Устройство для бурения морских разведочных скважин

Использование: ударное бурение в песчано-илистых отложениях неглубоких скважин в мелководных зонах шельфа при инженерно-геологических изысканиях площадок для строительства нефтегазодобывающих комплексов и портовых сооружений. для разведки морских россыпей полезных ископаемых. Сущность: конструктивное выполнение устройства для бурения морских разведочных скважин, содержащего снабженную породоразрушающим наконечником обсадную трубу, забивной снаряд для ее внедрения, грунтонос, установленный в обсадной трубе с упором в породоразрушающий наконечник, ударное устройство для забивки грунтоноса, причем породоразрушающий наконечник установлен на обсадной трубе с возможностью осевого перемещения на высоту, равную длине отбираемого грунтоносом керна. Технический результат: увеличение проходки за удар, скорости и глубины бурения: уменьшение необходимой энергии удара забивного снаряда, увеличение долговечности его деталей. 1 с.п.ф-лы. 4 фиг.

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для ударного бурения в песчано-илистых отложениях неглубоких (до 20м) разведочных скважин преимущественно в мелководных зонах континентального шельфа. Устройство может использоваться при инженерно-геологических изысканиях площадок для строительства нефтегазодобывающих комплексов и портовых сооружений, а также для разведки морских россыпей полезных ископаемых.

Известно устройство для бурения морских разведочных скважин, содержащее снабженную породоразрушающим наконечником обсадную трубу, забивной снаряд и грунтонос, установленный в обсадной трубе с упором в породоразрушающий наконечник. причем последний жестко соединен с обсадной трубой ([1]. с.57, рис. 11в). Забивной снаряд выполнен в виде снабженного поворотными пластинами груза, скользящего по наружной поверхности обсадной трубы ([1], с.68-73); [2]. Лебедкой, размещенной на плавучей буровой установке (ПБУ). забивной снаряд приподнимают и сбрасывают, нанося удар пластинами по торцу придонной муфты, соединяющей секции обсадной трубы. Во

время отбора керна грунтонос прижат к породоразрушающему наконечнику с помощью груза весом до 800 кг.

Недостатком известного устройства является отставание грунтоноса от породоразрушающего наконечника, вследствие чего выход керна в песчано-илистых отложениях составляет всего 30-40% ([1]. с.61, табл. 11).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для бурения морских разведочных скважин (принятое за прототип), содержащее снабженную породоразрушающим наконечником обсадную трубу, грунтонос, установленный в обсадной трубе с упором в породоразрушающий наконечник, и ударное устройство для забивки грунтоноса и обсадной трубы ([1], стр. 57, рис.11, б). Породоразрушающий наконечник жестко соединен с обсадной трубой. Ударное устройство выполнено в виде ударной штанги, которую лебедкой ПБУ приподнимают и сбрасывают на грунтонос. При этом грунтонос, породоразрушающий наконечник и обсадная труба перемещаются как одно целое. Отставание грунтоноса в данном устройстве (в отличие от вышеприведенного аналога) не происходит.

Недостатком прототипа являются большие потери энергии ударного механизма и, как следствие, уменьшение проходки за удар, скорости и максимальной глубины бурения.. Потери энергии удара вызваны следующими обстоятельствами.

1) Водонасыщенные песчано-илистые донные отложения относятся к неустойчивым породам, оказывающим давление на наружную стенку обсадной трубы и трение при ее перемещении. Доля энергии, расходуемой на преодоление трения наружной поверхности обсадной трубы о грунт, составляет около 90% энергии удара, а максимальная проходка за удар с энергией 1000 дж уменьшается до 1 мм уже на 10-метровом расстоянии забоя от поверхности дна ([3]. с.58-63).

2) При забивании грунтоноса на обсадную трубу действует растягивающее усилие, вызывающее продольную деформацию трубы, пропорциональную ее длине. Потери энергии удара на продольную деформацию обсадной трубы длиной, например. 60 м достигает 60% ([4]. с.185-187) без учета потерь энергии удара на преодоление трения трубы о грунт.

Заявляемая полезная модель позволяет увеличить проходку за удар. скорость и глубину бурения.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для бурения морских разведочных скважин, содержащем снабженную породоразрушающим наконечником обсадную трубу, забивной снаряд для ее внедрения, грунтонос, установленный в обсадной трубе с упором в породоразрушающий наконечник, и ударное устройство для забивки

грунтоноса, породоразрушающий наконечник установлен на обсадной трубе с возможностью осевого перемещения, величина которого равна высоте отбираемого грунтоносом керна.

На чертеже схематично показаны последовательные положения заявляемого устройства в процессе отбора керна:

Фиг.1 - спуск на дно обсадной трубы с грунтоносом и забивным снарядом;

Фиг.2 - спуск в скважину ударного устройства, забивка грунтоноса и породоразрушающего наконечника в пласт:

Фиг.3 - подъем ударного устройства из скважины и настройка ловителя на захват грунтоноса;

Фиг.4 - подъем ударного устройства с грунтоносом на поверхность и внедрение обсадной трубы.

Устройство для бурения морских разведочных скважин содержит обсадную трубу 1, снабженную породоразрушающим наконечником 2; забивной снаряд 3 для внедрения обсадной трубы 1: грунтонос 4. установленный в обсадной трубе с упором в породоразрушающий наконечник 2: ударное устройство 5 для забивки грунтоноса 4. Породоразрушающий наконечник 2 установлен на обсадной трубе 1 с возможностью осевого перемещения на высоту Н. равную длине отбираемого грунтоносом 4 керна 6.

Забивной снаряд 3 выполнен в виде кольцевого груза, свободно одетого на обсадную трубу 1. снабженного двумя шарнирно соединенными с ним полукольцевыми' пластинами 7. и подвешенного на тросе 8 выше придонной муфты 9. Ударное устройство 5 гравитационного действия снабжено ловителем 10. который можно заблокировать на время забивки грунтоноса (Фиг.2) и разблокировать перед его подъемом (Фиг.3). Ударное устройство 5 поднимают и сбрасывают на грунтонос с помощью троса 11 лебедки. размещенной на ПБУ. Кроме гравитационного можно использовать ударные устройства с - электро-, гидро-, пневмоприводом (см.. например. [5]). энергия единичного удара которых достаточна для забивки породоразрушающего наконечника 2. Это же относится к забивному снаряду 3. Для внедрения обсадной трубы применимы гравитационные снаряды надводного исполнения (см.. например. [1]. с.57. рис.11. а), а также гидромолоты. пневмомолоты. как в надводном, так и в подводном исполнении, обеспечивающие достаточную скорость бурения.

Работает устройство для бурения морских разведочных скважин следующим образом. Устройство, приведенное в положение, показанное на Фиг.1 (последовательность операций сборки обсадной трубы и забивного снаряда см. [1], с.69), опускают на тросе 8 до упора в поверхность дна. Грунтонос 4 можно заранее (на палубе

ПБУ) опустить в нижнюю секцию обсадной трубы 1 до упора в породоразрушающий наконечник 2, либо сбросить грунтонос в скважину позже, когда обсадную трубу опустят до дна.

На тросе 11 в скважину опускают ударное устройство 5, ловитель 10 которого заблокирован. Поднимая и сбрасывая на грунтонос 4 ударное устройство 5, забивают грунтонос 4 вместе с породоразрушающим наконечником 2 в исследуемый пласт на высоту осевого перемещению Н наконечника 2, вырезая в пласте керн 6 такой же длины (Фиг.2).

Обсадная труба 1 во время забивки породоразрушающего наконечника 2 остается на месте, т.е. энергия удара на ее перемещение не расходуется. Вся энергия удара идет на преодоление сопротивления грунта по лобовой поверхности породоразрушающего наконечника (около 40%) и сил трения грунта по наружной и внутренней поверхностям. породоразрушающего наконечника (около 60% энергии единичного удара, включая энергию, расходуемую на преодоление трения грунтоноса о керн).

В мелкозернистых песках расчетная максимальная проходка за удар с энергией 1000 дж при 4-метровом расстоянии забоя от поверхности дна равна 12 мм (у прототипа 2,3 мм); при 10-метровом расстоянии забоя - 9 мм (у прототипа 0,7 мм); при 20-метровом расстоянии забоя - 8 мм (у прототипа 0.2 мм). Таким образом, чистая скорость бурения (без учета потерь времени на вспомогательные операции) заявляемым устройством в начальной стадии почти в 5 раз больше, чем скорость бурения известным устройством, и разница эта увеличивается по мере внедрения обсадной грубы в исследуемый пласт. Примерно такое же соотношение максимально достижимых глубин бурения: в известном устройстве проходка практически прекращается на 10-метровой отметке, а заявляемым устройством можно достаточно эффективно бурить до 20 и более метров.

Дальнейшие операции можно проводить по следующим двум вариантам.

1) Не поднимая грунтонос 2 на поверхность, осаживают обсадную трубу 1 до упора в породоразрушающий наконечник 2, использую при небольшой глубине внедрения вес обсадной трубы и забивного снаряда, а в дальнейшем - удары забивного снаряда 3. Этот вариант предпочтителен при бурении песков, особенно плывунных, когда есть опасность подсоса в полость, образованную забитым в грунт наконечником 2. пород, находящихся ниже наконечника.

2) Перед осаживанием обсадной трубы 1 поднимают грунтонос 4 с отобранным керном 6 на поверхность. Для этого необходимо предварительно поднять на поверхность-ударное устройство 5 и разблокировать его ловитель 10 (Фиг.3). После этого опускают ударное устройство 5 на грунтонос 4 и. захватив его грибок ловителем 10, поднимают

грунтонос на поверхность для разгрузки керна. Во время разгрузки осаживают обсадную трубу 1 до упора в породоразрушающий наконечник 2, используя вес обсадной трубы и забивного снаряда, а при недостатке веса - удары забивного снаряда 3 по придонной муфте 9 (Фиг.4). Этот вариант возможен при проходке относительно плотных илов и глин, где нет опасности подсоса грунта из призабойной зоны.

После подъема на поверхность и разблокирования ловителя 10 разъединяют ударное устройство 5 и грунтонос 4, а затем извлекают керн 6. Освобожденный от керна грунтонос 4 вновь бросают в скважину до упора в породоразрушающий наконечник 2 и цикл отбора керна повторяют.

По мере внедрения обсадной трубы в исследуемый пласт ее наращивают дополнительными секциями, соединяя их муфтами. После забивки обсадной трубы до положения, при котором нижняя муфта 9 дойдет до дна. забивной снаряд 3 тросом 8 поднимают на высоту, при которой пластины 7 установятся выше следующей муфты.

Благодаря конструктивным отличиям заявляемого устройства для бурения морских разведочных скважин, достигается следующий технико-экономический результат.

1. При одной и той же относительно небольшой энергии скважинного ударного устройства 5 проходка за удар. скорость бурения и максимально достижимая глубина бурения заявляемым устройством в 5 раз больше, чем известным, причем эта разница возрастает по мере увеличения глубины скважины.

2. Благодаря разделению во времени бурения кольцевого забоя под обсадной трубой 1 и ее внедрения существенно уменьшается энергия единичного удара забивного снаряда 3. Исключается энергия, необходимая на преодоление сил сопротивления грунта по лобовой и боковым поверхностям породоразрушающего наконечника 2. а остается энергия, необходимая на преодоление трения наружной поверхности обсадной трубы 1 о грунт и энергия, компенсирующая потери на упругие деформации обсадной трубы.

3. Уменьшенная сила удара подводного забивного снаряда 3 увеличивает срок службы его полукольцевых пластин 7 и соединительных муфт 9 обсадной трубы 1. Именно из-за быстрого выхода из строя указанных деталей (наклеп, деформация резьб и пр.) подводный забивной снаряд [2] не получил широкого практического применения в известных устройствах для бурения морских разведочных скважин, поскольку на замену и ремонт изношенных деталей тратилась значительная часть дорогостоящего рабочего времени, делая использование подводного забивного снаряда нерентабельным.

ИСТОЧНИКИ ПО УРОВНЮ ТЕХНИКИ

1. Асеев А.Г., Распопов В.М., Хворостовский С.С. Бурение разведочных скважин на шельфе. М.: Недра, 1988. - 198с.: ил. (прототип на стр. 57, рис.11, б).

2. А.С. 1173001 СССР. Устройство для забивки обсадных труб. Авт. изобрет. В.С.Владиславлев, С.С.Хворостовский, С.В.Попов. -Заявл.. 13.03.84 (3709365/29-33). Опубл. В Б.И., 1985, №30.

3. Ребрик Б.М. Ударное бурение грунтов. М., «Недра», 1976, 232с.

4. Пронкин А.П., Хворостовский С.С. Прогнозирование направлений развития разведочного бурения на шельфе. -М.: ООО «Недра- Бизнесцентр», 1999. - 300с.: ил.

5. Патент RU28180U1. Пневмоударный грунтонос./Ю.Л.Гаранько - №2002132409: Заявлено 05.10.2002. Опубл. 10.03.2003 Бюл.№7.

Устройство для бурения морских разведочных скважин, содержащее снабженную породоразрушающим наконечником обсадную трубу, забивной снаряд для ее внедрения, грунтонос, установленный в обсадной трубе с упором в породоразрушающий наконечник, и ударное устройство для забивки грунтоноса, отличающееся тем, что породоразрушающий наконечник установлен на обсадной трубе с возможностью осевого перемещения на высоту, равную длине отбираемого грунтоносом керна.