Источник: Породоразрушающий инструмент и технология его изготовления. Сб.науч.Трудов. – Киев:ИСМ им.Бакуля, 2009. – Вып.12. – С.49 – 55.
Бурение разведочных и эксплуатационных скважин при освоении нефтегазовых месторождений шельфа Чёрного и Азовского морей сопровождается увеличением объёмов инженерно-геологических изысканий на площадках постановки платформ и трассах подводных трубопроводов. При проведении инженерно-геологических изысканий в конце 90-х годов ГАО «Черноморнефтегаз» – единственное на Украине предприятие, занимающееся морской нефтегазодобычей – столкнулось с очень серьезными техническими и экономическими проблемами, связанными с полным отсутствием необходимой технической базы для эффективной и рентабельной проходки мелких скважин глубиной не более 50 метров. Для решения задач по созданию принципиально новых технических средств для бурения скважин и пробоотбора были привлечены специалисты Донецкого национального технического университета (ДонНТУ).
За период 2001 – 2008 г.г. кафедрой технологии и техники геологоразведочных работ (ТТГР) ДонНТУ совместно с ЗАО «Компания «Юговостокгаз» был создан ряд гидроударных буровых снарядов и установок, одинаково успешно работающих как при однорейсовой проходке скважин глубиной 6 м, так и при многорейсовом бесколонном бурении скважин глубиной до 30 – 50 м с борта неспециализированных судов [1 – 7]. Акцент на использование неспециализированных плавсредств обусловлен составом флота ГАО «Черноморнефтегаз»: имеющиеся спасательные суда и морские буксиры с относительно низкой стоимостью эксплуатации позволяют реализовать новые технологические схемы бурения неглубоких инженерно-геологических скважин.
Установка УМБ-130М предназначена для бурения подводных скважин глубиной до50 м с борта неспециализированных судов [1, 2, 6]. В состав установки входит гидроударный буровой снаряд, придонное основание (опора) для стабилизации бурового снаряда, система канатов, связывающих плавсредство и опору через Гобразные стойки, жестко прикрепленные к фальшборту судна. Привод гидроударного механизма обеспечивается буровым насосом с подачей не менее 450 л/мин при давлении 3,5 – 4,5 МПа (НБ-32, НБ-50, 9МГр и др.). Рабочая жидкость – морская вода. Для выполнения спускоподъемных операций используются: буровая планетарная лебедка грузоподъемностью не менее 25 кН (для спуска и подъема бурового снаряда), судовая грузовая стрела грузоподъемностью не менее 50 кН, обеспечивающая вынос бурового снаряда длиной 6-8 м за борт судна не менее чем на 1,5 м, грузовая лебедка грузоподъемностью не менее 15 кН (для спуска и подъема опоры).
Расход жидкости, подаваемой в гидроударный снаряд, контролируется расходомером, включаемым в нагнетательную линию обвязки насоса, или фиксированными положениями рукоятки сливного вентиля, определяемыми по результатам предварительно выполненной тарировки. В качестве контрольно-измерительного прибора для визуальной оценки характера работы гидроударника используется манометр с пределом измерения давления 10 МПа, который размещается в обвязке насоса в зоне видимости машиниста буровой установки.
Принципиальная схема проходки интервалов скважины установкой приведены на рис. 1.
На первом интервале (фаза 1) производится отбор пробы на установленную глубину при работающем гидроударнике. После углубки на длину рейса буровой насос отключается, и снаряд вместе с направляющим хомутом поднимается вверх. На борту буровой снаряд освобождается из хомута и с помощью грузовой стрелы и буровой лебедки перемещается на рабочую палубу, где укладывается горизонтально. Затем отвинчивается башмак с кернорвателем, и вынимается внутренняя колонковая труба для извлечения керна.
Для отбора керна на следующем интервале скважины ранее пробуренный участок проходится в режиме очистки ствола от обрушенной породы (фаза 2). При входе бурового снаряда в скважину включается буровой насос. Регулировочным вентилем обеспечивается повышенный расход жидкости через буровой снаряд. При этом пусковые узлы, входящие в состав снаряда, направляют жидкость внутрь керноприемной трубы (при отключённом гидроударнике), обеспечивая размыв породы до заданной глубины. На глубине отбора керна снижается подача насоса и производится переключение пусковых узлов, входящих в состав бурового снаряда. Производится запуск гидроударника и буровой снаряд заглубляется в грунт (фаза 3). При этом жидкость, подающаяся в скважину, размывает её стенки, что снижает сопротивление движению снаряда.
В нештатной ситуации, при значительном смещении плавсредства от точки бурения и невозможности попадания снаряда через воронку в ствол скважины, стабилизирующая опора с помощью грузовой лебедки смещается на новую, рядом расположенную точку. В этом случае производится размыв осадков с нулевой отметки до интервала опробования (процесс соответствует фазе 2).
Установка УМБ-130М успешно эксплуатируется на протяжении пяти лет на Чёрном и Азовском морях, также имеются положительные результаты её эксплуатации на морях Тихого и Северного Ледовитого океанов.
В последние годы перед исполнителями инженерно-геологических работ также была поставлена задача бурения геотехнических скважин глубиной до с плавучих самоподъёмных буровых установок (СПБУ). По требованию заказчиков при бурении таких скважин отбор монолитов в мягкопластичных грунтах должен производиться вдавливаемыми пробоотборниками, а отбор монолитов и проб в плотных, полутвердых глинистых грунтах и песках различной плотности – гидроударными буровыми снарядами, аналогичными снаряду установки УМБ-130М.
Для поинтервального отбора проб при бурении геотехнических скважин с СПБУ рекомендуется использовать следующие технологические схемы (рис. 2, 3).
Сначала с СПБУ спускается колонна обсадных труб диаметром 219 – 245 мм. Её башмак устанавливается на расстоянии 1,5 – 2м от дна моря (при наличии сильных течений башмак колонны следует заглубить в грунт во избежание вибрации и изгиба колонны при проведении работ). Затем в эту колонну спускается колонна обсадных труб диаметром 146 мм,предназначенная для крепления стенок скважины в процессе её углубки. Если первый рейс по отбору пробы планируется проводить гидроударным снарядом, то колонну останавливают на расстоянии 0,5 м от дна во избежание заклинивания снаряда в обсадных трубах. Если же при первом рейсе планируется использовать вдавливаемый пробоотборник, то колонну опирают на дно. После этого начинается отбор проб. В зависимости от средства отбора керна предусматривается применение двух компоновок бурового снаряда. При бурении тугопластичных глин, суглинков, песков различной консистенции – гидроударный снаряд ПБС-110 с диаметром корпуса 108 мм, снабжённый одинарным колонковым набором и разъединителем, спускаемый в скважину на бурильных трубах диаметром 73 мм (рис. 2). В мягкопластичных грунтах – вдавливаемый пробоотборник ПР-102 с диаметром корпуса 102 мм, спускаемый в скважину на бурильных трубах диаметром 73 мм, при этом над пробоотборником устанавливается секция УБТ диаметром 89 мм длиной 30 – 40 м и массой не менее 2 – 2,5 т, обеспечивающая его внедрение в глинистые грунты (рис. 3).
Конструктивная схема погружного гидроударного бурового снаряда ПБС-110 [3 – 7] представлена на рис. 4. Структура и принцип работы ПБС-110 соответствуют снаряду установки УМБ-130. Конструкция пробоотборника ПР-102 показана на рис. 5.
Технология работ с применением ПБС-110 с борта СПБУ заключается в следующем. При первом рейсе ПБС с разъединителем спускается на бурильной колонне диаметром 73 мм до касания с дном. К верхней части колонны присоединяется вертлюг-сальник с нагнетательным шлангом для подачи морской воды от бурового насоса к снаряду. При этом расстояние от муфты обсадной колонны диаметром 146 мм до вертлюга-сальника должно быть не менее длины колонковой трубы ПБС. Запускается буровой насос, рабочая жидкость (морская вода) подается в ПБС и производится бурение на заданную длину рейса (до 3 м). Затем гидроударник выключается, и ПБС на бурильных трубах поднимается на СПБУ и из колонковой трубы извлекается керн. После этого обсадная колонна диаметром 146 мм заглубляется в грунт на длину первого рейса.
Второй и последующие рейсы ПБС-110 выполняются следующим образом. Снаряд спускается в скважину на бурильной колонне диаметром 73 мм до момента появления разгрузки инструмента. Если она произошла в момент, когда снаряд не дошёл до забоя, то это свидетельствует о частичном обрушении стенок скважины. Тогда к верхней бурильной трубе присоединяется одна или несколько бурильных труб с вертлюгом-сальником таким образом, чтобы при дальнейшей подаче снаряда обеспечивалась установка ПБС на забой и углубка на длину рейса. Запускается буровой насос, и рабочая жидкость подается в ПБС с расходом, достаточным для срабатывания нижнего пускового узла (НПУ) снаряда, обеспечивающего размыв пород на забое скважины. В таком режиме ПБС опускается на глубину на 10 см выше достигнутой ранее отметки забоя скважины.
После этого насос кратковременно выключается, и НПУ возвращается в исходное положение, обеспечивающее отбор пробы грунта. При помощи питателя в нагнетательную линию сбрасывается шарик. Буровой насос снова включается. При медленном увеличении расхода жидкости обеспечивается срабатывание верхнего пускового узла (ВПУ) и запуск гидроударника. Выполняется бурение скважины на заданную длину рейса. После чего расход жидкости уменьшается до остановки гидроударника, и ПБС поднимается во внутреннюю полость обсадных труб. Затем насос выключается, и ПБС поднимается на поверхность для извлечения керна.
После углубки скважины на длину обсадной трубы (9 – 12 метров) обсадная колонна диаметром 146 мм наращивается ещё одной трубой с установленным в верхней части вертлюгом-сальником. Затем обсадная колонна с расхаживанием и с промывкой спускается до достигнутого ранее забоя скважины.
При использовании для отбора пробы вдавливаемого пробоотборника применяется следующий порядок работы (рис. 3). Пробоотборник вместе с УБТ-89 спускается в скважину на бурильных трубах диаметром 73 мм. В буровой снаряд подаётся морская вода, проходящая через керноприёмник пробоотборника и обеспечивающая размыв обрушившихся пород. Перед отбором пробы в буровой снаряд сбрасывается шарик, перекрывающий в поршне пробоотборника канал для прохода жидкости в керноприёмник. В результате поршень сдвигается и открывает канал для прохода жидкости в скважину. Таким образом, при вдавливании пробоотборника в скважине циркулирует жидкость, обеспечивающая вынос шлама и препятствующая его оседанию над грунтоносом. Шариковый клапан защищает полость керноприёмника от попадания жидкости из бурильной колонны, обеспечивая при этом сохранность керна. Затем пробоотборник вдавливается в грунт под действием веса бурового инструмента, при этом скорость вдавливания регулируется автоматом подачи буровой лебедки. Пробоотборник задавливается в грунт со скоростью до 0,5 м в минуту для рыхлых песчанистых, мягкопластичных грунтов и до 2 м в минуту для тугопластичных глинистых грунтов.
Как и при работе с ПБС-110, предусматривается периодическое крепление стенок скважины обсадными трубами диаметром 146 мм по мере её углубки на величину, соответствующую длине одной обсадной трубы.
Работа снаряда ПБС-110 (рис. 4) заключается в следующем. В режиме размыва пород на забое (рис. 3, а) через канал «ж» направляется увеличенный расход жидкости, приводящий к усилению нагрузки на поршенокон «д» и открытие боковых окон «л» в штоке 8. В таком положении элементов НПУ жидкость поступает внутрь колонковой трубы 10 и далее, через башмак 11 и специальный проходной кернорватель 12, на забой скважины, осуществляя его разрушение. Для работы ПБС в режиме отбора керна (рис. 3, б) в нагнетательную линию сбрасывается шарик 5. После посадки шарика в седло поршня 4 в нагнетательном трубопроводе повышается давление, сила которого обеспечивает срез шплинтов 2. Поршень опускается вниз, перекрывая канал «б». Одновременно открываются окна «в», через которые жидкость направляется в гидроударник. При работе гидроударника (режим отбора керна) отработанная жидкость проходит по кольцевому зазору между кожухом и корпусом гидроударника, и далее, через канал «ж» в наковальне 15 и радиальные окна «д» в цилиндре 9 выходит в скважину. При этом сила, действующая на поршень 6 и определяющаяся величиной перепада давления жидкости в камере «к», компенсируется пружиной 7.
Особенностями конструкции пробоотборника ПР-102 (рис. 5) являются: 1. Наличие поршневого узла, позволяющего обеспечивать размыв обрушившихся пород при постановке на забой и промывку скважины при отборе пробы; 2. Ступенчатый башмак с тонкой режущей кромкой, обеспечивающей получение ненарушенной пробы; 3. Дополнительный пластиковый керноприёмник, обеспечивающий сохранность керна, возможность его описания и транспортировки; 4. Расширитель, обеспечивающий последующее использование в скважине снаряда ПБС-110 с башмаком диаметром до 118 мм.
Устройство работает следующим образом. При спуске пробоотборника в скважину шарик 7 в грунтоносе отсутствует, поэтому через устройство можно осуществлять промывку скважины. Перед отбором монолита в буровой снаряд сбрасывается шарик, который садится в седло поршня 3. Под давлением промывочной жидкости штифт 12 срезается, и поршень 3 перемещается вниз до упора в посадочную муфту 2, открывая радиальные каналы в поршне 1, через которые производится промывка скважины в процессе отбора монолита.
По окончании отбора пробы пробоотборник поднимают над забоем. Монолит удерживается в керноприёмнике за счёт лепесткового кернорвателя, размещённого в башмаке 10, и шарика 7, препятствующего поступлению жидкости в полость керноприёмника сверху.
В качестве керноприёмника используются пластиковые трубы диаметром 90 мм с толщиной стенки 2,2 мм. В керноприёмнике выполнены продольные окна для описания пород, слагающих разрез скважины.
Предложенные технологии и разработанные технические средства прошли апробацию при выполнении инженерных геотехнических исследований площадки под строительство платформы блок-кондукторов Субботинского нефтегазового месторождения на шельфе Черного моря, которое осваивается ГАО «Черноморнефтегаз». С СПБУ «Сиваш» была пробурена инженерно-геологическая скважина глубиной 78 м. При бурении было отобрано 60 проб (из них 30 проб – монолиты). Опыт бурения данной скважины показал, что использование снарядов ПБС-110 и пробоотборников ПР-102 позволяет получить качественные пробы грунта.
Одновременно с бурением с СПБУ «Сиваш» было проведено статическое зондирование грунтов на глубину 61,3 м с использованием зонда (пенетрометра) и регистрирующей аппаратуры фирмы «Geotech» (Швеция). Зондирование проводилось по предложенной авторами технологии с использованием специально разработанного для этих целей оборудования. Последовательность технологических операций при статическом зондировании с борта СПБУ приведена на рис. 6. Технология работ при непрерывном статическом зондировании с применением бурильной колонны 127 мм выполняется следующим образом.
1. Спуск колонны бурильных труб диаметром 127 мм (50 метров УБТ 178 с бурильной головкой 212,7х 80) до касания её с дном, при этом высота муфты замка над поверхностью стола ротора должна быть не более 1 метра (рис.6,а). Колонна жестко фиксируется пневмоклиньями в роторе. Клинья должны обеспечить удержание бурильной колонны при обратной осевой нагрузке 1-1,5 тонн.
2. Спуск защитной колонны диаметром, изготовленной из бурильных труб 73 мм с ниппельным соединением, до поверхности дна. Колонна через переводник с прорезями фиксируется вилкой с колонной бурильных труб диаметром127 мм.
3. Спуск пенетрометра на специальных штангах для зондирования до касания пенетрометра с забоем. Штанги устанавливаются на подкладную вилку и сверху одевается цилиндр подачи, который сначала соединяется со штангами для зондирования, а затем после удаления подкладной вилки – с колонной труб диаметром 73 мм (рис. 6,а).
4. Вдавливание зонда пенетрометра в грунт на длину хода штока цилиндра (рис. 6,б). Длина штанги для зондирования составляет 1 метр, поэтому после углубки на 1 метр выполняется наращивание следующей штанги. Зондирование выполняется на длину 2-х бурильных труб (18 метров) или более в зависимости от конкретного геологического разреза. Если нагрузка на зонд превышает допустимое значение, зондирование прекращается, пенетрометр на штангах поднимается вовнутрь колонны диаметром 73 мм, цилиндр подачи отсоединяется и вместо него навинчивается вертлюг сальник. Штанги для зондирования удерживаются внутри колонны диаметром 73 мм на специальном стопоре. Включается буровой насос и забортная вода подается к забою. Расхаживая, колонну диаметром 73 мм опускают до глубины остановки зонда. После этого углубка прекращается, вертлюг меняется на цилиндр подачи и продолжается зондирование.
5. После углубки скважины на длину, кратную длине бурильной трубы диаметром 127 мм (9 метров), пенетрометр со штангами и колонна труб диаметром 73 мм поднимаются, подсоединяется ведущая труба, и скважина с промывкой расширяется до глубины, на которой остановилось зондирование (рис.6,в). Затем снаряд поднимается, ведущая труба отворачивается и устанавливается на штатное место. Вместо неё присоединяется последующая бурильная труба, и бурильная колонна диаметром 127 мм опускается до забоя и ставится на клинья.
В дальнейшем технологические операции повторяются. По приведенной последовательности технологических операций выполняется зондирование до заданной глубины. При необходимости, статическое зондирование по приведенной технологии можно выполнить в любом заданном интервале скважины, чередуя с отбором проб вдавливаемым грунтоносом или забивным пробоотборником.
Для получения механических характеристик грунтов при выполнении работ использовались измерительные зонды с датчиками: удельного лобового сопротивления под конусом (qс), удельного сопротивления на боковой поверхности зонда (fs), избыточного порового давления (u2) и угла наклона зонда (TA). Полученные данные регистрировались персональным компьютером и воспроизводились в виде графиков. Фрагмент реальных данных, полученных при проведении работ на Субботинском нефтегазовом месторождении, представлен на рис. 7.
В настоящее время на основе установки УМБ-130М и комплекса оборудования для статического зондирования с СПБУ разработана и подготовлена к апробации в промысловых условиях погружная установка статического зондирования УПСЗ-50, которая может эксплуатироваться с борта неспециализированных судов, стабилизирующихся в точке работ при помощи 4-х якорей (в ряде случаев – 3-х), при волнении моря не более 2 баллов. Применение этой установки позволит значительно расширить возможности неспециализированного флота при проведении инженерно-геологических изысканий.
