При стабилизации моноопоры в грунте морского дна, как и при ударно-забивном бурении в рыхлых породах, выполняются два основных процесса: погружение колонны обсадных труб в грунт и отбор из нее грунтовых проб. В зависимости от используемых способов выполнения этих процессов можно выделить две схемы стабилизации и бурения - традиционную и новую.

Обычно для моноопоры используются трубы большего диаметра, чем для бурения скважин. Поэтому для стабилизации моноопоры особенно важны энергетические показатели схем погружения труб. Важны они и для бурения скважин, так как здесь хотя погружается в породы колонна меньшего диаметра, но на большую глубину. Показатели схем отбора керна из полости погружаемых труб тоже одинаково важны при стабилизации моноопоры и при бурении скважин.

Большее количество важных технико-экономических показателей традиционной и новой схем погружения колонн обсадных труб в породы и отбора из нее керна установлены именно при бурении скважин. Поэтому при оценке схем погружения в породы колонны обсадных труб и отбора керна для стабилизации моноопоры и бурения скважин с целью краткости изложения текста выражение "стабилизация моноопоры и бурение скважин" заменено выражением "бурение".

Бурение по традиционной схеме включает поинтервальное погружение колонны обсадных труб в породы ударами по ее наголовнику (верхнему торцу) и последующий отбор керна из колонны забивными керноприемниками.

Бурение по новой схеме имеет две разновидности. Первая включает поинтервальное погружение колонны обсадных труб в породы ударами по ее придонной муфте кольцевым забивным снарядом (ЗС) и последующий отбор керна из колонны забивными керноприемниками. Вторая разновидность предусматривает совместное погружение в породы колонны обсадных труб и раскрепленного в ней съемного керноприемника ударами по придонной муфте колонны кольцевым забивным снарядом.

Каждая схема бурения отличается количеством основных операций в рейсе и продолжительностью их выполнения. Баланс затрат времени на выполнение операций в рейсе длиной 0,5 м при бурении по традиционной схеме и новой с использованием съемного гидрораскрепляемого керноприемника в колонне обсадных труб диаметром 0,168 м муфтового соединения (табл. 6.6) составлен по усредненным данным хронометража, проведенного при бурении производственных скважин на акваториях Японского моря.

Экспериментально установлено, что скорость погружения труб традиционным и новым способами с увеличением глубины скважины резко падает. В интервале 0-6 м скорость погружения в породы труб диаметром 0,168 м практически одинакова (более 35 м/ч), так как сопротивление погружению мало и глубина внедрения за удар велика даже при относительно небольшой энергии удара. Здесь при традиционном способе погружения недостаток массы снаряда компенсируют увеличением высоты его сбрасывания до 1,5 м, при новом способе намеренно не используют его энергетические возможности и сбрасывают ЗС большой массы с высоты всего 0,2-0,4 м.

Баланс времени в рейсе для различных схем ударно-забивного бурения на море

Операция

Традиционная схема Новая схема с погружением колонны труб и керноприемника     раздельно совместно

	мин	%	мин	%	мин	%
Постановка забивного снаряда на колонну труб	3,0	19,2	-	-	-	-
Погружение колонны в породы на 0,5 м	1,6	10,3	0,8	7,4	1,0	16,7
Снятие забивного снаряда с колонны	1,0	6,4	-	-	-	-
Спуск керноприемника	0,5	3,2	0,5	4,6	1,0	16,7
Спуск ударной штанги	1,0	6,4	1,0	9,3	-	-
Погружение в породы керноприемника на 0,5 м	4,0	25,7	4,0	37,0	-	-
Подъем ударной штанги, перестройка ловителя на захват керноприемника	1,0	6,4	1,0	9,3
Спуск ударной штанги и захват керноприемника	1,0	6,4	1,0	9,3	2,0	33,3
Подъем керноприемника	1,5	9,6	1,5	13,8	1,5	25,0
Отсоединение штанги от керноприемника и их укладка на палубе	1,0	6,4	1,0	9,3	0,5	8,3
Всего при длине рейса 0,5 м	15,6	100,0	10,8	100,0	6,0	100,0

С увеличением глубины скважины сопротивление погружению колонны труб в породы возрастает. При бурении новым способом запас энергии удара реализуют увеличением высоты сбрасывания ЗС до 1 м и при глубине скважины 20 м обеспечивают скорость погружения колонны 10 м/ч, а при глубине 30 м - 6,5 м/ч. При традиционном способе погружения колонны труб из-за недостаточной энергии удара вынуждены увеличивать высоту сбрасывания снаряда до 2,5 м. Этим достигается скорость погружения колонны 4,3 и 1,4 м/ч при глубине скважины соответственно 20 и 30 м (рис. 6.12).

Опыт бурения производственных скважин подтвердил, что при переносе ЗС ниже уровня моря повышается безопасность работы и при ударах по придонной муфте увеличивается глубина и диаметр скважин, расширяется площадь разведки, снижаются потери энергии удара. Это приводит к большему, чем при традиционном способе, заглублению колонны в породы за каждый удар и, следовательно, к повышению скорости бурения.

Рис. 6.12. Зависимость скорости v_cp погружения труб диаметром 0,168 м в породы от глубины скважины з традиционным (1) и новым (2) способами ударно-забивного бурения

При бурении производственных скважин новым способом погружали в породы трубы диаметром 0,273 м на Японском море и диаметром 0,325 м на Балтийском. Решать такие задачи традиционным способом не удавалось.

При погружении в породы колонны обсадных труб новым способом верхний конец ее всегда открыт. Это позволяет отбирать керн и наращивать колонну без снятия с нее в каждом рейсе забивного снаряда и эффективно решить проблему одновременного погружения в породы колонны и установленного на забое керноприемника. Исключение операций по установке на колонну труб и снятию с нее ЗС уменьшает продолжительность рейса в 1,44 раза, а совмещение процессов погружения колонны и, например, съемного гидрораскрепляемого керноприемника позволяет сократить число основных операций в рейсе с десяти до пяти и его продолжительность с 15,6 до 6,0 мин, т.е. в 2,6 раза.

Использование новых конструкций керноприемников позволяет при бурении в безвалунных породах увеличить в 2-5 р аз длину отбираемого в рейсе керна без существенного снижения его качества. Это существенно сокращает затраты времени на бурение всей скважины.

Так, затраты времени на один рейс бурения длиной 0,81,2 м в безвалунных породах по новой схеме с раздельным погружением колонны ЗС и отбором керна ЗК составляют 710 мин. При этом выход керна в илистых и песчаных породах с использованием глухого стакана с поршнем составляет 8595 % и удовлетворяет геологическим требованиям.

Производственные испытания нового способа бурения в пе- счано-глинистых отложениях с совмещением процессов погружения обсадной колонны труб и СГК показали, что продолжительность рейса длиной 2,2 м составляет всего 7 мин. На бурение интервала такой же длины по традиционной схеме, включающей чередование погружения обсадной колонны труб в породы ударами по ее наголовнику и отбор керна из ее полости забивным керноприемником, требуется минимум три рейса общей продолжительностью около 40 мин.

Практический опыт стабилизации моноопоры в грунте морского дна и бурения разведочных скважин на акваториях подтвердил существенные преимущества новых способов погружения обсадных труб в породы и отбора из них керна перед традиционными. Новые способы позволяют:

• повысить безопасность, удобство и снизить трудоемкость бурения за счет переноса ЗС под уровень моря, устранения его раскачивания, снятия и постановки его на погружаемую колонну труб в каждом рейсе, обусловленном необходимостью чередования интервалов погружения колонны труб в породы и отбора из нее кернового материала;
• уменьшить влияние качки и дрейфа плавоснования на процесс бурения благодаря удлинению тросовой связи между ЗС и точкой его подвеса на вышке, отсутствию жесткой связи между керноприемными стаканами и погружающими их в породы механизмами;
• погружать в грунт трубы практически любого необходимого диаметра за счет исключения ограничений по массе ЗС и снижения потерь энергии удара на деформации части колонны, перекрывающей толщу воды;
• повысить качество отбираемого керна за счет исключения отрыва от забоя керноприемного стакана при его погружении в породы;
• увеличить механическую скорость погружения моноопоры или колонны обсадных труб в породы за счет повышения энергии и КПД единичного удара, а также частоты нанесения ударов путем уменьшения высоты подъема и сбрасывания ЗС;
• существенно повысить производительность бурения благодаря эффективному совмещению процессов погружения в по-
• роды колонны труб и отбора керна вследствие постоянно открытого верхнего конца колонны, повышению механической скорости погружения колонны труб в породы в результате увеличения частоты нанесения ударов, энергии и КПД единичного удара;
• повысить вероятность вертикального погружения колонны обсадных труб в породы морского дна (это особенно важно при стабилизации моноопоры), так как центр массы колонны труб с находящимся на ней ЗС полностью смещен с верхнего торца колонны к ее придонному сечению;
• расширить границы применения ударно-забивного способа бурения по глубине разведываемых акваторий путем повышения устойчивости возвышающейся над дном моря обсадной колонны за счет освобождения ее верхнего конца от воздействия силы тяжести и ударных нагрузок ЗС;
• повысить эффективность и уменьшить аварийность бурения на приливо-отливных и других акваториях с течениями воды за счет того, что сила тяжести массивного ЗС при спуске колонны труб до дна моря для стабилизации моноопоры или забуривания скважины находится почти у башмака колонны и препятствует отклонению ее от вертикали силой течения.

Анализ баланса времени (см. табл. 6.6) дает возможность вскрыть резервы дальнейшего повышения производительности труда при бурении по традиционной и новой схемам.

Например, увеличение механической скорости бурения в 2 раза при сохранении затрат времени на выполнение вспомогательных операций на существующем уровне приведет к росту производительности бурения за смену: по традиционной схеме с 15,4 до 18,7 м; по новой схеме с погружением колонны и керноприемника раздельно с 22,2 до 28,5 м; по новой схеме с погружением колонны и керноприемника совместно с 40,0 до 43,6 м.

Сокращение времени на выполнение вспомогательных операций в 2 раза при неизменной механической скорости обеспечит повышение производительности бурения за смену: по традиционной схеме с 15,4 до 22,6 м; по новой схеме с погружением колонны и керноприемника раздельно с 22,2 до 30,7 м; по новой схеме с погружением колонны и керноприемника совместно с 40,0 м до 68,5 м.

Сокращение в 2 раза продолжительности рейса в целом приведет к увеличению производительности бурения за смену: по традиционной схеме с 15,4 до 30,8 м; по новой схеме с погружением колонны и керноприемника раздельно с 22,2 до 44,4 м; по новой схеме с погружением колонны и керноприемника совместно с 40,0 до 80,0 м.

Таким образом, новые технологические схемы и технические средства стабилизации моноопоры в грунте морского дна и бурения разведочных скважин ударно-забивным способом, включающие новые методы, забивные снаряды и керноприем- ники для погружения колонны обсадных труб в породы и отбора керна, эффективнее традиционных, способствуют значительному увеличению продолжительности сезонных морских буровых работ и бурению на более глубоких и открытых акваториях и обладают большими резервами повышения производительности труда.

Для практической реализации этих резервов представляется целесообразным прежде всего автоматизировать выполнение некоторых процессов бурения и стабилизации моноопоры. В частности, для повышения эффективности работы ЗК его конструкцию необходимо дополнить механизмом, автоматически отцепляющим трос лебедки от ударной штанги в начале ее падения. Это исключит сопротивление движению штанги со стороны лебедки и тросовой оснастки, повысит скорость ее падения и энергию удара.

При ручном управлении нанесением ударов забивным снарядом по колонне обсадных труб, причем вне поля видимости бурильщика, поддерживать заданную их частоту и высоту поднятия ЗС трудно. В условиях качки плавоснования высота сбрасывания снаряда оказывается величиной случайной и варьирует в широких пределах в зависимости от высоты волн.

Задача автоматизации процесса нанесения ударов по придонной муфте погружаемой колонны труб практически сводится к созданию специального автомата, работа которого не была бы связана с работой лебедки с целью исключения также сопротивлений движению ЗС со стороны лебедки, блоков вышки и талевой системы.

Эта задача может решаться в различных направлениях, например, разработка специального механизма, поднимающего забивной снаряд на заданную высоту от ударяемой муфты колонны независимо от качки плавоснования, а также создание подводного автономного дистанционно управляемого ударного механизма с индивидуальным силовым приводом. Практический интерес для решения задачи по второму направлению представляют импульсный гидроударник и установка для бурения с использованием импульсного гидроударника (свидетельство № 20530 на полезную модель, 2001 г.), а также гидромолоты, использующие энергетические возможности морской воды.

Решение проблемы автоматизации процессов погружения колонны труб в породы морского дна и отбора из нее керна существенно облегчит труд бурильщика, повысит производительность бурения скважин и стабилизации моноопоры в морском дне.