способ монтажа и демонтажа морского бурового моноопорного основания

Формула изобретения

Способ монтажа и демонтажа морского бурового моноопорного основания, включающий монтаж и настройку системы каналов и клапанов для заполнения затапливаемого понтона основания морской водой и выдавливания ее воздухом, заполнение понтона морской водой, поочередное наращивание секций моноопоры и спуск ее до упора понтона в дно акватории, увеличение плавучести понтона после завершения бурения скважины выдавливанием из него воды воздухом, нагнетаемым в понтон по воздушным каналам, разборку моноопоры по секциям по мере подъема понтона к поверхности моря, отличающийся тем, что в качестве канала для подачи воздуха в понтон с целью подъема понтона с моноопорой со дна на поверхность моря используют непосредственно моноопору, внутренние полости моноопоры и понтона связывают между собой при помощи нагнетательного клапана, при этом внутреннюю полость моноопоры герметизируют на уровне ее верхнего конца и на уровне нижней части понтона, в моноопору нагнетают воздух и выдавливают из нее и из понтона воду через установленные в нем клапаны.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области бурения скважин на акваториях, в частности к способам монтажа буровых моноопорных оснований, их стабилизации на дне акватории и демонтажа.

Известны способы монтажа и стабилизации морского бурового одноколонного основания (МБО) [2, 3], характеризующиеся монтажом на каждой точке бурения скважины моноопорного (одноколонного) основания из обсадных труб, соединяемых между собой при помощи резьбы или фланцев, спуском смонтированной колонны до дна моря и погружением ее нижнего конца ударами в породы морского дна на глубину 4-8 и более метров.

Известные способы [2, 3], в ряде случаев, недостаточно эффективны вследствие: а) больших затрат времени и труда на монтаж и демонтаж моноопоры из труб, соединяемых при помощи фланцев или резьбы; б) искажения свойств донных грунтов на интервале погружения в них ударно-забивным или виброударным способом нижнего конца трубчатой моноопоры.

Физико-механические свойства грунтов, исследуемые при инженерных изысканиях, признаются достоверными, если образцы грунта отобраны вдавливающим или вращательным (а не ударно-забивным) способами укороченными рейсами до 0,5 м с последующим креплением этого интервала скважины обсадными трубами.

Однако бурение и отбор керна вдавливающим и вращательным способами с моноопоры до ее стабилизации в дне моря известным способом [2, 3] невозможны.

Свойства отобранного при этом керна существенно отличаются от естественных, так как нарушаются дважды: 1) при погружении моноопоры поступивший в нее грунт уплотнен и частично отжат в затрубное пространство из-за проявления свайного эффекта; 2) при последующем отборе грунта из моноопоры керноприемниками грунт дополнительно уплотняется, частично разжижается в находящейся в скважине воде и перемешивается с породами нижележащих пород, осаждаясь на забой.

Недостаток способа [2, 3] монтажа и стабилизации МБО, заключающийся в искажении свойств разведываемых донных грунтов, может быть устранен при использовании МБО [1] с затапливаемыми понтонами.

Способ [1] монтажа и стабилизации на точке бурения МБО, принятый за прототип, включает спуск понтона (понтонов) с укрепленной на нем моноопорой до упора в дно моря и наращивание секций моноопоры трубчатого или форменного типа на необходимую высоту по мере спуска понтона. Для повышения устойчивости МБО отсеки его понтона на время бурения заполняют морской водой. Перед демонтажом основания понтон освобождают от воды и поднимают на поверхность моря.

Недостатком способа [1] является необходимость применения специальной системы заполнения отсеков понтона морской водой, конструкция которой сложна, громоздка, дорогостояща, требует больших затрат времени и труда на ее монтаж, обслуживание и демонтаж, не позволяет осуществлять монтаж и демонтаж основания без использования дорогостоящего плавучего крана.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в создании способа монтажа и демонтажа МБО с конструктивно простой, надежной и безопасной в обслуживании системой заполнения его понтона морской водой и выдавливания ее из понтона, который позволил бы осуществлять монтаж и стабилизацию основания на дне, а также его демонтаж после бурения без использования дорогостоящего плавучего крана.

Основной технический результат предлагаемого изобретения - повышение надежности конструкции для монтажа и демонтажа МБО при уменьшении затрат труда, времени и материальных средств на монтаж, стабилизацию и демонтаж моноопорного основания на каждой точке бурения, а также исключение искажений свойств грунта при отборе керна.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается за счет того, что систему клапанов для заполнения понтона морской водой и выдавливания ее из него воздухом устанавливают непосредственно в понтоне и в качестве канала для подачи воздуха в понтон и подъема понтона с моноопорой со дна на поверхность моря используют непосредственно моноопору, для этого внутреннюю полость моноопоры герметизируют на уровне ее верхнего конца и на уровне нижней части понтона, в моноопору нагнетают воздух и выдавливают из нее и из понтона воду через установленные в нем клапаны.

Технический результат в способе монтажа и демонтажа МБО достигается следующим способом.

Способ монтажа и демонтажа морского бурового моноопорного основания включает монтаж и настройку системы каналов и клапанов для заполнения затапливаемого понтона основания морской водой и выдавливания ее воздухом, заполнение понтона морской водой, поочередное наращивание секций моноопоры и спуск ее до упора понтона в дно акватории, увеличение плавучести понтона после завершения бурения скважины выдавливанием из него воды воздухом, нагнетаемым в понтон по воздушным каналам, разборку моноопоры по секциям по мере подъема понтона к поверхности моря.

Отличительной особенностью способа является то, что в качестве канала для подачи воздуха в понтон с целью подъема понтона с моноопорой со дна на поверхность моря используют непосредственно моноопору, внутренние полости моноопоры и понтона связывают между собой при помощи нагнетательного клапана, при этом внутреннюю полость моноопоры герметизируют на уровне ее верхнего конца и на уровне нижней части понтона, в моноопору нагнетают воздух и выдавливают из нее и из понтона воду через установленные в нем клапаны.

Выполнение способа монтажа и демонтажа иллюстрируется чертежами. На фиг.1 приведен общий вид понтона МБО при отстое на плаву; на фиг.2 - сечение понтона А-А на фиг 1; на фиг.3 - схема положения клапанов понтона МБО при заполнении понтона морской водой; на фиг.4 - то же при спуске понтона на дно; на фиг.5 - процесс бурения; на фиг.6 - спуск в моноопору герметизатора; на фиг.7 - процесс выдавливания воды из понтона; на фиг.8 - выполнение способа в части демонтажа и подъема МБО на поверхность моря.

На чертежах приняты следующие обозначения: 1 - понтон; 2 - моноопора; 3 - платформа с буровыми механизмами; 4 - труба моноопоры; 5 - кольцевой буртик на конце трубы 4; 6 - фланцевый элемент для соединения с наращиваемыми секциями труб моноопоры 2; 7 - нагнетательный клапан; 8 - труба в полости понтона 1, нижний и верхний концы которой жестко соединены с днищем и потолком понтона; 9 - сквозные отверстия для выдавливания через них воды из понтона; 10 - выпускной клапан трубы 8; 11 - цилиндр в полости понтона; 12 - сквозное отверстие у верхнего конца цилиндра 11 для выхода воздуха из понтона; 13 - сквозное поперечное отверстие у нижнего конца цилиндра 11 для поступления воды в понтон; 14 - патрубок отверстия 13; 15 - поршни; 16 - шток, соединяющий поршни 15; 17 - гайка фиксации положения поршней 15; 18 - винт с центральным проходным каналом; 19 - отверстие в винте 18; 20 - съемный фланец нижнего конца цилиндра 11; 21 - металлические ребра жесткости понтона; 22 - сквозные отверстия в ребрах жесткости; 23 - трубчатые опоры понтона; 24 - балласт на днище понтона; 25 - герметизатор в трубе 4 понтона; 26 - верхний элемент герметизатора; 27 - нижний элемент герметизатора; 28 - грибок герметизатора под ловитель; 29 - кольцо элемента 26; 30 - кольцевая металлическая шайба; 31 - заглушка; 32 - патрубок заглушки 31; 33 - буровая лебедка; 34 - буровая мачта; 35 - компрессор; 36 - буровое плавоснование; 37 - трап; 38 - трос лебедки 33; 39 - вращатель; 40 - зажимной патрон; 41 - бурильная труба; 42 - трубодержатель.

Монтаж и демонтаж МБО с затапливаемым понтоном предлагаемым способом осуществляют следующим образом.

Осуществляют монтаж и настройку системы каналов и клапанов для заполнения затапливаемого понтона основания морской водой и выдавливания ее воздухом. Для установки МБО на дно акватории заполняют понтон морской водой. Далее ведут поочередное наращивание секций моноопоры и опускают ее до упора понтона в дно акватории. После завершения бурения скважины плавучесть понтона увеличивают выдавливанием из него воды воздухом, нагнетаемым в понтон по воздушным каналам. При этом в качестве канала для подачи воздуха в понтон с целью подъема понтона с моноопорой со дна на поверхность моря используют непосредственно моноопору, внутренние полости моноопоры и понтона связывают между собой при помощи нагнетательного клапана, внутреннюю полость моноопоры герметизируют на уровне ее верхнего конца и на уровне нижней части понтона. В моноопору нагнетают воздух и выдавливают из нее и понтона воду через установленные в нем клапаны.

Выполнение способа иллюстрируется следующим примером.

На точку заложения скважины доставляют на палубе бурового плавоснования 36 или на буксире понтон [1] МБО. При этом механизмы понтона 1 занимают положение, при котором он не может затонуть (фиг.1): внутренняя полость понтона 1 заполнена воздухом, сквозные поперечные отверстия 12 и 13 цилиндра 11 закрыты поршнями 15, клапаны 7 и 10 закрыты. На точке заложения скважины плавоснование 36 заякоривают, путем наклона мачты 34 выносят ее кронблок за пределы плавоснования 36 на величину, равную или незначительно превышающую половину ширины понтона 1, находящегося на плаву возле бурового плавоснования 36, трос 38 лебедки 33 соединяют с верхним концом трубы 4 понтона 1. Если превышение верхнего конца трубы 4 над верхней плоскостью понтона 1 меньше 1 м, то с ее верхним концом при помощи лебедки 33 и мачты 34 соединяют одну трубу моноопоры 2 и ее верхний конец оставляют соединенным с тросом 38 лебедки 33. Причем, с верхним концом трубы 4 можно постоянно, в том числе на время буксировки понтона 1 с одной точки бурения на другую, оставлять соединенной одну трубу моноопоры 2. Устойчивость понтона 1 при этом обеспечивается уложенным на его днище балластом 24 (см. фиг.3).

Затем понтон 1 погружают под уровень моря. Для этого открывают сквозные поперечные отверстия 12 и 13 цилиндра 11, перемещая вниз путем ввинчивания винта 18 в гайку 17 поршни 15, соединенные между собой штоком 16. При этом морская вода через патрубок 14 и сквозные поперечные отверстия 13 поступает в понтон 1, вытесняя находящийся в нем воздух через сквозные поперечные отверстия 12, отверстие 19 и центральный проходной канал винта 18 в атмосферу (фиг.3). Осадка понтона 1 по мере заполнения водой увеличивается, и плавучесть его постепенно становится отрицательной. От ухода к дну моря понтон 1 удерживают при помощи троса 38 лебедки 33. Для обеспечения перетока воздуха и воды во внутренней полости понтона служат металлические ребра 21 жесткости со сквозными отверстиями 22 (фиг.2). После полного заполнения понтона 1 водой его удерживают при помощи троса 38 на уровне совпадения потолка понтона 1 с поверхностью уровня моря. Поршни 15, соединенные штоком 16, перемещают в цилиндре 11 в их крайнее верхнее положение вращением винта 18 в гайке 17 в сторону вывинчивания. В таком положении нижний поршень 15 перекрывает сквозные поперечные отверстия 13, а верхний - сквозные поперечные отверстия 12 цилиндра 11. Этим самым исключают возможность поступления воды и воздуха в понтон и из него через сквозные поперечные отверстия 13 и 12 цилиндра 11.

После этого понтон опускают на тросе 38 ниже уровня моря до положения, при котором верхний конец первой от понтона трубы моноопоры 2 будет возвышаться над палубой бурового плавоснования 36 на 0,3-0,5 м. При этом верхняя плоскость понтона 1 (потолок) и смонтированные на ней устройства (клапан 10, винт 18) окажутся на глубине ниже днища корпуса бурового плавоснования 36 и понтон 1 под действием собственной тяжести самостоятельно примет отвесное положение, при котором оси кронблока мачты 34 и трубы 4 совпадут.

Если кронблок мачты 34 был выведен за пределы бурового плавоснования 36, то мачту 34 возвращают в исходное положение, при котором ее кронблок находится над проемом бурового плавоснования 36. При этом понтон 1 самостоятельно смещается под буровым плавоснованием 36 до совпадения продольной оси трубы 4 понтона 1 с вертикальной осью кронблока мачты 34, труба моноопоры 2 входит в проем плавоснования 36, и верхний конец трубы моноопоры 2 возвышается над палубой плавоснования на 0,3-0,5 м (фиг.4). Если же кронблок мачты 34 не был выведен за пределы плавоснования 36, то понтон 1 после спуска ниже днища корпуса бурового плавоснования 36 самостоятельно сместится до совпадения оси трубы 4 с осью кронблока мачты 34. В таком положении понтона 1 мачты 34 и плавоснования 36 друг относительно друга моноопору 2 наращивают отдельными секциями труб и опускают до упора башмаков трубчатых опор 23 в дно моря и прекращения их погружения в донный грунт.

Далее подбором соответствующих длин наращиваемых секций труб моноопоры 2 обеспечивают превышение ее верхнего конца над палубой бурового плавоснования 36 в пределах 0,8-1,2 м, на моноопору 2 устанавливают при помощи лебедки 33, мачты 34 и троса 38 платформу 3 с расположенными над ней исполнительными буровыми механизмами, к платформе 3 подвешивают на шарнирах трап 37, опирающийся установленными на его втором конце катками о палубу бурового плавоснования 36.

Бурение скважины с моноопорного основания возможно по двум схемам: а) моноопора 2 и платформа 3 с буровыми механизмами находятся в проеме бурового плавоснования 36; б) моноопора 2 и платформа 3 с буровыми механизмами находятся вне бурового плавоснования 36. Первая схема бурения эффективна при волнении моря силой до 3-х баллов. При этом буровое плавоснование 36 не оказывает существенного влияния на напряженно-деформированное состояние моноопоры 2 и не ударяет по платформе 3, так как ее превышение над палубой плавоснования 36, равное 0,8-1,2 м, больше амплитуды его перемещений по вертикали при волнении моря силой даже до 4-х баллов. Для бурения по второй схеме или на период ожидания прекращения шторма буровое плавоснование 36 отводят от моноопоры 2 на расстояние, исключающее их столкновение из-за волнения моря и, соответственно, усиленной качки и дрейфа плавоснования.

При наращивании и спуске бурового снаряда в скважину (фиг.5) вращатель 39 поворачивают при помощи механизма его поворота в наклонное положение и опускают при помощи механизма подачи в крайнее нижнее положение. В зажимной патрон 40 вставляют верхний конец подготовленной для спуска в скважину колонковой или бурильной трубы 41, зажимают трубу 41 в патроне 40, вращатель 39 вместе с трубой 41 поднимают механизмом его подачи в крайнее верхнее положение, вращатель 39 вместе с трубой 41 при помощи механизма его поворота устанавливают в вертикальное положение и опускают через проем трубодержателя 42 в скважину до нижнего положения вращателя 39. Затем опущенную трубу 41 зажимают в трубодержателе 42, раскрепляют зажимной патрон 40, вращатель 39 поворачивают при помощи механизма поворота в наклонное положение, в зажимной патрон 40 вставляют очередную подготовленную для спуска в скважину бурильную трубу 41, и процесс наращивания или спуска бурового снаряда в скважину продолжают по описанной схеме до упора породоразрушающего инструмента в забой скважины. Затем осуществляют бурение скважины по известным технологическим схемам вращательного или вдавливающего способов, управляя работой вращателя и механизма подачи дистанционно с пульта управления, установленного на буровом плавосновании 36.

Подъем бурового снаряда из скважины выполняют в обратной последовательности. Верхнюю трубу 41 находящегося в скважине бурового снаряда закрепляют в зажимном патроне 40 и вращатель 39 вместе с буровым снарядом при помощи механизма подачи поднимают вверх из скважины до появления над трубодержателем 42 резьбового соединения верхней трубы 41 с трубой, находящейся ниже, закрепляют нижнюю трубу в трубодержателе 42, вращением патрона 40 влево свинчивают верхнюю трубу 41 с нижней, вращатель 39 со свинченной трубой 41 поворачивают в наклонное положение, при помощи механизма подачи вращатель 39 со свинченной трубой 41 опускают в нижнее положение, раскрепляют патрон 40, трубу 41 вынимают из патрона 40 и укладывают на палубу бурового плавоснования 36. Далее при помощи механизма поворота вращатель 39 поворачивают в вертикальное положение, зажимной патрон 40 надевают на верхний конец зажатой в трубодержателе трубы и закрепляют ее в патроне 40, трубодержатель 42 раскрепляют и при помощи механизма подачи вращатель 39 вместе с зажатым в патроне 40 буровым снарядом продолжают поднимать из скважины по описанной схеме. Аналогично выполняют спуск, наращивание и подъем обсадных труб. Прихваченную в скважине породами или тяжеловесную обсадную колонну 43 целесообразно извлекать лебедкой 33 бурового плавоснования 36 при снятой с моноопоры 2 платформе 3 с буровыми механизмами. Это предохранит моноопорное основание от чрезмерного нагружения и возможных его поломок.

Демонтаж моноопорного основания после завершения бурения скважины осуществляют следующим образом. С моноопоры 2 снимают при помощи лебедки 33, мачты 34 и троса 38 бурового плавоснования 36 платформу 3 с расположенными на ней буровыми исполнительными механизмами и устанавливают в отведенное для нее место на буровом плавосновании 36. Мачту 34 переводят в положение, при котором ее кронблок находится над проемом бурового плавоснования 36, выбирая якорные тросы со стороны проема и ослабляя, соответственно, противоположные им якорные тросы, буровое плавоснование 36 надвигают на моноопору 2 настолько, чтобы она оказалась под кронблоком мачты 34 в положении, показанном на фиг.6. Затем в моноопору 2 сбрасывают герметизатор 25 нижним металлическим элементом 27 вниз, а грибком 28 под ловитель вверх, верхний конец моноопоры 2 закрывают заглушкой 31, ее патрубок 32 соединяют при помощи шланга с компрессором 35, которым нагнетают в моноопору 2 воздух. До этого времени герметизатор 25, обладая отрицательной плавучестью, опускается в находящейся в моноопоре 2 морской воде вниз под действием собственной силы тяжести (фиг.6). Если герметизатор 25 за период от его сбрасывания до подачи воздуха из компрессора 35 в моноопору 2 не успел опуститься до упора в кольцевой конусообразный буртик 5, то создаваемое компрессором 35 повышенное давление воздуха в моноопоре 2 ускорит процесс продвижения герметизатора 25 вниз. Давление воздуха в моноопоре 2, создаваемое компрессором 35, передается находящейся в моноопоре над герметизатором 25 воде, которая давит на него с силой, равной произведению давления воды в моноопоре 2 на площадь поперечного сечения герметизатора 25. Под действием этой силы кольцо 29 из эластичного материала, находящегося между подвижными друг относительно друга нижней частью верхнего элемента 26 и шайбой 30, сжимается по высоте и увеличивается в диаметре. Этим самым оно уплотняет кольцевой зазор между герметизатором 25 и трубой 4 понтона 1, преграждает дальнейшее выдавливание воды из моноопоры 2 через нижний конец трубы 4 и создает условия для повышения давления воздуха в моноопоре 2, нагнетаемого компрессором 35.

Давление воздуха и воды в моноопоре 2, создаваемое компрессором 35, открывает нагнетательный клапан 7 и находящаяся выше него в моноопоре 2 вода и затем нагнетаемый в моноопору 2 воздух уходят через нагнетательный клапан 7 во внутреннюю полость понтона 1, создавая в нем давление, равное давлению в моноопоре 2. Под давлением воздуха, нагнетаемого компрессором 35, находящаяся в понтоне 1 вода поступает через отверстия 9 в трубу 8, открывает выпускной клапан 10 и уходит из внутренней полости понтона 1 в море. По мере выдавливания воды из внутренней полости понтона 1 увеличивается его положительная плавучесть до величины, которая в сумме с грузоподъемной силой лебедки 33 бурового плавоснования 36 становится достаточной для подъема понтона 1 вместе с моноопорой 2 от дна моря на поверхность (фиг.7). 3атем освобождают верхний конец моноопоры 2 от троса 38 лебедки 33, прекращают подачу воздуха от компрессора 35 в моноопору 2, клапаны 7 и 10 автоматически закрываются, с моноопоры 2 снимают заглушку 31, в моноопоре 2 давление воздуха падает до атмосферного, кольцо 29 из эластичного материала уменьшается в диаметре и между ним и моноопорой 2 образуется кольцевой зазор, через который моноопора 2 может заполниться водой до уровня моря.

Далее лебедкой 33 поднимают понтон 1 с моноопорой 2, разъединяя секции ее труб и укладывая их на буровое плавоснование 36. Подъем осуществляют до приближения верхней плоскости понтона 1 к днищу бурового плавоснования 36 на безопасное расстояние, т.е. до появления верхнего конца трубы 4 понтона 1 (или верхнего конца последней трубы моноопоры 2) над палубой бурового плавоснования 36. Затем на верхний конец трубы 4 снова устанавливают заглушку 31, соединяют ее с компрессором 35, подсоединяют к трубе 4 понтона 1 трос 38 лебедки 33, выводят понтон 1 из проема бурового плавоснования 36 путем отжатия трубы 4 за пределы проема или наклона буровой мачты 34, подают в трубу 4 воздух от компрессора 35 и полностью выдавливают воду из понтона 1 по описанной схеме (фиг.8). С трубы 4 снимают заглушку 31, при помощи ловителя (на фиг.не показан) из трубы 4 извлекают герметизатор 25.

В таком виде (фиг.1) понтон готов для буксировки на новую точку бурения или для безопасного отстоя на плаву на время, например, шторма. При этом подъемная сила понтона 1 максимальна и остается неизменной, так как все его клапаны для выхода из него воздуха и поступления в него воды из моря закрыты: клапаны 7 и 10 закрыты, сквозные поперечные отверстия 12 и 13 цилиндра перекрыты двумя поршнями 15.

Таким образом, заявленный способ монтажа и демонтажа МБО обеспечивают по сравнению с известными способами их монтажа и демонтажа следующие преимущества:

- повышают надежность монтажа и демонтажа МБО;

- уменьшают материальные и трудовые затраты на изготовление, монтаж, демонтаж и обслуживание системы заполнения отсеков затапливаемого понтона морской водой и выдавливания ее из них, так как в качестве канала для подачи воздуха в понтон с целью его подъема с моноопорой со дна на поверхность моря используют непосредственно моноопору;

- гарантируют безопасный спуск до дна, стабилизацию и демонтаж МБО без применения для этого дорогостоящего плавучего крана, а только с использованием лебедки и мачты бурового плавоснования.

Каждое из перечисленных преимуществ повышает скорость монтажа и демонтажа МБО, уменьшает стоимость выполнения этих процессов, что в целом повышает эффективность геологоразведочных работ на море при оптимизации критерия “сложность-стоимость-эффективность”.

Источники информации

1. Воздвиженский Б.И., Конычев М.И., Борисович В.Т. Морское бурение геолого-разведочных скважин// Итоги науки и техники. - М.: ВИНИТИ, 1969, с.32, рис.24 и 25; с.42, рис.32 (прототип).

2. Патент РФ №2171349, МПК 7 Е 21 В 15/02, опубл. БИ №21, 2001, с.297-298 (аналог).

3. Хворостовский С.С., Пронкин А.П. Методы повышения эффективности бурения разведочных скважин с судов, - М.: ЗАО “Геоинформмарк”, 1998, с.88, рис.17 (аналог).