В современных условиях интенсивного освоения прибрежной зоны и развития новой отечественной отрасли морского строительства особую важность приобретают задачи перевода техники и технологии разведки на шельфе на более высокий перспективный уровень. Как показывают исследования ряда производственных организаций, ведущих НИИ и вузов, в том числе Донецкого национального технического университета (ДонНТУ), весьма сложным вопросом является обеспечение повышенных требований к качеству керновой пробы при однорейсовом бурении скважин глубиной 8-10 м в рыхлых отложениях морского дна. Сложность отбора проб в несвязных грунтах объясняется наличием «свайного» эффекта в керноприемной трубе, начало наступления которого можно отдалить созданием обратной промывки скважины. Данные разработки и применения погружных гидровибрационных установок (УГВП), созданных на базе принципиальных схем, разработанных в ДонНТУ, впервые в мировой и отечественной практике показали возможность однорейсового бурения подводных скважин глубиной 4-6 м при эксплуатации с мало- и среднетоннажных буровых судов. Однако недостаточная проработанность вопросов определения области эффективной работы насосного блока (НБ), оценки влияния работы НБ на динамику погружателя бурового снаряда приводит к систематическим переразведкам подводных месторождений из-за недостаточного технологического обеспечения буровых работ. Поэтому задача исследование насосного блока гидроударного снаряда является весьма актуальной. Ее решение позволить повысить производительность буровых работ и качество отбора кернового материала при бурении подводных скважин однорейсовыми автономными установками с гидроударным приводом.

Работа по исследованию насосного блока непосредственно связана с научным направлением кафедры технологии и техники геологоразведочных работ ДонНТУ — бурение скважин в осложненных условиях.

Путем аналитических и стендовых экспериментальных исследований уточнить закономерности рабочего цикла гидродвигателя и установить эффективные области работы насосного блока гидроударных буровых снарядов.

В соответствии с поставленной целью были поставлены и решаются следующие задачи: 1.Установить характер изменения и влияние гидравлических сопротивлений в колонковом наборе на энергетические параметры гидроударного погружателя, в котором поршень гидродвигателя функционально обеспечивает восходящее движение жидкости в керноприемнике. 2.Установить области эффективной работы насосного блока и разработать методику определения выгодного сочетания силовых и конструктивных параметров гидроударного погружателя и технологических режимов бурения подводных скважин по рыхлым осадкам континентального шельфа.

Поставленные задачи решаются путем анализа литературных источников, проведения теоретических и экспериментальных исследований. Решение получаемых дифференциальных уравнений осуществляется при помощи ПЭВМ. При проведении экспериментальных исследований планируется использование стенда, имитирующего природное залегание массива пород. Оценка эффективности полученных результатов будет осуществляться путем их использования в производственных условиях.

Разрабатывается математическая модель гидроударного механизма двойного действия, отличающаяся тем, что будет учтено влияние дополнительного давления под нижней дифференциальной ступенью поршня, которое определяется гидравлическими сопротивлениями в полости керноприемной трубы, что позволит оценить степень влияния затрат энергии на привод насосного блока, на характер рабочего цикла и величину силовых параметров гидроударного механизма.

Практическая ценность работы состоит в том, что

•определяются области отбора сохранного керна при ударно-вибрационном бурении с наличием обратной промывки скважины;

•будет предложена методика определения параметров технологического режима ударно-вибрационного бурения рыхлых отложений морского дна;

•отрабатывается рациональная технология ударно-вибрационного бурения подводных скважин глубиной до 10 м автономными установками УГВП-130/8.

Основные результаты исследований докладывались на студенческой научно-технической конференции, посвященной, бурению скважин, а также на научных семинарах и днях науки кафедры "Технология и техника геологоразведочных работ" ДонНТУ

По теме магистерской работы была опубликована научная статья в сборнике научных трудов студентов.

По окончании выполнения работы, планируются практические испытания.

Вопросами исследования и создания средств погружения буровых снарядов в грунт и разрушения горных пород ударными изменениями нагрузки занимались такие ведущие научно-исследовательские и учебные институты, как ИГД им. А.А.Скочинского, ДонУГИ, МГРИ, ВИТР, Московский, Ленинградский, Днепропетровский горные институты (в последние годы они получили статус горных академий) и др. Ими обоснована целесообразность разрушения горных пород ударами, а также разработаны методики расчета силовых и энергетических показателей исполнительных рабочих органов машин ударного действия. В ДонГТУ разработан гидроударный буровой снаряд со встроенным НБ одинарного действия, в котором вытеснитель кинематически связан с поршнем гидродвигателя ГМ. Эффективность такого технического решения рассмотрена в работах [1, 2 , 3, 4, 7].

В 1965 году сотрудником института океанографии Кудиновым Е.И. (Россия) предложена вибропоршневая трубка ПБВТ-65, предназначенная для отбора колонок длиной до 12 м при глубине моря до 200 м. Ее испытания в целом показали возможность отбора проб большой длины из рыхлых осадков, но поставила и ряд серьезных задач, которые необходимо еще решить. Это вопрос о стабилизации положения трубки на дне, проблема извлечения длинного грунтоноса, особенно при качке или сносе плавучего основания, не удовлетворяет и малый диаметр отбираемого керна [1].

Хорошо известен вибробуровой снаряд Приморского территориального геологического управления, позднее модернизированный МГРИ. Он создан на основе электрического вибратора. Особенность его состоит в том, что вибратор помещен в герметичный цилиндрический кожух, виброизоляция которого позволила на 40-50 % снизить потери мощности вибратора, что повысило механическую скорость бурения и на 31 % увеличило глубину погружения. Однако, указанные мероприятия оказались недостаточными для эффективной работы при опробовании плотных песчаных и глинистых отложений, а также отложений, содержащих валунно-галечный материал. Это существенно ограничило его область применения [1]. Опыт эксплуатации пробоотборников фирмы “Менард” показал преимущества виброударного способа бурения над вибрационным. Этот факт стимулировал разработку во многих странах образцов пробоотборников с вибромолотами. При этом стремление использовать серийно выпускаемые вибромеханизмы привело к широкому применению электропривода, потребовавшего размещения вибромолота в герметическом контейнере [1, 2, 5]. Но при таком решении энергия удара тратится не только на погружение колонковой трубы, но и на вибрацию контейнера с “присоединенной массой” воды. Поэтому скорость внедрения снаряда в грунт остается меньше максимально возможной. Для устранения указанного недостатка в некоторых конструкциях предложено помещать вибромолот в воздушный колпак, давление в котором регулируется в зависимости от глубины погружения. Примером пробоотборника, в котором использовано такое решение, может служить конструкция установки ПБВ-5, разработанная НПО ”Южморгео”[6].

Большой вклад в разработку и создание технических средств и технологических процессов вибробурения внесли Баркан Д.Д., Ребрик Б.М., Волков А.М., Чистяков Ю.А., Александров Г.С. Основные разработки по технике и технологии вибрационного и вибрационно-ударного бурения изложены в работах [2, 6] и являются результатом деятельности многочисленных производственных геологических, конструкторских и научно-исследовательских организаций. Из разработанных за рубежом виброударных агрегатов с гидравлическим приводом широко известны установки компании "Companie Francaise Geomechanique" (Франция) и фирмы "Konrad Stork d'Aarlem" (Нидерланды). Из отечественных установок с гидроударным приводом следует отметить ПГУ-72 и ее модернизированный вариант — ПУВБ-150, которые обеспечивали бурение скважин глубиной 4-5 м. В дальнейшем в ДонГТУ созданы и внедрены установки с рейсовой углубкой до 6 м (УГВП-130/8 и УГВП-150). На шельфе Черного моря убедительную эффективность показала установка УГВП-130/8, смонтированная на НИС «Топаз». Высокие технико-экономические показатели достигнуты установками УГВП-130/8 и УГВП-150 на шельфе морей Крайнего Севера и Дальнего Востока. На основании анализа кинематики, конструктив.

     Увеличение объемов изысканий на глубоководных зонах шельфа морей и Мирового океана обусловило потребность в разработке новых технологий и технических средств бурения глубоких инженерно-геологических скважин.
     В Донецком национальном техническом университете проведены работы по созданию бурового снаряда со съемными грунтоносами для бурения скважин на глубину до 150 м при глубине акватории до 150 м. Буровой снаряд предназначен для использования на переоборудованных научно-исследовательских судах проекта 05031 (типа “Диабаз”) при бурении скважин на шельфе о.Сахалин.
     В состав снаряда входят:

• компановка низа бурильной колонны (КНБК), состоящая из колонковой бурильной головки (диаметром 151-214 мм) и корпуса с посадочным местом под съемные грунтоносы или вставку для бурения сплошным забоем;
• утяжеленные бурильные трубы диаметром 140 мм с длиной секции 6200 мм;
• бурильные трубы диаметром 114 мм с длиной секции 6100 мм.

     Конструкция бурового снаряда позволяет использовать съемный инструмент для отбора проб и геотехнических исследований диаметром не более 89 мм.
     Для отбора проб в породах песчано-глинистого комплекса разработаны следующие типы съемных грунтоносов:

• грунтонос вдавливаемый поршневой ГВ1-89, погружаемый в грунт давлением рабочей жидкости с регулируемой скоростью внедрения. Поршневая система грунтоноса позволяет получить качественную пробу и обеспечивает ее извлечение выдавливанием без дополнительных устройств;
• грунтонос вдавливаемый ГВ2-89, предназначенный для отбора проб путем вдавливания керноприемника в грунт весом бурового снаряда;
• грунтонос забивной ГЗ1-89, предназначенный для отбора монолитных проб грунта путем забивки керноприемника в породу бойком массой 100 кг, сбрасываемым с высоты 700 мм. Подъем бойка в верхнее положение производится лебедкой, установленной на борту судна;
• грунтонос забивной с гидроприводом ГЗ2-89, предназначенный для отбора монолитных проб, состоящий из гидродвигателя, керноприемника и ударного узла. Подъем бойка производится гидродвигателем, а движение вниз и удар происходят за счет собственного веса. При подаче жидкости 60-70 л/мин обеспечивается нанесение 50-80 ударов в минуту. Возможность свободного перемещения грунтоноса относительно посадочного узла при отборе пробы исключает влияние вертикальных перемещений судна на работу ударного узла и качество монолита.
• Конструкции грунтоносов позволяют осуществлять контроль окончания погружения керноприемника в грунт. Фиксация съемного инструмента в КНБК осуществляется механизмом раскрепления МР, а извлечение на поверхность - при помощи ловителя Л1-89.

     Определена область безопасной эксплуатации бурового снаряда, оцениваемая следующими величинами (при одновременном влиянии факторов):

• угол поворота судна при качке - до 3^о , поэтому вращатель буровой установки в обязательном порядке должен быть оснащен компенсатором угловых перемещений;
• смещение судна относительно оси скважины - до 4 м;
• скорость течения - до 4 м/с.

Для бурения неглубоких скважин в верхнем слое морского дна как в отечественной практике, так и за рубежом, находят применение различного типа ЛТС с глубиной бурения от 4 до 6 метров в зависимости от характера отложений. В настоящее время насчитывается более 20 типов ЛТС, которые классифицируются по способу передачи энергии и ее виду, по процессам, происходящим в колонковой трубе [2, 8]. Такое положение сложилось в основном из-за того, что многие из имеющихся ЛТС не удовлетворяют требованиям отбора проб донных осадков при детальном геологическом изучении дна, тщательном стратиграфировании, при поисково-разведочных работах на россыпях и инженерно-геологических исследованиях. Все это потребовало разработки некоторых новых видов ЛТС, обладающих универсальностью в отношении условий эксплуатации и широкой вариации физико-механических свойств проходимых донных отложений [1, 2].

Как показывают исследования ряда ведущих НИИ и вузов [1,2,7,9], в том числе ДонГТУ [2], одним из перспективных направлений решения этой задачи, является создание автономных пробоотборников ударного и ударно-вибрационного действия. Целесообразность и преимущества применяемого способа погружения бурового снаряда в грунт обусловлены возможностью обеспечения:
- требуемой глубины внедрения в мягкие и рыхлые грунты, с включениями валунно-галечниковых отложений и пропластков крепких пород.
- получения мало нарушенного сложения и стратиграфии осадков, вследствие очень кратковременного воздействия на керн проходящего по колонковой трубе ударного импульса.

Как правило, большинство пробоотборников, использующих рассматриваемый способ погружения, не дороги, просты по конструкции, имеют управляемые режимы работы. Для погружения этих пробоотборников в грунт используются электрический, пневматический, гидравлический приводы [1, 2, 4]. Из ЛТС с пневмоударным погружателем наиболее известны пневматические пробоотборники МП-1 (Санкт-Петербургская горная академия, Россия) [1, 8], пробоотборники американских инженеров Б, дель Ре и Дж. Костиглиола [1], английской компании “Terresearch”[8], ведомства ВМФ США [10], Мослера Шпана [1], канадской фирмы “Woodward Clyde Consultants”, итальянской фирмы “Marine Geophisical”[8].

Наиболее мощным виброотборником в мире является установка “Виброкор” американской фирмы “Элпайн джэофизикэл ассосиэтэс”, позволяющий отбирать пробы диаметром 89 мм и длиной до 12 м. В качестве привода в ней использован пневматический поршневой вибратор. Так как отработанный воздух из вибратора выходит на дневную поверхность по специальным шлангам, это позволяет эксплуатировать установку на глубинах моря до 40 м [1]. В целом же, установки, использующие энергию сжатого воздуха, имеют ограниченную область применения по глубине моря из-за сложности выпуска отработанного воздуха при противодействии гидростатического давления толщи воды. Кроме того, при применении пневмоэнергии условие пропорциональности подводимой к забою энергии и производительности разрушения горной породы выполнить трудно. Изотермический К.П.Д. компрессора лежит в пределах 0.55-0.60; утечки воздуха в сети нередко достигают 50-70 %; велики потери давления в сети; невысок К.П.Д. пневматического двигателя, работающего под толщей воды [96]. Все это обуславливает значительные габариты пневмопривода с мощностью, необходимой для достаточного К.П.Д. передачи энергии колонковому набору, и затрудняет использование пневмоударных механизмов в составе ЛТС для подводного бурения с мало- и среднетоннажных плавсредств.

Особенность гидроударных механизмов работающих в составе гидровибрационных пробоотборников состоит в том, что гидродвигатель ГМ функционально в течение цикла реализует две задачи: 1).Разгон и перемещение бойка до встречи с наковальней; 2).Преодоление сопротивлений под малой ступенью дифференциального поршня, обусловленных работой НБ.

Исследование динамики возвратно-поступательного движения бойка предполагает наличие решения, учитывающего полную взаимосвязь процессов, протекающих на всех фазах рабочего цикла ГМ. К традиционному набору сил в цилиндре ГМ добавляется дополнительная составляющая. В самом общем виде уравнение динамики бойка может быть представлено в виде:

Pd - дополнительное давление;

Pgy - гидроударное давление.

Pd Pgy = Pp

Жидкость совершает некоторую работу в цилиндре ГМ и поэтому обладает запасом энергии: где wi — запас энергии на i-й фазе рабочего цикла.Для оценки величины давления под поршнем-штоком в процессе работы НБ нужно проследить образование упругой волны в трубопроводе в результате создания возмущения скорости путем перемещения поршня, находящегося в контакте с жидкостью. Таким образом, разрабатывается математическая модель гидроударного механизма двойного действия.

Эксперимент

Экспериментальные исследования планируется проводитьь на специальной установке, позволяющей осуществить комплекс исследований и получить данные, необходимые для определения закономерностей работы механизма. Установка состоит из испытательного стенда и комплекса измерительной и регистрирующей аппаратуры. В состав испытательного стенда входит буровой насос НБ5-320/100, комплектующийся втулками и плунжерами двух типоразмеров, обеспечивающий в сочетании с трехскоростной коробкой передач шесть ступеней подачи в диапазоне 32...320 л/мин, что позволяет снимать широкое поле рабочих характеристик ГМ в зависимости от расхода рабочей жидкости. В качестве объекта исследований будет использован натурный образец гидроударной установки УГВП-130/8.

Обзор основных результатов

Исследование процессов, происходящих в рабочей камере НБ погружной гидровибрационной установки типа УГВП и ПУВБ, позволит оценить допустимые области работы гидровибрационных пробоотборников и установить степень влияния обратной циркуляции жидкости в полости колонковой трубы на качество кернового материала и величину рейсовой углубки. Полученный метод определения диапазонов возможного качественного опробования рыхлых оород морского дна может быть использован при составлении методики выбора оптимального сочетания технологических параметров режимов бурения и рабочих и конструктивных параметров ГМ в качестве критерия оптимизации, позволяя увязать качественные и количественные покзатели ударно-вибрационного бурения подводных скважин.

Перспектива

Эффективность работы подводного пробоотборника с гидроударным приводом прежде всего определяется соответствием рабочих и конструктивных параметров ударно-вибрационного механизма технологическим параметрам режимов бурения скважины. Технологические параметры зависят от физико-механических свойств перебуриваемых пород. Конструктивные и рабочие параметры зависят от заданных номинальных размеров установки и ГМ, возможностей палубного силового оборудования НИС. Для того, чтобы обеспечить необходимые показатели технологических параметров режимов бурения, ГМ должен обладать определенным сочетанием рабочих и конструктивных параметров. Значения этих параметров ограничиваются как самим характером технологического процесса, так и требованиями, предъявляемыми к отдельным частям ударной системы. Среди последних в первую очередь следует выделить обеспечение высокого коэффициента использования подводимой к машине энергии, получение достаточной выходной мощности, ограничения напряжений прочностью используемых материалов, наличие необходимого диапазона рабочих параметров приводного оборудования.

Заключение

В связи с тем, что задачи и состав буровых работ при морских геологических исследованиях с каждым годом все более усложняются и расширяются, в дальнейшем, при создании новых технических средств или совершенствования известных, необходимо учитывать не только гидродинамические, геологические, климатические и иные особенмости морского участка или района исследований, но и прогресс отрасли в целом, тенденцию развития основных направлений морских геологоразведочных и инженерно-геологических исследований, принимая во внимание уже имеющийся отечественный и зарубежный опыт ведения геологоразведочных работ в морских условиях.

Схема погружения гидроударного снаряда.

Литература

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

2.Фоменко В.С. Разработка технологии и техники отбора проб донных отложений на шельфовой зоне морей колонковыми пробоотборниками с гидроударным приводом: Дисс. ... канд. техн. наук. — Донецк, 1985.

3.Русанов В.А. Повышение качества керновых проб при однорейсовом бурении установками типа УГВП и ПУВБ // В сб. “Тезисы докладов Юбилейной научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Ф.А. Шамшева”.— Санкт-Петербург, 1993. — С. 38.

4.Русанов В.А. К вопросу повышения геологической информативности проб при ударно-вибрационном бурении подводных скважин // В сб. ”Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции”. — Томск, 1994. — С.46—47

5.Русанов В.А. К вопросу повышения геологической информативности проб при ударно-вибрационном бурении подводных скважин // В сб. ”Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции”. — Томск, 1994. — С.46—471984. —264с. Лукошков А.В. Техника исследования морского дна. — Л.: Судостроение

6.Калиниченко О.И., Русанов В.А., Квашин Е.В. Влияние условий работы насосного блока на энергетические характеристики гидроударной машины подводного пробоотборника типа УГВП и ПУВБ // В сб. “Бурение скважин в осложненных условиях”. — Донецк: ДонГТУ, 1996. — С.47 — 49.

7.Калиниченко О.И., Каракозов А.А. Забойные буровые машины и механизмы. — Донецк: ДонГТУ, 1997. — 125 с.

8.Виноградов О.А.,Москвитин В.В.,Нейтман Л.Н. Колонковые пробоотборники для морских работ. // Обзор. Сер. Техн. и технол. геол. - развед. работ; орг. произ-ва. — М.: ВИЭМС, 1973. — 34 с.

9.Ашавский А.М., Вольперт А.Я., Курляндский Ю.И. Исследование рабочего процесса и характеристик гидроударников. // Нефть и газ. — 1974. — №11. — С. 67 — 77.

10.Асеев А.Г., Распопов В.М., Хворостовский С.С. Бурение разведочных скважин на шельфе. — М.: Недра, 1988. — 197 с.

---

На главную    Результаты поиска в Интернет    Библиотека    Ссылки    Индивидуальное задание 

---