Орендарчук Виталий Анатольевич

В настоящее время возникла потребность в научно обоснованных прогнозах минеральных ресурсов морей, эффективных методах ведения здесь геологоразведочных работ, их планировании по видам минерального сырья и морским акваториям, в определении масштаба и структуры морского производства. Уже первые результаты геологических исследований в море показали, что на всех стадиях существенно меняется их организация и методика, применяющаяся на суше. Связанное с этим резкое увеличение объемов бурения глубоких инженерно-геологических скважин (до 200 м по грунту при глубине акватории до 150 м) определяет необходимость разработки высокопроизводительных способов и технологических схем бурения, а также создания новых эффективных технических средств.

Анализ и обобщения отечественного и заграничного опыта показывает, что бурение глубоких скважин в кратчайшие сроки и получение максимально достоверной инженерно-геологической информации обеспечивает вращательный метод бурения с использованием съемных скважинных приспособлений (ССП) - устройств для проведения геотехнических испытаний и пробоотбора. Но на данный момент при использовании этой технологии практически невозможно отбирать монолиты в породах песчано-глинистого комплекса в условиях вертикальных перемещений плавсредства из-за отсутствия надежных конструкций съемных забивных пробоотборников с автономным приводом.

Таким образом, актуальность создания съемного забивного пробоотборника с автономным приводом для бурения подводных инженерно-геологических скважин обусловлена потребностями геологоразведочной отрасли.

в 20-е годы ХХ века. Они представляли собой забивные трубки, сбрасываемые с борта судна, которые внедрялись под собственным весом в грунт. После погружения в грунт трубка извлекалась на поверхность, при этом высота отбираемого керна была незначительной и в последствии данные устройства из-за малой своей эффективности масштабно не применялись.
Таким образом, перед конструкторами возникла задача разработки конструкции пробоотборников, которые позволили бы в различной степени регулировать глубину внедрения пробоотборника. Наиболее простыми стали устройства, принцип действия которых основан на внедрении пробоотборника в грунт под действием кинетической энергии грузов, перемещаемых оператором-аквалангистом. Конструкции подобных пробоотборников в общей массе подобны, и различия заключаются лишь в геометрических параметрах керноприемных устройств, материалах из которых изготавливались пробоотборники, весе и высоте сбрасывания груза. Наиболее известен из данной серии устройств пробоотборник "Пого стик корер" (рис. 1) сконструированный специалистами Института Чесапикского залива. Пробоотборник состоял из пластиковой колонковой трубы диаметром 70 мм и длиной 1,5 метра, закрепленной в направляющей трубе высотой 1,8 м со съемной наковальней. К корпусу клапана на элластичных жгутах подвешена ударная алюминиевая труба с площадкой. Пробоотборник массой 11,8 кг опускается с борта судна в месте отбора пробы и вручную задавливается в донные отложения на некоторую глубину. После этого рабочие (1-2 человека) подпрыгивают на площадке и наносят удары по наковальне. Труба внедряется в грунт, отбирая керн. "Пого стик корер" позволял отбирать образцы грунта диаметром 64 мм и длиной до 1,5 м.

В 1923 г. немецкий океанолог Науман разработал конструкцию пробоотборника с грузами, которые поднимались на тросе судовой лебедки. Пробоотборник состоял из отполированной снаружи колонковой трубы с переходником-наковальней закрепленной в верхней части трубы. На наружной поверхности трубы закреплялись два подвижных хомута, которые соединялись с П-образной рамой, снабженой грузом-молотом и подвешеной на тросе судовой лебедки.

Ауэрбах предложил конструкцию забивной трубки в которой груз перемещался по раме, жестко закрепленной над наковальней колонковой трубы. В последствии ученые разных стран разработали массу ударно-забивных трубок, прототипами которых были перечисленные конструкции.

В 1965 г. американец Липскомб сконструировал пробоотборник состоящий из полой направляющей штанги, ударного груза массой 120 кг подвешенного на цепях к коромыслу специального троса, колонковой трубы с керноприемным вкладышем, в котором имеется седло для шарикового клапана, и водопроводящего шланга. Спуск пробоотборника осуществляется на тросе, после контакта с поверхностью грунта подаваемая по шлангу вода размывает забой скважины до проектной точки, и далее пробоотборник забивается под действием ударов сбрасываемого на тросе груза по наковальне. Перед извлечением грунтоноса по шлангу сбрасывают шарик, давление столба жидкости прижимает шарик к седлу и проба не выпадает.

Стремление конструкторов увеличить энерговооруженность забивных пробоотборников отразилась в попытках интенсификации работы забивного узла за счет энергии воды, сжатого воздуха и электроэнергии. Английская компания "Террисеч" для исследования осадков в северном море спроектировала и изготовила пневмоударник ударно-забивного действия, с запасом сжатого воздуха в баллонах закрепленных на раме. Работа пробоотборника возможна при глубине акватории до 135 м, связь проботборника с судном осуществляется подъемником с тросом и кабелем контроля, по которому на пульт оператора передаются сведения о числе ударов молота пробоотборника и глубине внедрения колонковой трубы длиной 6,1 м и с внутренним диаметром 50 мм. Масса пробоотборника 2,5 т.

Пробоотборник МП-1 (рис. 2), разработанный группой советских конструкторов ЛГИ на базе пневмоударника РП-111, успешно применялся для разведки россыпных месторождений шельфа Балтийского моря. Пневмоударник обеспечивал высокую скорость проходки за короткий промежуток времени. Однако применение пробоотборников с пневмоприводом ограничивается глубиной акватории 30-40 метров из-за трудности выпуска отработанного воздуха в окружающую среду. [3].

Более перспективным является направление использования в качестве энергопереносящей среды энергию напорной жидкости.

В частности, работы по созданию пробоотборника с гидроударным механизмом с 1972 г. ведутся в Японии, где сконструирована опытная модель гидроударника, устанавливаемого по традиционной схеме - на верхнем конце грунтоноса. В процессе исследований японские ученые столкнулись с проблемой необходимости уменьшения гидравлических сопротивлений водоподводящей магистрали, значительно снижающих эффективность работы ударного механизма.

С аналогичной проблемой столкнулись специалисты Лаборатории методики и техники морской геологоразведки ВНИИМОРГЕО при МГРИ им. С. Орджоникидзе при разработке отечественного ударно-забивного пробоотборника с гидроприводом. В результате трехлетних исследований Л. Н. Нейтманом и В. В. Москвититиным была сконструирована установка КМО - 3, позволяющая отбирать пробы длиной до 4 м и диаметром 100 мм из песчаных осадков средней плотности.

Забивной грунтонос ГК-З конструкции Гидропроекта (рис. 3) состоит из двух основных узлов: разъемный стакан и ударная часть. Керноприемный стакан состоит из двух полугильз, корпуса и ввинченной в него головки. Полугильзы размещаются внутри корпуса. В нижней части они снабжены режущими полубашмаками, а в верхней к ним прикреплены два полузамка. Оба полузамка и головка скреплены стопорным винтом. Ударная часть состоит из направляющей штанги, ударника, муфты, корпуса ударника и переходника, на который навинчивается колонна бурильных труб. Ударник вместе с переходником и собственным корпусом двигается по направляющей штанги и наносит удары по верхней части головки. За счет этого керноприемный стакан углубляется в грунт на заданную глубину. При подъеме грунтоноса на поверхность верхний торец ударника упирается в муфту. Грунтонос комплектуется двумя полугильзами, оборудованными в нижней части лепестками для удержания монолита отбираемой пробы. [1].

Рядом с грунтоносом нормального ряда в отечественной практике используются и другие модели грунтоносов, которые выпускаются небольшими сериями разными исследовательскими 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 допускается их применения при бурении скважин по технологии с использованием ЗСП. [2].

Важным шагом в совершенствовании забивных снарядов стало создания устройств, в которых для увеличения проходки за удар используется гидростатическое давление столба жидкости в скважине.

Для этой цели в гидропоршневом скважинном грунтоносе ГПС-127 (рис. 4)

керноприемная труба в верхней части снабжена пустым штоком с перфорированным верхним концом, который несет поршень с клапаном. Перемещающийся поршень установлен в цилиндре и прижат к нижнему переходнику пружиной. Верхний переходник обычным винтовым соединением связан с направляющим штоком ударной штанги, конструкция которой позволяет осуществлять удары, направленные как вниз, так и вверх. При ударе штанги вниз цилиндр смещается к забою, сжимая пружину, и наносит удар по керноприемной трубе. В результате движения цилиндра относительно поршня в подпоршневой полости создается разрежение, которое приводит к возникновению дополнительного гидростатического усилия, которое задавливает трубу в осадки. Важным моментом работы гидропоршневого стакана при создании разрежения в керноприемной трубе является возникновение восходящего потока воды, которая засасывает в его полость частицы породы. При этом в самом грунте создается фильтрационный восходящий поток поровой воды, которая ослабляет его под башмаком до состояния плывуна. Такой эффект снижает сопротивление грунта движению снаряда, повышая проходку за удар. После нанесения удара по торцу снаряда во время подъема ударной штанги срабатывает пружина, которая отжимает цилиндр в крайнее верхнее положение, выдавливая воду из подпоршневой полости через клапан. [2].

Разновидностью грунтоноса ГПС-127 является гидростатический скважинный грунтонос ГС-127, предназначенный для бурения с отрывом от забоя.

Принцип работы заключается в следующем: труба внедряется в грунт под действием суммарного веса ударной штанги и гидростатического давления столба воды, которая заполняет скважину. Жидкость из межтрубного пространства поступает в полость низкого давления, осуществляя обратную промывку скважины и ослабляя грунт в трубе и под башмаком. При подъеме грунтоноса поршень-золотник разъединяет полости цилиндра и трубы, способствуя отрыву пробы от забоя и надежному ее удержанию. [2].

Заданием магистерской работы является разработка комплекса грунтоносов для отбора проб при бурении скважин с буровых судов и платформ.

Одним из разработанных устройств является забивной грунтонос диаметром 73 мм с гидроприводом, предназначенный для выполнения инженерно-геологических исследований при бурении скважин в мягких и рыхлых породах континентального шельфа.

Целью разработки являлось создание конструкции грунтоноса для компоновки бурового снаряда фирмы FUGRO , которые применяются на буровых судах типа Бавенит, и для отбора проб при бурении скважин с платформ типа "Сиваш", которые используются в ГАО "Черноморнефтегаз". Грунтонос ориентирован на работу с бурильными трубами диаметром 127 мм с внутренней высадкой.

За основу взят ранее разработанный на кафедре ТТГР ДонНТУ грунтонос диаметром 89 для применения на буровых судах типа "Диабаз".

Работа грунтоноса основана на принципе использования энергии свободно падающего груза (бойка), который наносит удары по керноприемной трубе, за счет которых осуществляется внедрение башмака в грунт.
Работа разработанного грунтоноса представлена на анимированной картинке.

Грунтонос включает в себя:

- механизм фиксации, состоящий из посадочного узла, выдвижного штока сигнализатора углубки и конусной головки

-Гидроцилиндр, выполненный по схеме гидродвигателя дифференциального действия с двух клапанным распределением жидкости и обеспечивающий возвратно-поступательное движение тяги.

- Ударный узел, включающий боек, в верхней части которого имеется конусная головка, взаимодействующая с подпружиненными захватами, кинематически связанными с тягой.

Перечисленные элементы ударного узла размещены в трубе, которая с одной стороны является продолжением корпуса гидродвигателя, а с другой - заканчивается упором наковальни. Последняя представляет собой ступенчатый переходник, концентрично установленный в упоре с возможностью ограниченного осевого перемещения в нем и заканчивающийся резьбой для соединения с керноприемным снарядом.

- Керноприемный снаряд состоит из керноприемного стакана, снабженного наковальней и башмаком.

Принцип работы грунтоноса заключается в том, что гидродвигатель создает возвратно-поступательное движение тяги, а захваты при ходе вверх поднимают боек и освобождают его в конце хода. Боек, падая, наносит удар по наковальне. При ходе вниз захваты захватывают боек за головку, и цикл повторяется. Глубина отбора пробы до 0,9 м.

Внесены конструкционные изменения в конструкцию клапанной группы грунтоноса, позволяющие тормозить поршень гидродвигателя в начале его хода вниз, что предотвращает смыкание захвата и падающего бойка.