтированными на забивном снаряде проушинами 8 для его соединения с тросом; узла подвески забивного снаряда 7, включающего тросовую петлю 9, уравновешивающую дугу 10, дополнительные элементы 11, скобу вертлюжную 12 и трос 13 лебедки плавсредства. По всей длине внешней поверхности центратора 3 установлены направляющие 14 (вариант - трубчатые) для обеспечения направленного соударения забивного снаряда 7 и наковальни 2 площадками, передающими максимум энергии удара сваям 1.
Стабилизация бурового моноопорного основания на дне моря осуществляется следующим образом.
Все элементы бурового моноопорного основания и устройства для его стабилизации в грунте морского дна располагаются на палубе бурового плавсредства (на фиг. не показано). С прямоугольной наковальней 2 жестко соединяются четыре трубчатые сваи 1, собранная нижняя секция основания опускается в «П» - образный проем плавсредства и подвешивается, например, на двух патрубках. На наковальню 2 нижней секции устанавливается трубчатый центратор 3 с жестко соединенными с его наружной поверхностью направляющими 14 и при помощи фланца 4 болтами центратор 3 жестко соединяется с нижней секцией основания. При помощи буровой вышки и лебедки плавсредства на центратор 3 одевается и сажается на наковальню 2 забивной снаряд 7, причем сажается так, чтобы короткие стороны забивного снаряда 7 (ударяющие площадки) совпадали с короткими сторонами наковальни 2 (ударяемыми площадками). К проушинам 8 забивного снаряда 7 подсоединяется тросовая петля 9, пропущенная через уравновешивающую дугу 10, и уравновешивающая дуга 10 фиксируется на палубе плавсредства. Длина тросовой петли 9 подбирается в соответствии с глубиной моря в точке бурения скважины добавлением необходимой длины соединительных элементов 11. Далее на тросе 13 с вертлюжной скобой 12 вывешиваются трубы 5 верхней секции, поочередно соединяются между собой при помощи фланцев 6 и опускаются, наращивая
верхнюю секцию трубами 5, до упора свай 1 основания в дно моря, подсоединяется вертлюжная скоба 12 на тросе 13 к уравновешивающей дуге 10, и погружаются сваи 1 в грунт при расхаживании забивного снаряда вверх и вниз и при нанесении им ударов по наковальне 2.
После погружения свай 1 на необходимую глубину в грунт на верхнем конце верхней секции моноопорного основания монтируются буровые механизмы и осуществляется бурение.
По завершении бурения скважины моноопорное основание демонтируется в следующей последовательности. При помощи лебедки и вышки плавсредства с моноопорного основания снимаются буровые механизмы. Затем моноопорное основание извлекается из грунта и далее, по мере подъема, разъединяются все трубы 5 верхней секции и укладываются на палубе плавсредства. Для ускорения монтажа и стабилизации моноопорного основания на следующей точке бурения нижнюю секцию с соединенными с ней сваями 1 и центратором 3 и установленным на ее наковальне 2 забивным снарядом 7 оставляют в буровом проеме плавсредства подвешенными на патрубках и тросе лебедки.
Выполнение нижней секции моноопорного основания и забивного снаряда в форме прямоугольников с длиной их коротких сторон меньше ширины проема бурового плавсредства позволяет, в отличие от прототипа [1], 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
такой же качественной геологической информации из скважины и надежной стабилизации основания на дне моря, как и при использовании прототипа [1].
Концентрация массы забивного снаряда над его ударяющими площадками и направленное нанесение ударов ими по ударяемым площадкам наковальни, сформированным 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 буровое моноопорное основание и устройство для его стабилизации на дне моря по сравнению с прототипом [1] 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 34197 U1, 27.11.2003 (прототип).
2. RU 2171349 С1, 27.07.2001 (аналог).
3. 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).
4. Пронкин А.П., Хворостовский И.С., Хворостовский С.С. Морские буровые моноопорные основания / Под ред. С.С.Хворостовского. - М.: OOO «Недра-Бизнесцентр», 2002. - 303 с. (аналоги: с.231 - 235, 243 -247).
1. Буровое моноопорное основание, включающее нижнюю секцию основания с центральным сквозным цилиндрическим отверстием и трубчатыми сваями, удаленными к периферии на расстояние, при котором погружаемые в дно сваи не нарушают физико-механических свойств грунтов, исследуемых впоследствии при бурении скважины с бурового плавсредства с П-образным проемом, забивной снаряд с центральным сквозным отверстием для погружения ударами элементов нижней секции в грунт морского дна, верхнюю секцию из труб, соединяемых между собой при помощи резьбы или фланцев, центратор движения забивного снаряда, жестко соединяющий нижнюю секцию основания с верхней, отличающееся тем, что нижняя секция и забивной снаряд выполнены в форме прямоугольников и в каждом из четырех углов нижней секции установлена трубчатая свая, причем длины коротких сторон нижней секции и забивного снаряда меньше ширины проема бурового плавсредства и расстояние каждой сваи от центра прямоугольной нижней секции по ее диагонали составляет не менее 1 м.
2. Буровое моноопорное основание по п.1, отличающееся тем, что основная масса забивного снаряда сконцентрирована у его двух противоположных коротких сторон, образуя две ударяющие площадки, и у противоположных коротких сторон нижней секции непосредственно над ее сваями сформированы две ударяемые площадки.
3. Буровое моноопорное основание по п.1, отличающееся тем, что сквозное отверстие в забивном снаряде выполнено квадратным и по длине центратора установлены направляющие, фиксирующие положение забивного снаряда в плане в процессе его расхождения при нанесении ударов по ударяемым площадкам нижней секции основания.
