В украинском секторе акватории Черного моря к особо сложной категории относится Субботинская площадка, являющаяся наиболее перспективной из структур Прикерченского шельфа. В 2004 году здесь было открыто нефтяное месторождение и в настоящее время предприятием ГАО «Черноморнефтегаз» запроектировано бурение поисково-разведочной скважины №2 «Субботинская».
Опираясь на результаты изысканий Прикерченского шельфа, проведенных в конце семидесятых годов ХХ века с борта НИС «Геохимик» АН УССР по заказу института «Спецморнефтегазпроект», и впоследствии (2003 – 2005 г.г.) дополненные данными инженерной разведки, выполненной ЗАО «Компания Юговостокгаз» по заказцу ГАО «Черноморнефтегаз» определена обобщенная модель инженерно-геологического разреза Субботинской площадки: ил глинистый до 1,5 м; песчано-глинистые отложения – 1,5...20 м; песок с примесью щебня и гальки – 20...25 м; глины аргиллитоподобные – 24...40 м; чередование песчано-глинистых грунтов – 40 – 55 м; суглинок полутвердый – 55...70 м; песок плотный с тонкими прослоями песчаника – 70...80 м.
При отмеченной инженерно-геологической ситуации, обосновывающую категорию особой сложности условий площадки, наряду с традиционным перечнем изысканий на участке строительства блок-кондуктора скважины наиболее сложными стали работы связанные с выполнением статического зондирования донных осадков (cone penetration test – СРТ). В соответствии с техническим заданием на первом этапе изысканий в радиусе 5 м от параметрической инженерно-геологической скважины предусматривалось выполнение комплекса СРТ на глубину до 80 м с СПБУ «Сиваш». Выполнение намеченного объема работ СРТ было поручено ЗАО «Компания Юговостокгаз».
Проблемность поставленной перед компанией задачи обусловливалась, прежде всего, отсутствием в арсенале отечественного морского бурового производства как необходимого оборудования, так и отработанной технологии, обеспечивающих такой вид изысканий. Для участия в разработке и выполнении программы создания комплекса оборудования и технологи производства СРТ с СПБУ «Сиваш» компания пригласила специалистов и ученых Донецкого национального технического университета (ДонНТУ). На основе совместно проведенного интерактивного поиска по ведущим отечественным и зарубежным организациям, выполняющих аналогичные работы в заданных условиях производства выбран комплекс СРТ, созданный шведской компанией Geotеch. Комплекс полностью отвечает современным нормативным требованиям к количеству и качеству выходных параметров зондирования грунтов. Особенностью комплекса, что весьма важно для проведения работ в море, является возможность беспроводной передачи данных измерений от зонда к поверхности. Это делается при помощи акустического беспроводного канала передачи данных. При этом. данные зондирования оцифровываются и кодируются в высокочастотный акустический сигнал пьезоэлектрическим элементом в зонде, который имеет автономный источник питания. Сигнал передается через буровые штанги диаметром 36 мм и длиной 1 м. Отсутствие кабеля делает систему очень простой в использовании и позволяет экономить время на подготовительно-заключительные операции производства СРТ.
Схема беспроводной системы СРТ приведена на рис. 1. Акустический сигнал принимается микрофоном и по кабелю передается на интерфейс персонального компьютера (ПК), на который также поступает информация о глубине (от синхронизатора глубины). Затем данные отправляются на ПК, и отображаются на экране в реальном времени в виде кривых и непосредственных числовых данных.
Для считывания данных с зонда использовалось программное обеспечение CTP-Log компании Geotech, которое включает необходимые для работы модули, доступные из одной оболочки: пенетрация – для непосредственной регистрации данных зондирования; презентация – для создания графических презентаций данных и печати записанных данных зондирования; резервная память – для извлечения данных о зондировании, которые сохраняются в резервной памяти зонда, что гарантирует регистрацию данных даже в случаях нарушения акустической связи зонда с поверхностью, например, при больших глубинах пенетрации; база данных зондов - для хранения характеристик используемых зондов. Также имеется возможность автоматического расчета суммарного числа метров зондирования с момента последней калибровки для каждого зонда с выводом количества метров оставшихся до следующей калибровки.
Для технической реализации СРТ с СПБУ «Сиваш» специалистами ДонНТУ разработан комплекс оборудования (рис. 2), включающий силовой гидроцилиндр 5 с полым штоком 16, опорные вилки 8 и 10, и специальные переходники 7 (П7), 9 (П9) и 11 (П11) для монтажа гидроцилиндра к муфте-переходнику 12 несущей колоны обсадных труб 13. В верхней части штока цилиндра установлен переходник-сальник 17, в теле которого прорезаны установочные окна для нажимной вилки 3, фиксирующей наголовник 2 с ниппелем-переходником 1. С целью обеспечения постоянной промывки на боковой поверхности переходника-сальника приварен штуцер 4 для соединения со шлангом нагнетательной линии обвязки бурового насоса.
Передача задавливающего усилия от штока гидроцилиндра на зонд 15 выполняется через комбинированную бурильную колонну, состоящую из штатных штанг 14 фирмы Geotech общей длиной 30 м и наборов бурильных труб 6 с длиной отрезков от 0,5 м до 6 м и диаметром 50 мм, соединяющихся с помощью специальных ниппелей (СБТН-50). Колонна бурильных труб устанавливается концентрично внутри штока 16, при этом на ее верхний отрезок навинчен наголовник 2, между опорными поверхностями которого помещается нажимная вилка 3, исключающая его относительное перемещения вдоль окон переходника-сальника 17.
Для уменьшения величины прогиба от действия сжимающей нагрузки на зонд бурильные трубы размещены в защитной колонне 18, состоящей из отрезков обсадных труб диаметром 73 мм (ЗК-73), соединенных между собой резьбой по типу «труба в трубу». На верхнюю часть колонны навинчивается переходник 9 с двумя прорезями для одновременной фиксации гидроцилиндра вилками 8 и 10 на защитной колонне 18 и на муфте-переходнике 12, навинченном на верхний конец несущей колонны 13 собранной из сортаментных обсадных труб диаметром 146 мм (НК-146).
Подготовка оборудования к выполнению статического зондирования начиналась со спуска колонны НК-146 до жесткой постановки ее башмака на дно, с превышением 0,9 м от плоскости стола ротора до торца муфты-переходника 12. Колонна фиксировалась в клиньях ротора.
Перед началом производства СРТ, учитывая необходимость создания нагрузок, превышающих вес несущей обсадной колонны НК-146, последняя, через проушины на муфте-переходнике 5 закреплялась к рабочей плите СПБУ анкерами 4, выполненные в виде удлиненных талрепов (рис. 3).
После соединения прорезного переходника П11 с колонной НК-146 (рис. 3) производился спуск защитной колонны ЗК-73. Учитывая глубину моря (53 м) и расстояние от поверхности воды до уровня стола ротора (30 м), первые 72 м колонны ЗК-73 собирались из удлиненных 6-ти метровых. отрезков труб. В дальнейшем колонна компоновалась отрезками труб длиной 2,8 м, 1 м и 0,5 м. На расстоянии от забоя 0,5 – 1 м колона ЗК-73 подвешивалась и с помощью вилки 3 опиралась на торец переходника П11.
После этого внутрь переходника П9 на штатной штанге Geotеch опускался зонд. На теле штанги закреплялся хомут для удержания зонда с упором на переходнике П9. Затем производился спуск зонда с наращиванием свечей длиной 14 и 15 м из штанг Geotcch, предварительно собранных на палубе СПБУ. Дальнейший спуск зонда до постановки на дно выполнялся на свечах 1, собранных из калиброванных по длине труб СБТН-50 (4440 мм, 2150 мм, 940 мм). Подвешивание и свинчивание свечей выполнялось с помощью вилок 2 и 3.
На следующем этапе выполнялись работы по дооснащению гидроцилиндра 1 и закреплению его к устьевой части обсадных колон ЗК-73 и НК-146 (рис. 4). Предварительно через полый шток 7 пропускалась свеча из 3-х коротких (по 940 мм) труб СБТН-50 с навинченным наголовником с последующей фиксацией его в установочных окнах переходника-сальника нажимной вилкой 4. К наголовнику с помощью специального регулируемого клинового захвата устанавливался микрофон 3. На корпусе цилиндра закреплялся синхронизатор глубины 6 (рис. 4,а).
С помощью лебедки цилиндр размещался над прорезным переходником П9 и надевался на него до совмещения прорези переходника П7 и верхней прорези переходника П9 (рис. 4, б).
После фиксации переходников П7 и П9 вилкой 2 производился спуск системы «цилиндр-колонна ЗК-73» до совмещения нижней прорези переходника П9 с прорезью переходника П11. Жесткая связь системы «цилиндр-колонна ЗК-73 – колонна НК-146» обеспечивалась с помощью опорной вилки 3 (рис. 5). Завершающим этапом подготовки оборудования к выполнению СРТ являлось подключение высоконапорных шлангов 9 к штуцерам гидрозамка 8 цилиндра и подсоединение нагнетательного шланга 5 переходнику-сальнику.
Вдавливание зонда в грунт выполнялось на ход штока, соответствующий длине короткого отрезка СБТН-50, которая в сборе с ниппелем составляла 1 м. Рейс зондирования достигал 18 м и прекращался, если нагрузка на зонд превышала допустимое значение. Как правило, такая ситуация возникала при пенетрации плотных песков и твердых глин.
Учитывая значительную длину бурильной колонны, надежность получения информации СРТ с использованием микрофона снизилась после прохождения первых 20 м зондирования. Поэтому в дальнейшем зондирование выполнялось только с использованием модуля «Резервная память» с извлечением данных о зондировании из памяти зонда. В процессе работ до глубины 30 м было выполнено два цикла по наращиванию защитной колонны ЗК-73. Эта операция предполагала полное извлечение бурильной колонны и зонда на поверхность.
После отсоединения гидроцилиндра от переходника П9 с помощью резервной головки 2 (рис. 5) и пробки-скобы 1 выполнялся подъем бурильной колонны свечами длиной 18 – 20 м. Все операции по подъему, и спуску элементов компоновки бурильных труб, а также защитной колонны выполнялись с помощью пробок-скоб соответствующего типоразмера.
Учитывая интенсивное обрушение стенок скважины при пересечении песков на интервале 0 – 25 м было принято решения опустить несущую колонну НК-146 до глубины 26 м (рис. 6). Дальнейшее зондирование до глубины 62 м производилось с периодическим наращиванием чистой колонны ЗК-73. При этом на поверхность извлекался зонд. На верхней часть ЗК-73 вместо переходника П9 навинчивалась пробка-сальник 6 с присоединенным нагнетательным шлангом. Включался буровой насос и забортная вода подавалась через колонну ЗК-73 на забой. С расхаживанием колонна опускалась до глубины остановки зонда (рис. 6, б). После этого, погружение ЗК-73 прекращалось, пробка-сальник менялась на цилиндр для продолжения зондирования (рис. 6, в).
В интервале рейсов наращивания колонны ЗК-73 выполнялись работы по извлечению данных о зондировании интервала из резервной памяти зонда. Данные считывались персональным компьютером и воспроизводились в виде цифр и кривых изменения по глубине (рис.7): удельного лобового сопротивления под конусом зонда (qc), бокового трения по поверхности зонда (fs), избыточного порового давления (u2) и угла наклона зонда (TA).
Полученные в результате зондирования данные, с использованием, программы CPT-Pro фирмы Geotech, построенной на основе методики Robertsonа [3], автоматически интерпретировались с воспроизведением разреза (рис. 7, а).
Использование зонда и регистрирующей аппаратуры «Geotech» в комплексе с отечественным оборудованием, разработанным ДонНТУ, выполнено впервые. Полученные данные статического зондирования грунтов с СПБУ «Сиваш», показали принципиальную возможность существенного расширения информативной базы для проектирования инженерно-технических сооружений на морских акваториях.
Литература
- Калиниченко О.И., Зыбинский П.В, Каракозов А.А. Гидроударные буровые снаряды и установки для бурения скважин на шельфе. – Донецк: «Вебер» (Донецкое отд.), 2007. – 270 с.
- Robertson, P.K., Campanella, R.G., Gillespie, D. and Greig, J. (1986) “Use of piezometer cone data”. Proceedings of the ASCE Specialty Conference In Situ’86: Use of In Situ Tests in Geotechnical Engineering, Blacksburg, 1263 – 80, American Society of Engineers (ASCE).
Библиотека