Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Совершенствование технологии бурения инженерно-геологических скважин на море

ВАК РФ 25.00.14, Технология и техника геологоразведочных работ

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Хворостовский, Игорь Станиславович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. УСЛОВИЯ И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН НА МОРЕ.

1.1 Параметры инженерно-геологических скважин и основные геолого-методические требования к их бурению.

1.2. Условия бурения скважин на море.

1.3. Возможности различных типов морских буровых оснований.

1.4. Опыт бурения на море с моноопорных оснований.

1.5. Задачи исследований.

Глава 2. ОСОБЕННОСТИ И ИНФОРМАТИВНОСТЬ СПОСОБОВ <* БУРЕНИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ

СКВАЖИН НА МОРЕ.

2.1. Особенности кернообразования при ударном и вибрационном погружении обсадных труб в породы на суше и на море.

2.2. Влияние скорости погружения керноприемника в породы на качество и выход керна.

2.3. Оценка способов бурения инженерно-геологических скважин на море.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Совершенствование технологии бурения инженерно-геологических скважин на море"

Бурение инженерно-геологических скважин (ИГС) на морских акваториях — один из методов исследования при изысканиях для проектирования и строительства портовых и берегоукрепительных сооружений, опорных оснований для бурения нефтегазовых скважин, приливных электростанций и пр.

Эволюция технологии бурения ИГС на море идет преимущественно по пути механического переноса и распространения способов и технических средств, успешно применяемых для бурения скважин на суше. В результате такого формального подхода не удается достичь требуемых при инженерных изысканиях геологической информативности и экономической эффективности бурения. Проблемы связаны, в первую очередь, с наличием над устьем скважины водного пространства и обводненностью разбуриваемых пород, необходимостью применения специальных оснований для размещения бурового оборудования, зависимостью процесса бурения от гидрометеорологических условий.

Цель настоящей работы - предложить пути повышения качества и экономической эффективности бурения инженерно-геологических скважин на море за счет проведения комплекса исследований по вопросам определения рациональных способов и режимов бурения; создания специализированных технологий и технических средств. Выполнение работы направлено на решение задач отраслевого и государственного значения, сформулированных в "Долгосрочной государственной программе изучения и воспроизводства минерально-сырьевой базы на период 2005-2020 годов", отраслевой программе на 2003-2010 годы "Разработка новых технических средств и технологий морских геологоразведочных работ".

Краеугольной проблемой для бурения ИГС на море является выбор бурового основания. Качественно бурить ИГС с качающегося на волнах плавсредства затруднительно. Строить и использовать для этих целей специализированные суда со сложными динамическими системами позиционирования и стабилизации на точке бурения неоправданно по экономическим соображениям.

С точки зрения получения высокой информативности бурить ИГС рационально с оснований, опирающихся о дно. Негативное влияние волнения на технологические процессы при бурении с таких оснований минимизируется.

Среди опирающихся о дно моря буровых оснований наибольшее распространение получили самоподъемные на выдвижных опорах (СОО). Однако их традиционные конструкции дорогостоящи, а возможности применения ограничены узким интервалом глубин моря. Например, по данным судостроительного завода г.Астрахани стоимость СОО для бурения ИГС глубиной до 100 м по породам на акваториях глубиной 10-20 м составляет более 6 млн.долл.США.

Идея диссертации: бурить инженерно-геологические скважины на море с опирающегося в дно моря трубчатого одноколонного (моноопорного) основания (МО). Верхний конец МО с установленным на нем буровым станком должен возвышаться над морем, а нижний - стабилизироваться на дне.

При бурении с МО минимизируется влияние волнения на технологические процессы. МО одновременно выполняет функции опоры для станка, направляющей и водоотделяющей колонны, характеризуется простотой конструкции, низкой стоимостью изготовления, транспортировки и эксплуатации, надежностью стабилизации независимо от рельефа дна. Технологии его стабилизации и демонтажа аналогичны технологиям погружения и извлечения обсадных труб.

Эффективность бурения с МО экспериментально подтверждена специалистами МГРИ еще в1977-79 гг при бурении скважин на акваториях Балтийского моря. Для решения конкретных задач бурение по этой схеме впоследствии осуществляли зарубежные фирмы. Однако из-за отсутствия серьезных исследований по выбору рациональных параметров и конструкций МО и буровых станков эта технология на производстве широко не применяется.

В работе поставлены и решены следующие основные задачи: обоснованы рациональные способы, режимы, технические средства бурения ИГС на море; обоснована эффективность бурения ИГС на море с МО; определены технические требования к буровой установке и схемам выполнения технологических процессов при бурении ИГС на море с МО; спроектированы и созданы морская буровая установка (МБУ "Старт") с дистанционным управлением и комплекс специализированного бурового инструмента для нее; разработана и экспериментально исследована технология бурения МБУ "Старт" с МО; разработаны теоретические основы проектирования и методы расчета прочности МО; создана рациональная конструкция МО; разработана и исследована в натурных условиях технология стабилизации МО на дне моря и его извлечения из грунта.

Работа состоит из введения, шести глав, заключения и трех приложений.

В первой главе рассмотрены условия бурения на шельфе, представлены обзор и результаты отечественного и зарубежного опыта, обоснована целесообразность бурения ИГС с МО, сформулированы задачи исследований.

Во второй главе приведены результаты исследований отбора грунта различными способами, теоретически обоснована зависимость качества проб от геометрии и скорости погружения грунтоноса в грунт в скважине, заполненной водой, рекомендованы рациональные способы и режимы бурения ИГС на море.

В третьей главе представлены механико-математическое описание МО и нагрузок на него, расчетная схема, уравнения равновесия и колебаний МО; исследована зависимость напряжений в МО от их геометрии и условий работы.

В четвертой главе обоснованы модель работы и методика расчета прочности грунтовой заделки МО, требования к конструкциям МО, станка, бурового инструмента, приведены характеристики созданных МБУ "Старт", комплекса бурового инструмента КСБИ-127 и двухступенчатого МО.

В пятой главе изложены результаты натурных исследований технологии бурения МБУ "Старт" с МО, стабилизации и извлечения МО из грунта дна, монтажа и регулирования азимутальной ориентации станка на МО.

В шестой главе подтверждены расчетами и практическими результатами высокие потенциал и эффективность технологии бурения ИГС с МО.

В заключении изложены обобщающие выводы и рекомендации.

В приложении приведены алгоритмы решений уравнений равновесия и колебаний МО, расчет экономической эффективности от внедрения новой технологии бурения и экспертная оценка ВИЭМС этого расчета.

Заключение Диссертация по теме "Технология и техника геологоразведочных работ", Хворостовский, Игорь Станиславович

5.7. Выводы и рекомендации по главе 5

Полученные результаты экспериментальных исследований по отработке рациональных технологических схем, конструкций технических средств и технологии бурения ими позволяют сформулировать следующие основные выводы и рекомендации для их совершенствования.

1. Экспериментально подтверждено, что по качеству отбираемых проб и производительности бурения ИГС на море наиболее рациональны съемные прямоточные (равного сечения, открытые сверху) грунтоносы. В этой связи КСБИ-127 следует доукомплектовать такими грунтоносами.

2. При бурении на море с МО крепить скважину обсадными трубами следует при снятом с МО станке. Это освобождает МО от больших динамических знакопеременных нагружений и исключает возможность его осадки.

3. Грунты морского дна в большинстве случаев сильно обводненные. Начинать погружение в них МО следует со сбрасывания его с установленным на наковальне ЗС с максимально возможной высоты. Это обеспечивает большую скорость и вертикальность погружения МО в грунт.

4. Стабилизировать МО и бурить с него ИГС на море предпочтительно по разработанной диссертантом технологической схеме, изложенной в разделе 5.6.

5. Разработанные, апробированные экспериментально и внедренные в производство способ и трубный переходник с крепежными каналами вместо отверстий в его фланце положительно решают проблему регулирования положения бурового станка МБУ "Старт" на МО в азимутальном направлении.

6. Разработанное и внедренное в производство техническое решение для осуществления способа изменения длины навески ЗС по мере изменения расстояния между верхним концом МО и его наковальней конструктивно просто и приемлемо для стабилизации МО в районах шельфа с незначительным уклоном дна.

7. Извлекать МО из грунта при его демонтаже следует совместными усилиями рекомендуемого диссертантом нового гидравлического способа и лебедки, оснащенной талевой системой с многострунной оснасткой.

8. Конструктивная схема станка МБУ "Старт" учитывает характер работы МО как высотного сооружения и отвечает требованиям, предъявляемым к бурению картировочных, разведочных и инженерно-геологических скважин на море вращательным и вдавливающим способами.

9. Конструкцию бурового станка необходимо дополнить держателем обсадной колонны труб диаметрами 0,146-0,168 м. Его желательно установить ниже имеющегося гидравлического держателя труб диаметрами от 0,063 до 0,127 м.

10. Площадку бурового станка обязательно оборудовать системой, предотвращающей попадание в море масла в случае разгерметизации масляных рукавов и узлов их крепления к механизмам бурового станка на МО.

11. Трубный переходник, соединяющий площадку бурового станка с МО, необходимо снабдить патрубком под шланг для отвода обратного потока воды со шламом, выходящего из скважины в процессе бурения.

В целом, изготовлена и успешно внедрена принципиально новая конструкция бурового станка, учитывающая особенности работы морского бурового МО. Механизм подачи бурового снаряда с симметричным относительно оси МО расположением гидроцилиндров и узлов их крепления уменьшил изгибные колебания МО при бурении. Вращатель с двумя гидродвигателями создает необходимый крутящий момент при значительно меньшем давлении масла в гидросистеме, чем с одним гидродвигателем. А это уменьшает вероятность протечек масла в соединениях маслошлангов.

Электрогидравлическое управление работой механизмов бурового станка позволяет управлять процессом бурения дистанционно, без нахождения бурового персонала на площадке МО, а также сократить количество масляных шлангов высокого давления для работы 4-х основных механизмов потребителей с 12 до 4. В результате облегчаются условия монтажа и демонтажа гидросистемы, повышается безопасность и экологичность работ.

С МО возможно также бурение разведочных и картировочных скважин. Станок для их бурения должен отличаться уменьшенной величиной усилия подачи вниз и увеличенной частотой вращения. Перспективным для этих целей является привод вращателя от двух симметрично или одного центрально расположенных электродвигателей постоянного тока. Вращатели с приводом от электродвигателей наиболее экологичны, что для бурения на акваториях крайне важно. Идеи, заложенные в конструкции МБУ "Старт", могут быть полезны разработчикам станков для бурения на суше.

Глава 6. ВОЗМОЖНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ БУРЕНИЯ СКВАЖИН НА ШЕЛЬФЕ С МОНООПОРНЫХ ОСНОВАНИЙ

Выше показано, что бурение ИГС на шельфе с МО, по сравнению с другими известными технологиями, имеет ряд преимуществ. Однако вывод о возможностях, экономической эффективности и, следовательно, перспективах внедрения в производство предлагаемой технологии бурения скважин на море с МО можно сделать только по результатам ответов на следующие вопросы: 1) как велики площади шельфа, на которых эту технологию возможно успешно применять; 2) насколько эффективны затраты на изготовление нового оборудования и внедрение предлагаемой технологии по сравнению с отдачей.

Для ответа на первый вопрос необходимо определить, на каких глубинах акваторий при рабочих технологических нагрузках и гидрометеорологических условиях МО удовлетворяет требованиям прочности и надежности, которые к нему предъявляются, а на каких уже нет. Решение этой задачи следует начать с обоснования критерия и методики оценки его прочности и надежности. Для ответа на второй вопрос необходимо рассчитать и оценить экономическую эффективность от внедрения новой технологии бурения скважин на море с МО.

6.1. Методика и критерий оценки прочности и эксплуатационной надежности моноопорного основания

Наиболее часто на практике поверочные расчеты выполняют по допускаемому напряжению [ст]. В расчетах на прочность стальных конструкций допускаемое напряжение представляет собой отношение предела текучести материала конструкции сгт на коэффициент запаса Ко. В расчетах на выносливость величину [а] устанавливают по отношению к пределу выносливости материала.

Расчеты на статическую прочность выполняют практически для всех конструкций. При этом рассматриваются наихудшие экстремальные условия эксплуатации, а внешним силовым факторам присваиваются максимально возможные их значения. Если же в состав внешней нагрузки входит нагрузка, имеющая динамический характер, то либо дополнительно производят расчет на динамическую прочность, либо, оставаясь в рамках решения задачи в статической постановке, завышают максимальное значение этой нагрузки путем его умножения на соответствующий коэффициент динамичности Кд (см. главу 3).

Расчет на выносливость выполняют, если конструкция воспринимает многократно повторяющиеся нагрузки с количеством циклов нагружения 100 тыс. и более [70]. Необходимость таких расчетов при переменных напряжениях обусловлена эффектом понижения прочности из-за прогрессивно развивающихся микротрещин в конструктивно ослабленных зонах и опасных сечениях.

Количество циклов Ин нагружения МО связано с периодом Тв волновой нагрузки соотношением Мн = Тэ / Тв, где Тэ - время эксплуатации МО. В диапазоне высот волн от 0,25 до 3 м их период составляет от 2 до 7с (см. табл.4) и с ростом высоты волн увеличивается. Время от начала до окончания бурения скважины обычно не превышает 1-2 световых дня. С учетом темного времени суток можно считать, что нахождение МО на скважине ограничено в большинстве случаев 36 часами. За 36 час. при высоте волн 0,25 м волновая нагрузка произведет около 65 тыс., а при высоте волн 3 м - около 18,5 тыс. циклов нагружения МО. В обоих случаях количество циклов нагружения меньше того, по достижении которого предусмотрено выполнять расчеты на выносливость.

Однако при многократном повторном использовании труб МО общее число циклов нагружения, воспринятых ими от волновой нагрузки, может превысить порог 100 тыс. (хотя при различной ориентации труб МО относительно движения волн, меняющихся гидрологических условиях и величине технологической нагрузки простое суммирование циклов нагружения неприемлемо).

При расчетах на усталостное разрушение в качестве напряжения предельного состояния принимается предел выносливости, уменьшенный на коэффициенты, учитывающие концентрацию напряжений, абсолютные размеры конструкции, асимметрию цикла нагружения и некоторые другие факторы. Значение предела выносливости для сталей примерно в 2 раза меньше предела текучести. Очевидно, что необоснованное решение о необходимости расчета МО на выносливость приведет к значительному снижению значения допустимого напряжения. Это сузит область практического применения МО или потребует их изготовления из дорогостоящих высокопрочных сталей.

Представляется, что в настоящее время следует ограничиваться расчетами МО только на статическую и динамическую прочность. Располагая уравнениями, описывающими напряженное состояние МО, и методиками их решения для выполнения поверочного расчета по допускаемым напряжениям остается решить только вопрос о значении коэффициента запаса прочности Кст.

Коэффициент Ко должен учитывать влияние тех факторов, которые оказывают существенное влияние на надежность эксплуатации конструкции. К числу этих факторов относятся: неоднородность механических свойств материала; наличие местных напряжений; неточности при определении величин и характера действия нагрузок; приближенность методов расчета напряжений; специальные требования по ответственности, безопасности и т. п.

Правильно оценить и учесть при расчетах долю влияния каждого из перечисленных факторов в отдельности часто сложно. Поэтому обоснованный выбор коэффициента запаса является ответственной задачей. Занижение его величины способно повлечь разрушение конструкции. Увеличение этого коэффициента сверх необходимого значения приведет к увеличению массы, габаритов, стоимости изготовления и эксплуатации МО. Таким образом, требование по надежности вступает в противоречие с требованием по экономичности.

При выборе коэффициентов запаса для проектируемых конструкций целесообразно сравнивать условия их эксплуатации с условиями эксплуатации конструкций, подобных им и удовлетворительно работающих. Руководствуясь этим, при выборе коэффициента запаса для МО стоит обратить внимание на накопленный опыт эксплуатации на шельфе обсадных и бурильных колонн.

Анализ литературы по теории и практике работы колонн бурильных и обсадных труб при бурении скважин с плавоснований показывает, что в расчетах их прочности коэффициент запаса назначают в диапазоне 1,3 - 1,5 [63, 74]. Динамический характер действующих нагрузок, в том числе и волновой, учитывают, увеличивая их максимальные значения в 1,2-1,3 раза.

Очевидно, что механическое распространение такого подхода на морские буровые МО неприемлемо. Как показано в главе 3 коэффициент динамичности по изгибающим моментам и напряжениям для МО может быть больше 1,3.

Существенным недостатком метода расчета по допускаемым напряжениям является то, что многообразие факторов, влияющих на прочность, учитывается только одним общим коэффициентом запаса. Это приводит к тому, что прочностная способность спроектированных конструкций часто используется далеко не полностью. Рабочие напряжения в них оказываются значительно ниже опасных. С точки зрения экономической эффективности (стоимости изготовления, транспортировки и т.п.) такие конструкции не оптимальны.

Устанавливая единый коэффициент запаса, сложно судить и о запасе прочности конструкции, работающей в условиях возможных перегрузок. Покажем, например, какое влияние на напряженное состояние в МО оказывает изменение величины волновой нагрузки.

Из рис.3.9 следует, что зависимость ст от к для буровых МО близка к линейной. Однако коэффициент пропорциональности между величинами а и к (угол наклона кривых на рисунке) не постоянен для МО с разными характеристиками и установленных на разных глубинах моря. Увеличение высоты волны от одного и того же значения на одну и ту же величину может в различных условиях привести к росту напряжения в различное количество раз. Следовательно, для различных условий эксплуатации зависимость коэффициент запаса по напряжениям Кд от коэффициента запаса по высоте волны не однозначна.

Результаты главы 3 свидетельствуют, что для различных условий эксплуатации также не будет однозначной и зависимость К^ от коэффициентов запаса по другим нагрузкам. Таким образом, сделать корректный вывод о возможности восприятия МО перегрузок без нарушения ее работоспособности, используя метод расчета по допускаемым напряжениям, затруднительно.

На практике при расчете МО более целесообразно использовать дифференциальный метод назначения коэффициентов запаса. В этом методе возможность отклонения в неблагоприятную сторону величин факторов, влияющих на напряженное состояние конструкции, учитывается путем введения коэффициентов запаса по каждому из этих факторов отдельно.

Введем обозначения: К01 - коэффициент запаса, учитывающий неоднородность свойств (надежность) материала и отступления, допущенные при изготовления МО, от заданной геометрии; К02 - коэффициент запаса, учитывающий упрощения и допущения, введенные в расчетные схемы и методы определения максимальных напряжений в МО; К1 - коэффициент запаса, отражающий достоверность определения величины и возможность перегрузок для реактивной технологической силы; К2 - коэффициент запаса, отражающий приближенность методов определения параметров волновой нагрузки и возможность образования волн с высотой большей, чем максимальная нормативная, соответствующая режимам волнения, при которых возможна эксплуатация МО.

К силам тяжести буровых механизмов и МО понятие перегрузок не применимо. Они постоянны и могут быть рассчитаны с высокой точностью.

Влияние на напряженное состояние МО местных напряжений незначительно. Появление локальных пластических деформаций не представляет опасности для прочности стальных конструкций в целом. Поэтому коэффициент запаса по местным напряжениям для МО можно не вводить. Специфических требований по безопасности для бурения с МО по схеме с дистанционным управлением не предъявляется, условия ее эксплуатации не относятся к особым и неблагоприятным. Коэффициент запаса по назначению МО также не вводим.

Коэффициенты К01 и К02 учитывают, уменьшая последовательно в соответствующее количество раз значение действительного предела текучести материала. В результате получают так называемый расчетный предел текучести.

Возможность превышения нормативных значений реактивной технологической силой Р в К] раз и высотой к волны в К2 раз учитывают умножением этих коэффициентов соответственно на нормативные величины силы Р и параметра Ь. Для учета в решении динамического характера волновой нагрузки ее равнодействующую, определенную с учетом возможности образования волны с высотой большей, чем максимальная расчетная (т.е. с учетом введения коэффициента К2), умножают дополнительно на коэффициент динамичности Кд. Максимальные напряжения в МО, рассчитанные с учетом коэффициентов К], К2, Кд должны оставаться меньше расчетного предела текучести материала.

При кратковременных перегрузках, незначительно превышающих предел текучести, возникающие в МО пластические деформации достаточно малы и не приводят к потере ее несущей способности и разрушению. Поэтому при достаточной точности методов расчета величины коэффициентов запаса К5, К2 и Кд для МО можно назначать минимальными.

В нормативной литературе по проектированию морских стационарных буровых платформ дано указание1 по назначению коэффициента запаса по вертикальным перегрузкам (аналога коэффициента запаса К1). Его рекомендовано принимать равным 1,2. Столь высокое значение обусловлено необходимостью учета динамической составляющей нагрузок от работы двигателей и механизмов, которая возникает в пусковых режимах и при внезапном изменении сопротивления пород разрушению на забое.

При бурении разведочных скважин с МО для создания технологических усилий используют преимущественно гидравлическое оборудование. Создаваемые им усилия даже при внезапном возрастании сопротивления пород на забое в процессе бурения практически не приводят к динамическим эффектам.

Для рационально спроектированных МО напряженное состояние при действии сжимающей реактивной технологической силы не опасно. Перегрузки в силе Р в этот период, наоборот, приводят к уменьшению напряжения в МО (см. рис. 3.7). Назначение коэффициента запаса по сжимающей технологической силе здесь теряет физический смысл. Коэффициент К] запаса по реактивной технологической силе для МО следует устанавливать только в расчетах, когда эта сила направлена вверх. Особенности бурения станками с гидроприводом позволяют выбрать этот коэффициент минимальным, например, 1,05.

Инструкция по проектированию морских стационарных платформ (ВСН 51.1-81). - М.: Мингазпром, 1998.

При выборе коэффициента запаса Кг по высоте морской волны и методу расчета волновой нагрузки следует учитывать результаты многочисленных наблюдений за характеристиками элементов волн. Согласно сведениям, приведенным в [61], отдельные волны могут иметь высоту на 20-30 % большую нормативной. В соответствии с нормами проектирования гидротехнических сооружений1 при определении максимальной величины равнодействующей волнового давления по методике документа [67] значение коэффициента запаса (надежности) по точности этого расчета разрешено принимать равным 1. Таким образом, производя расчет МО, допустимо назначать Кг=1,2- 1,3.

Государственным стандартом введены жесткие требования по предельным отклонениям в геометрии обсадных труб, допускаемым при их изготовлении. Например, отклонения по внешнему диаметру могут составлять не более 1%. Высокие требования предъявляются и к однородности материала труб [70]. Поэтому для МО можно принять К01 = 1,05. Учитывая введение ряда допущений при выборе расчетных схем и методов определения внутренних силовых факторов в МО, значение Ког следует выбирать не ниже 1,2.

Дифференциальный подход назначения коэффициентов запаса позволяет проектировать более рациональные по прочности, жесткости и экономичности МО. По существу он идентичен методу расчета по предельным состояниям, который используется при оценке эксплуатационной пригодности конструкций в строительстве и является одним из наиболее прогрессивных в настоящее время.

6.2. Возможности новой технологии бурения скважин с моноопорных оснований на шельфе России

Для оценки возможностей и перспектив внедрения в производство технологии бурения морских скважин с МО численно по методу начальных параметров рассчитаны допустимые высоты МО из труб некоторых серийно выпускаемых промышленностью диаметров. Эти значения сведены в таблицы.

1 СНиП 2.06.01-86 Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования. -М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989

Табл. 6.1 составлена для периода бурения с МО. В этот период МО нагружено силами тяжести буровых механизмов и реактивной технологической. Высота морских волн не превышает 1,5 м. Результаты приведены для условий: механизмы, установленные на МО, имеют массу 2500 кг и расположены с эксцентриситетом е = 0,25 м относительно его оси; максимальное смещение центра масс механизмов вдоль направляющих стоек в процессе выполнения технологических операций -2 м; возвышение МО над уровнем моря -2 м; максимальные растягивающая и сжимающая реактивные технологические силы равны соответственно 60 кН и 25 кН (без учета коэффициента запаса). Расчетные высоты в табл. 7 установлены из условия, что максимальные напряжения в МО не должны превышать допустимого напряжения [а] = стт/1,2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научной работой, содержит комплекс теоретических, опытно-конструкторских и экспериментальных исследований, позволивших создать для инженерно-геологических изысканий на море новую технологию бурения. Технология включает рациональную комбинацию новых способов, технических средств и режимов бурения, которые снижают отрицательное влияние волнения моря на производительность и качество бурения и являются важным вкладом в решение актуальной народно-хозяйственной проблемы разработки прогрессивных технологий и технических средств для геологического изучения и освоения недр морских акваторий. На основе выполненных теоретических, опытно-конструкторских и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы и рекомендации.

1.При бурении инженерно-геологические скважин на море не рекомендуется отбирать пробы грунта забивными грунтоносами, особенно с обратным клапаном. При их применении зафиксировано уплотнение грунта на забое, явление его отрыва от забоя и перемешивания.

2.Бурить инженерно-геологические скважины на море следует вращательным и вдавливающим способами, позволяющими минимизировать прирост давления воды на грунт внутри грунтоноса. По качеству проб и производительности бурения рациональными являются прямоточные съемные грунтоносы.

3. Бурение инженерно-геологические скважины на шельфе эффективно с моноопорных оснований. Эта технология минимизирует влияние волнения на процессы и качество бурения, повышает производительность и снижает стоимость.

4. Расчет волновой нагрузки на моноопорные основания целесообразно выполнять по предложенному достаточно точному алгоритму без обращения к общим нормативам, требующим многочисленных графоаналитических вычислений. Для геометрии и условий эксплуатации моноопорных оснований изменение волнового давления во времени носит гармонический характер.

5. При расчете моноопорных оснований необходимо учитывать следящий характер технологической нагрузки. В моноопорных основаниях, спроектированных без завышения коэффициента запаса, худшее статическое напряженное состояние реализуется при передаче усилия на забой.

6. Проектируемые моноопорные основания следует проверять на возможность развития в них резонансных эффектов от волнения моря. Оптимальными с точки зрения отсутствия резонансного эффекта являются моноопорные основания, для которых отношение частот волновой нагрузки и основной собственной всегда больше 1,4.

7. Для оптимизации напряженного состояния моноопорного основания и режимов бурения целесообразно: использовать станки с симметричным относительно оси моноопорного основания положением привода и мест крепления механизма подачи вращателя; центр масс бурового станка располагать на оси моноопорного основания.

8. При бурении на море с моноопорного основания крепить скважину обсадными трубами необходимо при снятом буровом станке. Это освобождает моноопорное основание от динамических знакопеременных нагружений и уменьшает вероятность его осадки.

9. Значимость разработок подтверждена бурением скважин созданной морской буровой установкой (МБУ) "Старт" и экономическим эффектом, составившим по данным экспершзы ВИЭМС 11 млн. 171 тыс. 840 рублей в год.

Автор благодарит д.т.н., проф. БМ Ребрика и кт.н., проф. АЛ Назарова за научное руководство и помощь в написании диссертации, сотрудников кафедры разведочного бурения МГГРУ за советы по проблемам бурения и специалистов ОАО "Геомаш" и СКБ "Геотехника" за создание новой техники. Особую признательность автор выражает генеральному директору ГНЦ ФГУГП 'Южморгеология", кт.н. АЛ Пронкину и его сотрудникам за финансирование разработок и помощь в проведении экспериментов.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Хворостовский, Игорь Станиславович, Москва

1. АгапчевМЛ и др. Опыт проведения буровых работ на морских нефтегазовых месторождениях Аляски и арктических районов Канады. (Обзор ВНИИЭГАЗПГОМ). М, 1977

2. Афинский АВ. Особенности бурения скважин комплексами КПС-100 в сложных геолого-технических условиях. Сб.: 'Технология бурения геологоразведочных скважин с использованием прогрессивных методов". -М: ВПО "Союзгеотехника", 1983

3. Алимов ОД и др. Теория ударных систем с неторцевым соударением элементов. Изд. "Илим", Фрунзе, 1981

4. Анализ научно-техничского уровня проведения геологоразведочных работ в условиях перехода к рынку. Обзор АОЗТ 'Теоинформмарк" ( С. И Голиков и др.). М., 1995

5. Архангельский ИВ. Морское бурение инженерно-геологических скважин Я, Недра, 1980

6. Асеев А. Г. и др. Бурение разведочных скважин на шельфе. -М, Недра, 1988

7. Афанасьев И.С., Егоров Э.К Основные направления научно-консгрукгорских работ по созданию геологоразведочной буровой техники /Разведка и охрана недр.-1998.-№ 12

8. Бабич В А, Лисагор О.И. Галкин АГ. Оборудование для бурения инженерно-геологических скважин на шельфе. Рига, ВНИИморгео, 1987

9. Баршгейн МФ. и др. Экспериментальное изучение колебаний нефтепромысловых сооружений при нерегулярном волнении. Труды ЦНИИСК, вып. 34. -М: Стройиздат, 1974 Ю.Басин АМ Качка судов. -М, Изд. 'Транспорт", 1969

10. П.Башкагов АД Прогрессивные технологии сооружения скважин. — М, Недра, 2003

11. Башкагов ДИ и др. Вибрационное бурение при инженерно-геологических изысканиях. "Разведка и охрана недр", 1960, № 3

12. Башкагов ДН Планирование эксперимента в разведочном бурении.-М, Недра, 1985

13. Башкагов ДН. Оптимизация процессов разведочного бурения. М, 1997

14. Блинов В Л и др. Разработка технологии бурения морских инженерно-геологических скважин в сложных гидрометеорологических условиях. (Материалы НТК ). ДОНГТУ, 1996

15. Болотин В. В. Неконсервашвные задачи теории устойчивости. -М: Физматгиз, 1961

16. Владиславлев В.С., Хворосговский С.С. Теория и практика работы забивных снарядов при бурении на море. "Изв. высш. учебн. завед.", геол. и разв., 1974, №1.

17. Воронин ГЛ и др. Анализ мирового опыта создания технических средств, используемых при освоении шельфа, и выбор направлений развития техники для арктического шельфа. Материалы П-й Международной конференции. С. Петербург, 1995

18. Глубоководное бурение с судов. "Разработка нефтяных и газовых месторождений." МЯ Гельфгат и дрУ. -М.:ВИНИТИ,Итоги науки и техники, 1988

19. Гужов С. С. Морское бурение за рубежом. М: Недра, 1965

20. Динамический расчет зданий и сооружений /М.Ф. Барштейн и дрУ М: Сгройиздат, 1984.

21. Идельчик ИЕ. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. Госэнергоиздат, 1960.

22. Калинин А.Г., Власюк В .И, Ошкордин ОБ., Скрябин Р.М. Технология бурения разведочных скважин.—М.: Изд. 'Техника", 2004

23. Калинин ИС. Способы извлечения обсадных труб из скважин. — Межвузовский сб. Технология и техника геологоразведочных работ. 1982, № 5

24. Кардыш ВГ., Мурзаков ББ. Совершенствование техники и технологии бурения скважин большого диаметра за рубежом. /Обзор ВИЭМС/. -М, 1975

25. Кардыш ВГ. и др. Энергоемкость бурения геологоразведочных скважин.-М., Недра, 1983

26. КиповскийВЛ, Шелковников ИГ., Кочетов С.О. Конструктивная схема автоматизированного подводного бурового сшнка для геологоразведочного бурения. Изв. вузов 'Геология и разведка", 1985, № 9

27. Киселев А Т., Крусир И Н Вращательно-ударное бурение геологоразведочных скважин. М, 1982

28. Киселев В. А Строительная механика. -М: Сгройиздат, 1980.

29. Козловский ЕА, Ребрик БМ, Калиничев ВН. Комплексная оценка эффективности способов, технических средств и технологии разведочного бурения. М: Геоинформмарк, 1998

30. Козловский ЕА Оптимизация процесса бурения (структура и элементы управления). — М,2000

31. Кренделев ВII, Орьев В А, Шутов Е.Д Способы и технические средства бурения скважин при разведке россыпных месторождений. /Обзор ВИЭМС/. -М, 1981

32. Лачинян Л. А., Угаров С. А Конструирование, расчет и эксплуатация бурильных геологоразведочных труб и их соединений. -М: Недра, 1975

33. Лачинян Л. А. Рабата бурильной колонны.—М: Недра, 1979

34. Лобанов В А Справочник по технике освоения шельфа.-Л., Судостроение, 1983

35. Лукошков AJB. Бурение неглубоких разведочных скважин в море с борта плавсредств. /Техн. и технол.геол-развед. работ; орг.пр-ва: ОбзорВИЭМС.-М, 1980

36. Лукошков А.В. Техника исследования морского дна. -Я, Судостроение, 1984

37. Освоение глубин океана (Сб. материалов). -М, Воениздат, 1971

38. Пановко ЯГ., Губанова ИИ Устойчивость и колебания упругих систем. -М: Наука, 1987

39. Перлей ЕМ, Цукфман Н JL Трубчатые железобетонные сваи и колодцы оболочки для промышленного и гражданского строительства. -М: Сгройиздат, 1969

40. Перспективы инженерно-геологического бурения подюдными буровыми станками-автоматами. /В. Я. Бирюков и др/ Рит: ВНИИМоргео, 1987

41. Применение погружных автономных установок для однорейсового бурения подводных скважин. /Обзор ВИЭМС/. О.И Калиниченко и др. -М, 1988

42. Программа АО "Росшельф" и РАО 'Газпром" освоения арктического шельфа России до 2010г./Материалы II-й Международной конференции "Освоение шельфа арктических морей России"/. (Е.П.Велихов и др.). -С.Петербург, 1995

43. Пронкин АЛ, Хворостовский С.С. Пути ускорения научно-технического прогресса в области разведочного бурения на шельфе. 'Тазведка и охрана недр", 1998, № 12

44. Пронкин А. П., Хворостовский С. С. Прогнозирование направлений развития разведочного бурения на шельфе. — М: ООО "Недра-Бизнесцешр", 1999.

45. Пронкин А. П., Хворостовский И С., Хворостовский С. С. Учет сил собственной тяжести морской буровой моноопоры при расчетах ее на прочность //Науч.-техн. информ. сб. ЗАО Теоинформмарк", -М, 2001.-Вып. 3.

46. Пронкин А. П., Хворостовский И С., Пронкин А. А, Хворостовский С. С. Методы расчета морской буровой моноопоры. -М: ЗАО Теоинформмарк', 2001. Сб. Вып. 5.

47. Пронкин АЛ, Хворостовский И.С., Хворостовский С.С. Проблемы и методы стабилизации бурового моноопорного основания в морском дне.—М: ЗАО Теоинформмарк", 2001.

48. Пронкин АЛ, Хворостовский И.С., Хворостовский С.С. Особенности расчета напряженно-деформированного состояния морских буровых моноопорных оснований. Материалы VI международной конференции "Новые идеи в науках о земле". -М: Ml 1РУ, 2003

49. Пронкин АЛ, Хворостовский КС., Хворосговский С.С. Морские буровые моноопорные основания. -М: ООО 'Ледра-Бизнесцентр", 2002.

50. Пронкин АЛ, Хворосговский КС., Хворосговский С.С. Влияние технологических нагрузок на напряженное состояние морских буровых моноопорных оснований. -М.: Изв. вузов. Геология и разведка. 2003. № 2.

51. Пронкин АЛ, Хворосговский КС., Хворосговский С.С. Рекомендации по расчету волновой нагрузки на морскую буровую трубчатую моноопору. -М: Изв. вузов. Геология и разведка. 2003. №3.

52. Пронкин АЛ, Хворостовский КС., Хворосговский С.С. Коэффициенты запаса в расчетах прочности моноопорных оснований для бурения на шельфе. —М.: Изв. вузов. Геология и разведка. 2003. №4.

53. Разработка бурового снаряда со съемными грунтоносами для отбора проб грунтов и выполнения геотехнических исследований в скважинах. Сб. докладов НТК 'Бурение скважин в осложненных условиях". /АА Каракозов, О Л Калиниченко и дрУ. Донецк: ДОН! ТУ, 1996

54. Расчеты на прочность в машиностроении. (С. Д Пономарев и др.). -М:Машгиз, 1959

55. Расчет давления жидкости для фиксации съемных керноприемников в колонне при забивном бурении./К А Бошлюбский и др/. Изв. Вузов "Геол. и развед.", №3, 1993

56. Ребрик БМ Справочник по бурению инженерно-геологических скважин. М.: Недра, 1983.

57. Ребрик БМ Механика в разведочном бурении: Справочное пособие.-М: Недра, 1992

58. Ребрик БМ, Калиничев В Л Количественная оценка качества разведочного бурения. Изв. ВУЗов, Теология и разведка", 1997. -№2

59. Ребрик БМ, Калиничев В Л Основные положения системы комплексной количественной оценки эффективности бурения. Изв. ВУЗов, Теология и разведка", 1997. -№4

60. Регистр СССР. Ветер и волны в океанах и морях.-Л: Транспорт, 1974.

61. Савельев В. К Техника морских геологических исследований.-М: Недра, 1978

62. Сароян АЕ. Теория и практика работы бурильной колонны.-М: Недра, 1990

63. Свеглицкий В. А Механика стержней.-М: Высшая школа, 1987

64. Симонов В Л Особенности технологии бурения на арктическом шельфе. /Материалы П-й Международной конференции/. С.Петербург, 1995

65. Смолдырев А.Е. Методика и техника морских геологоразведочных работ.-М: Недра, 1978

66. СниП 2.06.04-82* "Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)" /Минстрой России. -М: ГП 14111, 1995

67. СНиП2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. -М: Минстрой России, 1995.

68. СНиП2.02.03-85. Свайные фундамента. -М: ЦИШ Госстроя СССР, 1986.

69. СниП П 23-81* Стальные конструкции /Минстрой России. -М: ГП ЦПП, 1995

70. Современное состояние и перспективы развития технических средств для освоения минеральных ресурсов океана /КГ. Суворов и др. —JI: Судостроение, 1972.

71. Созд ание установок скважинной пенетрации и пробоспбора для обеспечения морских инженерно-геологичесиких исследований. /ЯД Слонимский и др.- Рига, ВНИИморгео, 1987

72. Солодухин М.А, Архангельский И. В. Справочник техника-геолога по инженерно-геологическим и гидрогеологическим работам. -М: Недра, 1982

73. Справочник инженера по бурению. В 2 х томах /Под редакцией В. И. Мищевича, НА Сидорова/. -М: Недра, 1973

74. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин, т. 1-2. /Е. А Козловский, В. Г. Кардыш, Б. В. Мурзаков и дрУ. -М, Недра, 1984

75. СгепохаЕЛ Техника и технология бурения скважин на гибких трубах (шлангокабельное бурение). /Техн. и технол. геол.-развед. работ, орг. пр-ва. Обзор ВИЭМС/. М, 1979

76. Тимошенко СП Колебания в инженерном деле. -М. Наука, 1967

77. Фальков ИМ. и др. Основные принципы построения технологического комплекса современных буровых инженерно-геологических судов. -Рига, ВНИИморгео, 1987

78. Хайруллин Б.Ю. Техника и технология отбора керна повышенной информативности. /Материалы конференции "Освоение шельфа арктических морей РФ"/.-С. Петербург, 1995

79. Халфин И. IIL Воздействие волн на морские нефтегазопромысловые сооружения. -М: Недра, 1990.

80. Хворосговский КС. Технология бурения инженерно-геологических скважин на море с моноопорных оснований. /Материалы VII международной конференции "Новые идеи в науках о земле"/. -М: МПТУ, 2005

81. Хворосговский С.С. Рациональные ударные системы и параметры их элементов для забивного бурения на шельфе. -М: Геоинформмарк, 1994. —Вып. 7-8

82. Хворосговский С.С., Пронкин АЛ, Фоменко B.C. Рациональные способы и установки для бурения разведочных скважин на шельфе /Обзор/.-М: АОЗТ "Геоинформмарк", 1998

83. Хворосговский С.С., Пронкин АЛ Методы повышения эффективности бурения разведочных скважин с судов /Обзор/. -М: АОЗТ "Геоинформмарк", 1998

84. Хворосговский С.С., Хершберг БЛ Способ и технические средства для комбинированного бурения с плавучих установок. /Сб. "Геол. исследов. океана", № 2/. М.: МГТА, 1993

85. Цейтлин MX., Берегов ВВ., Азбель Г.Г. Вибрационная техника и технология свайных и буровых работ. -Л.: Сгройиздат, 1987.

86. Чугаев P.P. Гидравлика. -J1: "Энергия", 1970.

87. Automated drilling systems make their mark //Noroil. -1986. Vol. 14 №3.-P.21

88. Drillers look to automated operations //Noroil. -1986.-Vol. 14, №3. -P.23, 25, 27

89. Drilling and coring unconsolidated formations. Recording geotechnical information during drilling work. New armored wireline cable //Mining journal.- 1987.-Vol.308,№7916.-P. 179-180

90. MOORE STEVEN D. Making new drilling technology work for you /Petrol. Eng. int. -1987.-Vol. 59, № 1. -P. 24-25

91. CORE drilling via a hose //Austral. Mining. -1986. Vol. 78, № 3. - P.33

92. MOORE S. Hie hows and whys of downhole drilling motors /Petrol.-1986.-Vol. 58, №8

93. RODGER AA, MACLAREN DJ.G., FAJRWEATHER NH, MILES A Offishore core sampling of soils by vibroimpact //Geodrilling. -1986. № 36. - P. 12-13

94. ULT MICHAEL E. Sea ice forces and the state of technology of oflshore Arctic platforms // J.Petrol. Technol. -1985. Vol37, № 1. .p. 21-26

95. WILLIAMS G.I. Operating experience with wireline techniques /Geodrilling.-June 1986.