Переходченко Олексій Олександрович

Факультет: гірничо-геологічний

Кафедра: технологія і техніка геологорозвідувальних робіт

Спеціальність: буріння свердловин

Тема магістерської роботи: "Розробка колонкового снаряду зі зворотної призабойною циркуляцією рідини"

Керівник: доцент Русанов Владислав Адольфович

Автореферат кваліфікаційної роботи магістра

"Розробка колонкового снаряду зі зворотної призабойною циркуляцією рідини"

АКТУАЛЬНІСТЬ

У сучасних умовах інтенсивного освоєння прибережної зони й розвитку нової вітчизняної галузі морського будівництва особливу важливість здобувають завдання перекладу техніки й технології розвідки на шельфі на більше високий перспективний рівень. Як показують дослідження ряду виробничих організацій, ведучих НДІ й вузів досить складним питанням є забезпечення підвищених вимог до якості кернової проби при одно рейсовому бурінні свердловини глибиною 8-10м у пухких відкладеннях морського дна. Складність відбору проб у незв'язних ґрунтах порозумівається наявністю "пальового" ефекту в керноприйомної трубі, початок настання якого можна віддалити створенням зворотного промивання свердловини [1].

ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ РОЗРОБОК

Для буріння у верхньому шарі морського дна як у вітчизняній практиці, так і за рубежем використають різні ЛТС із глибиною буравлення від 4 до 5-6м залежно від характеру відкладень. У теперішній час нараховують більше 20 видів різних модифікацій ЛТС, які класифікуються по типі передачі енергії і її виду, по процесах, що відбувається в колонковій трубі. Таке положення зложилося в наслідку того що багато ХТО ЛТС не забезпечують якісного відбору проб донних відкладень. Все це зажадало створення нових видів ЛТС, що володіють універсальністю у відносинах умов експлуатації й широкої варіації фізико-механічних властивостей прохідних порід.

Як показують дослідження ряду ведучих НДІ, одним з перспективних напрямків рішення цього завдання, є створення автономних пробовідбірників ударної й ударно-вібраційної дії [2].

Як правило більшість пробовідбірників що використають розглянутий спосіб занурення, не дороги, прості по конструкції, мають керовані режими. Для занурення цих пробовідбірників у ґрунт використаються пневматичний, гідравлічний й електричний приводи.

Із ЛТС із пневмоударним занурювачем найбільш відомі пневматичні пробовідбірників МП-1 (Санкт-петербурзька гірська академія, Росія) пробовідбірників американських інженерів Б. Дель Ре й Дж. Костиглиола англійської компанії "Terresearch" відомства ВМФ США Мослера Шпана, канадської фірми "Woodward Clyde Consultants", італійської фірми "Marіne Geophіsіcal".

Найбільш потужним вібровідбірниом у світі є установка "Виброкор" американської фірми "Элпайн джэофизикэл ассосиэтэс", що дозволяє відбирати проби діаметром 89 мм і довжиною до 12 м. Як привід у ній використаний пневматичний поршневий вібратор. Тому що відпрацьоване повітря з вібратора виходить на денну поверхню по спеціальних шлангах, це дозволяє експлуатувати установку на глибинах моря до 40 м. У цілому ж, установки, що використають енергію стисненого повітря, мають обмежену область застосування по глибині моря через складність випуску відпрацьованого повітря при протидії гідростатичного тиску товщі води.

Крім того, при застосуванні пневмоенергії умова пропорційності підводимої до вибою енергії й продуктивності руйнування гірської породи виконати важко. Ізотермічний К.П Д. компресора лежить у межах 0.55 - 0.60; витоку повітря в мережі нерідко досягають 50 - 70 %; великі втрати тиску в мережі; невисокий К.П.Д. пневматичного двигуна, що працює під товщею води. Все це спричиняється значні габарити пневмопривода необхідної потужності для достатнього К.П.Д. передачі енергії колонковому набору й утрудняє використання пневмоударних механізмів у складі ЛТС для підводного буравлення з мало і середньотоннажних плавзасобів.

Дуже широке поширення одержали пробовідбірників з електроприводом. Найбільше визнання такі пробовідбірників одержали в США . Це трубка Дж. Сандерса безрамна вибротрубка відомого американського по морським пробоотборникам А. Росфепьдера. Певний інтерес представляють установки німецької фірми "Preusag Aktengesselschaft Meerestechnіk", англійської фірми "Alluvіal Mіnіng Ltd".

В 1965 році співробітником інституту океанографії Кудиновым Е.И. (Росія) запропонована вібропоршнева трубка ПБВТ-65, призначена для відбору стовпчиків довжиною до 12 м при глибині моря до 200 м. Всі випробування в цілому показали можливість відбору проб великої довжини з пухких опадів, але поставила й ряд серйозних завдань, які необхідно ще вирішити. Це питання про стабілізацію положення трубки на дні, проблема витягу довгого ґрунтоносу, особливо при хитавиці або зносі плавучої підстави, не задовольняє й малий діаметр керна, що відбирає.

Добре відомий вібробуровий снаряд Приморського територіального геологічного керування, пізніше модернізований МГРИ. Як і розглянуті вище вибро-трубки, він створений на основі електричного вібратора. Особливість його полягає в тому, що вібратор поміщений у герметичний циліндричний кожух, віброізоляція якого дозволила на 40 - 50 % знизити втрати потужності вібратора, підвищило механічну швидкість буравлення й на 31 % збільшило глибину занурення. Однак, зазначені заходи виявилися недостатніми для ефективної роботи при випробуванні щільних піщаних і глинистих відкладень, а також відкладень, що містять валунно-гальковий матеріал. Це істотно обмежило його область застосування.

Досвід експлуатації пробовідбірників фірми "Менард" показав переваги віброударного способу буріння над вібраційним. Цей факт стимулював розробку в багатьох країнах зразків пробовідбірників з вібромолотами. При цьому прагнення використати випуску серійно вібромеханізмів привело до широкого застосування електропривода, що зажадало розміщення вібромолота в герметичному контейнера. Але при такому рішенні енергія удару витрачається на тільки на занурення колонкової труби, але й на вібрацію контейнера з "приєднаною масою" води. Тому швидкість впровадження снаряда в ґрунт залишається менше максимально можливої. Для усунення зазначеного недоліку в деяких конструкціях запропоновано поміщати вібромолот у повітряний ковпак, тиск у якому регулюється залежно від глибини занурення. Прикладом пробовідбірника, у якому використане таке рішення, може служити конструкція установки ПБВ-5, розроблена НПО"Южморгео" [3].

Аналіз конструкцій і даних застосувань розглянутих вище відомих конструкцій ЛТС із електроприводом (ЛТС(Э)) дозволяє виділити групи недоліків, що гальмують широке використання ЛТС(Э) для реалізації підвищених вимог до показників однорейсового буріння підводних свердловин:

необхідність наявності на судні вантажопідйомних пристосувань із достатніми по висоті розмірами.

У порівнянні з розглянутим вище пневматичним й електричним приводом гідравлічний привід володіє цілим рядом істотних переваг .

Завершено розробки пробовідбірника з кільцевим гідроударником конструкції Л.Н. Нейтмана й В.В. Москвитина, що дозволяє відбирати проби довжиною 4 м і діаметром 100 мм із піщаних опадів середньої щільності.

Більша група різних конструкцій установок з гідроударним приводом (ПГУ-72, ПУВБ-150, УГВП-150, УГВП-130/8 й ін.) розроблена в ДОННТУ.

Теоретичне обґрунтування їхнього принципу дії, дослідження фізичних процесів, що протікають у ГМ при роботі на споживач, представлений колонковим набором, результати промислових випробувань освітлені в наукових роботах.

В установках ПГУ-72 і ПУВБ-150 уперше у світовій практиці був використаний у якості занурювача ГМ подвійної дії з диференціальним поршнем і двухклапанним розподілом робочої рідини, з реалізацією зворотного промивання рідини в буровому снаряді, що дозволило зменшити силу тертя керна об внутрішню поверхню колонкової труби, підвищити вихід керна й збільшити рейсову проходку.(рис. 1)

Рисунок 1 – Установка УГВП-130/8 а) постановка на дно й початок буріння; б) підйом установки із дна; в) закінчення буріння

Незважаючи на явні переваги установок ПГУ-72 і ПУВБ-150 у порівнянні з відомими ЛТС їхню область експлуатації виявилася досить обмеженої можливостями бурових судів. У наслідок значних зусиль витягу снарядів, необхідності наявності більших вільних просторів на палубі й високоспроміжніх вантажопідйомних пристосувань експлуатація їх з малотоннажних судів ставала неможливою [4].

Наприкінці 80-х років у ДПИ були створені й успішно впроваджені установки УГВП-130/8 й УГВП-150, експлуатаційні й технічні характеристики яких забезпечували не тільки збільшену довжину випробування, але й можливість експлуатації з бурових судів, що мають незначні вільні палубні простори й малогабаритні вантажопідйомні засоби.

Установки УГВП-130/8 й УГВП-150 оснащені спеціальною опорою, що представляє собою конструкцію, що спускає на канаті, що складається із циліндричного корпуса, що розкривається, 1 із шарнірно закріпленими на ньому трьома складними ногами 2, зв'язаними тросами 3 з хомутом 4. У робоче положення опора переводиться за бортом судна (див. рис. 1.а)при спуску установки на дно моря. У процесі занурення пробовідбірника 6 фіксатори 5 сковзають по поверхні колонкової труби, не перешкоджаючи поглибленню свердловини. По закінченні буріння пробовідбірник разом з опорою за рахунок захоплення конусного кільця 7 фіксаторами 5 витягається за допомогою каната 8 зі шпари й підтягуються до борта судна (див. рис.1.б).

Основним виконавчим органом установки є гідровібраційний пробовідбірника (рис. 2), що складається з гідравлічного вібратора, що генерує вібрацію й ударні імпульси, і подвійного колонкового снаряда.

Рисунок 2 – Гідровібраційний пробовідбірника установки УГВП-130/8

У вихідній позиції бойок 13 під дією сили ваги перебуває в крайнім нижнім положенні, внаслідок чого впускний клапан 4 закритий, а випускний клапан 7 - відкритий. Морська вода буровим насосом по нагнітальному шлангу подається в гідровібратор. По каналі в переводнику 1 і зазору між корпусом 3 і циліндром 11 вода надходить під поршень 8, викликаючи його підйом.

Поршень 8, переміщаючись нагору, стискає пружину 10 й, дійшовши до випускного клапана 7, наносить по ньому удар. За рахунок сили удару стислої пружини 10 і часткового спільного ходу з бойком 13 випускний клапан 7 перекриє канали в розподільній коробці 5, а впускний клапан 4 відкриється, оскільки обоє вони зв'язані штовхальником 6. Рідина одночасно почне надходити й у верхню порожнину циліндра 11. У момент перестановки клапанного блоку бойок завдасть удару по верхньому ковадлу 12. У міру надходження рідини у верхню порожнину циліндра поршень 8 і бойок 13 спрямовуються вниз, тому що площа поршня зверху більше, ніж знизу, на величину поперечного переріза штока 14. Клапанний блок буде зберігати своє верхнє положення за рахунок тиску рідини на випускний клапан 7. Перестановка блоку у вихідне положення відбудеться після захоплення пальцем 9 клапана 7 і спільного ходу вниз. При перестановці клапанів бойок завдасть удару по нижньому ковадлу 15.

Далі цикл роботи повториться. Відпрацьована в гідровібраторі рідина по зазорі 22, каналам 23 розділової муфти 17, зазору між зовнішньої 18 і внутрішньої 19 колонковими трубами й через отвори 24 надходить на вибій шпари вище башмака 21, розмиваючи ґрунт. Цим досягається гідромоніторний ефект, збільшення діаметра шпари, зниження сили тертя й бічного опору.

НБ для створення зворотної циркуляції промивної рідини виконаний у нижнім ковадлі 15 і складається із клапана 16 і системи розподільних каналів. Роль плунжера насоса виконує шток 14. Під час ходу штока нагору відбувається усмоктування води зі свердловини через внутрішню колонкову трубу 19 у камеру під штоком, а при ході його вниз вода викидається в шпару через клапан 16, зазор 22 між корпусом гідровібратора 3 і зовнішнім корпусом 2, канали 23, кільцевий простір між зовнішньої 18 і внутрішньої 19 колонковими трубами, а також через отвори 24.

Буровий снаряд являє собою подвійну колонкову трубу котра зібрана із зовнішньої труби 18 і внутрішнього керноприймача 19, спеціального пелюсткового кернозахоплюючого пристрою 20 і породоруйнівного інструмента 21. Для запобігання керна від руйнування внутрішня керноприйомна труба 19 ущільнена манжетами в башмаку 21 й у циліндрі розділової муфти 17 [5].

Занурення колонкового набору в ґрунт відбувається під дією чотирьох факторів: ударних імпульсів, вібрації, розмиву й без інерційного навантаження. Загублення полегшується виникненням додаткового навантаження за рахунок зниження тиску усередині керноприймача при роботі НБ гідровібратора.

Таким чином, принциповою відмінністю розробленого пробовідбірника від існуючих є використання комбінованого ударно-вібраційного способу буріння з інтенсивним розмивом стінок свердловини, що сприяє різкому зниженню бічного тертя й опору й, як наслідок, зусилля витягу, що не перевищує ваги установки. Все це сприяє значному збільшенню рейсового поглиблення й механічної швидкості.

Рисунок 3 – Ілюстрація схеми установки снаряда на забій (рисунок анімований; кількість циклів повторення – 0; об'єм – 134,2Кб; розмір – 300*400)

Аналіз технічних характеристик і результатів застосування УГВП свідчить про наявність значних резервів розширення їхньої області використання. У першу чергу це ставиться до можливості реалізації підвищених вимог до якості випробування й глибині буріння свердловин при експлуатації ЛТС із мало - і средньотоннажних плавзасобів [6].

ПРОБЛЕМИ Й ЗАВДАННЯ

У данний час при буріння інженерно-геологічних свердловин залишається невирішеної завдання одержання проби ґрунту, якість якого забезпечить достовірне визначення фізико-механічних властивостей масиву. Особливі утруднення виникають при визначенні фізико-механічних властивостей м'яких нестійких ґрунтів, які найбільш піддані порушенням у процесі відбору монолітів.

Поставлене завдання зводиться до поліпшення якості проб ґрунту, що відбирають, шляхом зменшення пальового ефекту.

ВИСНОВОК

Таким чином, у результаті виконання магістерської роботи буде вирішене актуальне завдання, що полягає в створенні колонкового снаряда зі зворотної призабойною циркуляцією рідини, що забезпечує відбір якісної проби ґрунту. Це, у свою чергу, забезпечить точне визначення фізико-механічних властивостей ґрунту й вивчення геологічного розрізу.

CПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Фальков И.М. Современное состояние техники и технологии морского инженерно-геологического бурения. / Фальков И.М., Бабич В.А., Хамидуллин Р.Г., Лисагор О.И. // Обзор, Рига: ВНИИморгео, 1986.-152 с.

2. Калиниченко О.И. Разработка новой технологии и технических средств бурения разведочных и инженерно-геологических скважин на шельфе. / Калиниченко О.И., Русанов В.А., Рязанов А.Н., Юшков И.А. // В сб.”Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции”. - Томск, 1994. - С.23.

3. Смолдырев А.Е. Методика и техника морских геологоразведочных работ. / Смолдырев А.Е. - М.: Недра, 1978. - 303 с.

4. Шелковников И.Г. Технические средства подводного разведочного бурения и опробования. / Шелковников И.Г, Лукошков А.В. - Л.: Изд - во ЛГУ, 1979. - 224 с.

5. Ребрик Б.М. Бурение инжинерно-геологических скважин. / Ребрик Б.М.- М.:Недра,1990 - 336 с.

6. Ребрик Б.М. Бурение скважин при инжинерно-геологических изысканиях. / Ребрик Б.М. - М.: Недра, 1979. - 253 с.

7. Ребрик Б.М. Влияние способов внедрения грунтоносов на естественные физические свойства образцов. /Ребрик Б.М. // БНТИ Гидропроекта. - №10. - 1960.

8. Ребрик Б.М. Ударное бурение грунтов. / Ребрик Б.М. - М.: Недра, 1976. - 232 с.

9. Ребрик Б.М. Эффективность и качество бурение инжинерно-геологических скважин./ Ребрик Б.М., Куник Л.И. - М.: Недра, 1978. - 128 с.

10. Попова М.С. Разработка забивного пробоотборника с увеличенной энергией удара для бурения морских инженерно-геологических скважин. [Электронный ресурс] // Автореферат выпускной работы магистра : - 2005 / - Режим доступа к статье: http://www.uran.donetsk.ua/~masters/2005/ggeo/popova/diss/index.htm

Важливе зауваження

При написанні цього автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: 25 грудня 2009 р. Повний текст роботи та матеріали за темою можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.