Морское инженерно-геологическое бурение занимает ведущее место в комплексе морских инженерно-геологических изысканий, поскольку ни один другой метод изысканий не обеспечивает в настоящее время получения количественных значений физико-механических показателей грунта, которые необходимы для проведения различного рода работ, связанных с освоением нефтегазовых месторождений шельфа, и прежде всего морского строительства.
Важной особенностью более производительных по сравнению с лабораторными натурных методов является то, что при достаточной изученности того или иного района они позволяют значительно сократить объем анализов проб грунтов и тем самым ускорить бурение скважин, а при исследованиях на малые глубины и наличии достаточно благоприятного геологического разреза вообще сократить до минимума объемы дорогостоящего бурения. Зарубежные исследователи предполагают, что в ближайшее время в ряде случаев статическое зондирование вообще может вытеснить лабораторные исследования[1,2].
Следует особо подчеркнуть, что бурение инженерно-геологических скважин в море имеет существенное отличие от сухопутного, что связано с воздействием на процесс бурения целого ряда факторов, присущих только морской среде. Главной природной особенностью морей является их ветровое волнение. Буровые установки подвержены в море действию течений, связанных с ветровой, приливно-отливной и общей циркуляцией вод (скорости течений в некоторых морях достигают больших значений).
Современная практика морских инженерных изысканий располагает множеством способов бурения скважин, которые в той или иной степени решают вышеперечисленные задачи. Однако несомненными преимуществами по сравнению с другими обладает вращательный способ бурения.
Этот способ производительный и обеспечивает при использовании бурильных труб большого диаметра максимально высокую в настоящее время степень информативности об изучаемом геологическом разрезе. Это и послужило причиной наибольшего распространения вращательного способа бурения инженерно-геологических скважин с плавсредств, как в нашей стране, так и за рубежом.
Основные преимущества технологической схемы вращательного бурения скважин с использованием съёмных скважинных приспособлений (ССП) перед остальными.
Приведенные преимущества обусловливают необходимость широкого внедрения технологии вращательного бурения с использованием ССП в практику инженерно-геологических изысканий на континентальном шельфе.
Учитывая требования, предъявляемые к опробованию, и особенности бурения морских инженерно-геологических скважин, можно сформулировать исходные требования, которые необходимо положить в основу при разработке принципиальной схемы забивного пробоотборника.
С целью выбора принципиальной схемы забивного пробоотборника проведем анализ следующих типов забивных и вибрационных грунтоносов и пробоотборников:
С целью упорядочения и совершенствования техники и методики отбора монолитов при бурении инженерно-геологических скважин на суше ПНИИИСом совместно с Гидропроектом, ПО "Стройизыскания", Фундаментпроектом и Энергосетьпроектом был разработан нормальный ряд, включающий по одной модели обуривающего и забивного и три модели вдавливаемого грунтоносов. Наибольший интерес представляет забивной грунтонос ГК-З конструкции Гидропроекта (рис.1).
Основные узлы – керноприемный разъемный стакан и ударная часть. Керноприемный стакан состоит из двух полугильз 9, корпуса 10 и ввинченной в него головки 6. Полугильзы размещаются внутри корпуса. В нижней части они снабжены режущими полубашмаками, а в верхней к ним прикреплены два полузамка 8. Оба полузамка и головка скреплены стопорным винтом 7. Ударная часть состоит из направляющей штанги 5, ударника 4, муфты 3, корпуса ударника 2 и переходника 1, на который навинчивается колонна бурильных труб. Ударник вместе с переходником и собственным корпусом движется по направляющей штанге и наносит удары по верхней части головки 6. За счет этого керноприемный стакан погружается в грунт на заданную глубину. При подъеме грунтоноса на поверхность верхний торец ударника упирается в муфту 3. Грунтоносу придаются две полугильзы, оборудованные в нижней части лепестками для удержания монолита.
Наряду с грунтоносом нормального ряда в отечественной практике используются и другие модели грунтоносов, выпускаемые небольшими сериями различными изыскательскими организациями. Отсутствие принципиальных отличий в их работе от рассмотренного выше ГК-З, а именно: наличие колонны бурильных труб, на которой опускается устройство и через которую передается возвратно-поступательное движение ударнику, не допускает их применения при бурении скважин по технологии с использованием ССП.
Однако существуют забивные керноприёмные снаряды обеспечивающие получение высококачественного керна за счет исключения его перемешивания путем забивки керноприемного стакана в породы без отрыва от забоя.
Известные конструкции таких снарядов, применяемые при бурении на суше, состоят из керноприемного стакана и ударной штанги с возможностью перемещения последней по (или в) жестко связанной со стаканом трубчатой направляющей в пределах до 0,6 м. Бурение ими с ПБУ неэффективно, так как качка приводит к отрывам керноприемного стакана от забоя. Увеличение хода штанги удлиняет и утяжеляет снаряд, создает неудобства его обслуживания и снижает производительность бурения.
В Московском геолого-разведочном институте разработана и совместно с ПГО „Приморгеология" внедрена конструкция забивного керноприемного снаряда в которой устранены указанные недостатки. Составными узлами снаряда являются: керноприемный стакан, ударная штанга и овершот. Отличительная особенность снаряда в том, что ударная штанга не связана со стаканом. Это позволяет не ограничивать высоту подъема штанги и получать большие значения энергии единичного удара, исключать отрывы стакана от забоя и влияние качки плавучей бурильной установки (ПБУ) на процесс бурения.
Важным шагом в совершенствовании морского ударно-забивного инструмента стало создание забивных снарядов, в которых для увеличения проходки за удар используется гидростатическое давление столба воды, находящейся в обсадной трубе.
При эксплуатации на больших глубинах вертикальные перемещения плавоснования существенно усложняют работу ударного узла, негативно сказываются на условиях погружения керноприемника в грунт. Что в совокупности с малой ударной мощностью, которая определяется скоростью падения груза, не превышающей скорость сматывания каната с барабана лебедки, и трудоемкостью всего процесса пробоотбора делает мало возможным применение подобных устройств в инженерно-геологических целях при проходке глубоких скважин по технологии с использованием ССП.
Обзор работ [2, 5, 8] показывает, что стремление обеспечить автономность пробоотборников находит выражение в попытках интенсификации работы ударного узла за счет электроэнергии, энергии сжатого воздуха и напорной воды.
Примером конструкции переходного типа, использующей энергию сжатого воздуха, может служить легкий пробоотборник, разработанный сотрудниками Отдела разведки бурого угля и нефти Топливного института ГДР Х.Мослером и Х.Шпаном (рис. 2). Его короткая колонковая труба 2 снабжена приемным вкладышем с эластичной резиновой манжетой 1 и крепится к корпусу наковальни 4, в котором смонтирована система распределительных клапанов 7, 8 и 9. При работе сжатый воздух через клапан 7 поступает в осевую камеру корпуса. Выпускной клапан 9 при этом закрыт, и воздух, воздействуя на нижнюю поверхность поршня 6, подбрасывает вверх груз-молоток 5, падающий на наковальню. Когда колонковая труба полностью заглубится в грунт, верхний конец пробы перемещает толкатель 10, и сжатый воздух начинает поступать через трубку 3 к манжете, обжимая ее и препятствуя выпадению образца.
Однако, такое конструктивное решение половинчато и не нашло широкого применения. Энергия сжатого воздуха с гораздо большей эффективностью используется в пневмоударниках. Поэтому в различных странах был создан ряд пробоотборников, снабженных ими в качестве забивного устройства.
Несмотря на высокие энергетические и эксплуатационные показатели, применение пневмопривода в подводных пробоотборниках ограничивается глубинами 30 – 40 м из-за трудности выпуска отработанного воздуха в окружающую среду. Несмотря на принципиальную возможность применения мощных компрессоров, желательно использование одного вида рабочего агента и для очистки скважины в процессе ее сооружения, и для привода забивного пробоотборника.
Поэтому более перспективно применение забивных пробоотборников, использующих энергию напорной жидкости.
Этому направлению уделялось недостаточное внимание и лишь в 70-е годы в некоторых странах были начаты предварительные исследования. Работы по созданию пробоотборника с гидроударным механизмом с семидесятых годов ведутся в Японии, где сконструирована опытная модель гидроударника, устанавливаемого по традиционной схеме - на верхнем конце грунтоноса.
Подобное решение реализует и скважинный пробоотборник ПГС-76, разработанный в Донецком государственном техническом университете. Он используется в качестве съемного инструмента при бурении со штатной колонной бурильных труб и компоновкой низа буровой колонны фирмы "Фугро" с НИС "Бавенит" (Россия).
Обобщая результаты проведенного анализа конструктивных схем современных забивных и вибрационных грунтоносов и пробоотборников, можно сделать следующие выводы.
Из всего многообразия технических средств для пробоотбора наиболее эффективными по качеству отбираемого монолита являются автономные пробоотборники с гидравлическим приводом.
Перспективность пробоотборников с гидроприводом обусловливается:
Проведенный анализ современных забивных и виброционных грунтоносов и пробоотборников, нашедших применение при бурении инженерно-геологических скважин как на суше, так и в морских условиях, позволяет предложить для применения под технологию вращательного бурения с использованием ССП схему забивного пробоотборника с автономным приводом.
Исходя из того, что конструктивное исполнение должно обеспечивать спуск и подъем устройства через колонну бурильных труб, его фиксацию в посадочном переходнике компоновки низа бурильной колонны, устройство будет включать следующие узлы (рис.3):
В качестве привода механизма перемещения бойка используется погружной гидродвигатель двойного действия с дифференциальным поршнем.
Принцип работы пробоотборника заключается в том, что привод создает возвратно-поступательное перемещение захватов, которые при ходе вверх поднимают боек и освобождают его в конце хода. Боек, падая, наносит удар по наковальне. При ходе вниз механизма перемещения боек захватывается за головку и цикл повторяется.
Конструктивное исполнение посадочного узла позволяет осуществлять контроль начала и окончания углубки керноприемника в грунт. Использование автономного гидравлического привода и возможность свободного перемещения пробоотборника относительно посадочного переходника при отборе пробы исключает влияние вертикальных перемещений плавоснования и бурильных труб на работу ударного узла и качество монолита.
Получение соотношений между энергетическими и конструктивными параметрами забивного пробоотборника с учетом влияния производственных и технологических факторов невозможно без проведения детального анализа процессов, происходящих в основных узлах устройства. В связи с этим, в ходе теоретических и экспериментальных исследований будет произведено решение следующих задач.
Теоретические исследования забивного пробоотборника с гидравлическим приводом предполагает проведение анализа работы ударного узла бурового снаряда в условиях заполнения скважины неньютоновской жидкостью.
Рассмотрим движение эксцентрично расположенного в корпусе ударного узла бойка. На него будут действовать следующие силы (рис.4).
1. Сила тяжести
2. Архимедова сила
3. Сила лобового сопротивления R
4. Сила гидравлического сопротивления Pг
Из условия неразрывности потока жидкости
5. Сила трения
Уравнение движения бойка под действием рассмотренных сил запишется в виде
Подставляя выражения для G, Pа, R , Pг и Fтр в равенство, получим
Анализ полученных результатов позволяет установить степень влияния конструктивных параметров ударного узла на скорость и координату движения падающего бойка.
Так же установлено, что эксцентричное расположение бойка в корпусе ударного узла отличается от случая концентричного расположения менее интенсивным нарастанием скорости движения бойка. Для обеспечения требуемых энергетических параметров устройства при массе бойка 50 кг, а также надежной работы системы “захваты привода – головка бойка” проектируется кольцевой зазор, равный 5 мм.
В ходе дальнейшей работы планируется проведение анализа для установления факторов, определяющих формирование ненарушенной пробы грунта при бурение инженерно-геологических скважин. Выбор оптимальной конструкции кернорвательного устройства. Определение глубины разрушения верхней части отбираемой пробы грунта.
Предполагается разработка конструкции гидроприводного забивного бурового снаряда. В том числе описание технологий отбора проб грунта разработанным устройством и извлечения пробы грунта из гидроприводного бурового снаряда.