УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИЗ ГРУНТА МОРСКОГО ДНА БУРОВОГО ТРУБЧАТОГО ОДНОКОЛОННОГО ОСНОВАНИЯ

Изобретение относится к области горного дела, а именно: к устройствам для извлечения обсадных труб из скважин и трубчатых свайных одноколонных буровых оснований (моноопор) из грунта морского дна.
Известно устройство для извлечения обсадных труб, включающее насос с соединенным с полостью обсадных труб нагнетательным рукавом, подъемник, заглушку верха колонны обсадных труб, поршневой отражатель, установленный в обсадной колонне с возможностью их относительного осевого перемещения и соединенный посредством тяги с подъемником [2].
Недостаток устройства [2] в том, что при его использовании на буровое основание, подъемные механизмы и вышку передаются большие нагрузки. Моноопоры, с целью обеспечения их равнопрочности по высоте, уменьшения металлоемкости и стоимости, выполняют обычно ступенчатыми и в грунт погружают ступень наибольшего диаметра (из труб диаметром 0,72 м и более). Усилия для извлечения таких моноопор из грунта составляют 300 кН и больше. При извлечении их устройством [2] буровое основание и вышка испытывают в 2 раза большие нагрузки. Плавоснования, рациональные для бурения разведочных, картировочных и инженерно-геологических скважин, не выдерживают такие нагрузки из-за недостаточного запаса их водоизмещения, опасности крена, опрокидывания и потопления.
Известно устройство для извлечения обсадных труб из скважин на море, которое включает насос с нагнетательным рукавом, соединенным с полостью обсадных труб, заглушку верха обсадной колонны, трубчатый стояк и смонтированный на нем поршневой отражатель (двойной манжет). Стояк установлен внутри извлекаемой колонны труб с упором в забой скважины [1]. Это устройство принято в качестве прототипа и по сравнению с устройством [2] существенно уменьшает нагрузки на буровые основания, подъемные механизмы и вышку при извлечении обсадных труб из скважины. Однако извлекать из грунта моноопоры при помощи устройства [1] крайне затруднительно и не эффективно по следующим причинам.
Во-первых, в процессе бурения на море скважину всегда обсаживают одной или несколькими колоннами труб, которые устанавливают внутри моноопоры. При этом извлечение моноопоры из грунта известным устройством [1] возможно начинать только после извлечения из скважины всех колонн обсадных труб. Однако после извлечения обсадных труб из скважины ее стенки оказываются открытыми, и отдельные интервалы ствола скважины перекрыты вывалившимися из ее стенок породами. Для извлечения моноопоры из грунта в этих условиях с применением устройства [1] необходимо, чтобы трубчатый стояк упирался в забой скважины, а поршневой отражатель находился в верхней ступени моноопоры. Длина такого стояка на 3-4 м должна быть большей суммарной высоты открытого ствола скважины и нижней ступени моноопоры. Использование устройства [1] в этих условиях требует больших дополнительных затрат времени, труда и материалов на: а) изготовление стояка, в десятки раз более длинного, чем для извлечения центральной колонны; б) спуск стояка с поршневым отражателем до упора в забой скважины и последующее его извлечение из скважины, причем через интервалы, перекрытые обвалившимися породами.
Во-вторых, в процессе принудительной доставки трубчатого стояка внутри колонны труб до упора в забой скважины, поршневой отражатель, находящийся на верхнем конце стояка, изнашивается, проходя узлы
соединений труб колонны. Восстановить герметизирующие показатели поршневого отражателя на забое скважины невозможно. Из-за этого в извлекаемой колонне часто не удается создать необходимое давление нагнетаемой жидкости и, соответственно, необходимое значение усилия для подъема колонны из скважины. Поэтому требуемая результативность способа по прототипу [1] не всегда достижима.
Задача предлагаемого изобретения заключается в создании устройства, исключающего дополнительные затраты времени, труда и материалов на монтаж и демонтаж трубчатого стояка, утечки из моноопоры нагнетаемой в нее воды, и гарантирующего эффективное извлечение из грунта моноопоры.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в создании устройства, позволяющего регулировать герметизирующие показатели поршневого отражателя, исключать утечки нагнетаемой в моноопору жидкости, эффективно извлекать моноопоры из грунта без монтажа и демонтажа специального трубчатого стояка.
Технический результат изобретения достигается следующим образом.
Предлагаемое устройство для извлечения из грунта морского дна бурового трубчатого одноколонного основания (моноопоры) включает насос с нагнетательным рукавом, соединенным с полостью моноопоры, заглушку для герметизации верха моноопоры, трубчатый стояк и смонтированный на нем поршневой отражатель, установленные внутри моноопоры.
Отличие предлагаемого устройства в том, что поршневой отражатель установлен на верхнем конце колонны обсадных труб, находящейся в скважине и выполняющей при этом одновременно и роль трубчатого стояка.
Отличием предлагаемого устройства является также то, что оно снабжено патрубком, установленным между верхним концом извлекаемой моноопоры и заглушкой, и поршневой отражатель снабжен гайкой, регулирующей и фиксирующей его распор в патрубке.
Расположение в предлагаемом устройстве поршневого отражателя на верхнем конце обсадной колонны исключает необходимость изготовления
стояка и выполнения операций, необходимых при использовании устройства [1], позволяет регулировать плотность посадки отражателя в извлекаемой моноопоре и исключить утечки нагнетаемой в моноопору воды.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена схема извлечения моноопоры из грунта морского дна на примере, когда скважина обсажена одной колонной обсадных труб.
Стенки скважины закреплены колонной обсадных труб 1, которая установлена внутри двухступенчатой трубчатой моноопоры, состоящей из погруженной в грунт нижней ступени 2 из труб большего диаметра и верхней ступени 3 из труб меньшего диаметра, перекрывающей глубину воды акватории в точке бурения скважины. Устройство для извлечения нижней ступени 2 моноопоры из грунта включает поршневой отражатель 4, соединенный при помощи резьбы с верхним концом обсадной колонны 1, патрубок 5, соединенный жестко (например, при помощи резьбы или фланца) с верхним концом верхней ступени 3 моноопоры. Поршневой отражатель 4 для регулирования и фиксации необходимой плотности его распора в патрубке 5 содержит гайку 6. Для удобства регулирования верхний конец патрубка 5 в соединенном с верхней ступенью 3 моноопоры положении возвышается над гайкой 6 поршневого отражателя 4 до 0,1 м. Диаметры патрубка 5 и труб верхней ступени 3 моноопоры одинаковы. В период извлечения моноопоры из грунта с верхним концом патрубка 5 соединена при помощи резьбы или фланца заглушка 7 и с ней при помощи резьбы соединен промывочный сальник 8, подвешенный на канате 9 буровой лебедки. С промывочным сальником 8 герметично соединен нагнетательный рукав 10 от насоса (лебедка и насос на фигуре не показаны).
Извлекают буровое трубчатое одноколонное основание (моноопору) из грунта морского дна следующим образом.
На верхний конец находящейся в скважине колонны обсадных труб 1 устанавливают поршневой отражатель 4, на поршневой отражатель 4 надевают патрубок 5 и соединяют его с верхним концом верхней ступени 3
моноопоры, при помощи гайки 6 регулируют и фиксируют необходимую плотность распора поршневого отражателя 4 в патрубке 5. Затем на верхний конец патрубка 5 устанавливают заглушку 7, с ней соединяют промывочный сальник 8, подвешенный на канате 9 буровой лебедки, с промывочным сальником 8 соединяют нагнетательный рукав 10 и по нему от насоса в верхнюю ступень 3 моноопоры под напором подают воду.
В полости верхней ступени 3 моноопоры, между заглушкой 7 и поршневым отражателем 4, повышается давление воды, под действием которого поршневой отражатель 4 и заглушка 7 стремятся переместиться друг относительно друга в противоположные направления (на фигуре показано стрелками). При этом величина усилия, действующего на поршневой отражатель 4 и заглушку 7, одинакова и равна произведению давления воды между ними на площадь сечения переходника 5 по его внутреннему диаметру. Держащая сила моноопоры в грунте равна произведению удельного сопротивления пород по боковой поверхности нижней ступени 2 моноопоры на площадь ее боковой поверхности, контактирующей с этими породами.
Моноопора, при определенных соотношениях величин сил создаваемой в ней напором воды и удерживающей ее в грунте, может быть извлечена силой, создаваемой только насосом. Тем не менее, начинают извлекать моноопору из грунта предлагаемым устройством совместными усилиями лебедки и давления нагнетаемой воды, фиксируемого на манометре насоса. И это имеет смысл. После подъема нижней ступени 2 моноопоры из грунта обычно на 2-3 м давление воды на манометре падает до нуля, а моноопора продолжает двигаться вверх, причем зачастую быстрее, чем при наличии давления воды между поршневым отражателем 4 и заглушкой 7. Это свидетельствует об уменьшении сопротивления извлечению моноопоры настолько, что она извлекается силой тяги только буровой лебедки, причем со скоростью, большей скорости заполнения водой увеличивающегося пространства между поршневым отражателем 4 и заглушкой 7.
Подняв моноопору совместными усилиями напора воды и буровой лебедки до положения, с которого моноопора извлекается только при помощи лебедки, с моноопоры демонтируют заглушку 7 с промывочным сальником 8, извлеченные трубы верхней ступени 3 и патрубок 5. Далее с обсадной колонны 1 демонтируют поршневой отражатель 4, чтобы он напрасно не изнашивался трением об него стенок труб извлекаемой верхней ступени 3 моноопоры, и подъем моноопоры продолжают до полного ее извлечения из грунта только при помощи буровой лебедки. Затем известными устройствами [1] или [2] совместно с буровой лебедкой из скважины извлекают колонну обсадных труб 1.
Сила напора воды, извлекающая моноопору, одновременно стремится вдавить в породы колонну обсадных труб 1. Однако, несмотря на то, что диаметр колонны 1 меньше диаметра нижней ступени 2 моноопоры, силы давления воды при извлечении моноопоры не вдавливают колонну 1 в породы по следующим причинам. Во-первых, с увеличением на каждый 1 м глубины залегания слоев пород и, соответственно, погружения в них труб, сопротивление пород по их боковым поверхностям возрастают на 0,4-7 кПа [3, табл.15]. Во-вторых, погружению колонны 1 препятствуют породы забоя, удельные сопротивления которых по лобовой поверхности превышают удельные сопротивления пород по боковой поверхности колонны более чем в 80 раз [3, табл.16]. В-третьих, извлекают моноопору совместными усилиями лебедки и напора жидкости. При этом сила на вдавливание колонны 1 в породы меньше, чем на извлечение моноопоры, на величину грузоподъемной силы лебедки. В-четвертых, глубина погружения в грунт нижней ступени моноопоры обычно составляет 4-6 м, а обсадной колонны - 30 м и более.
Подтверждением тому, что сила давления воды при извлечении моноопоры не вдавливает колонну 1 в породы, является следующий пример оценки необходимой величины давления воды и выбора экономичного бурового грузоподъемного оборудования для извлечения моноопоры из грунта предлагаемым устройством.
Скважина пробурена на акваториях Японского моря с плавоснования, оснащенного буровой вышкой с грузоподъемностью до 300 кН, лебедками для извлечения моноопор и колонн обсадных труб из скважин с усилием на канате не более 150 кН (15 тс) и электростанцией мощностью 80 кВт. Верхняя ступень моноопоры выполнена из труб диаметром 0,273/0,250 м (наружный/внутренний). Нижняя ступень моноопоры выполнена из труб диаметром 0,720 м и погружена в грунт на глубину даже 8 м. В интервале от 8 до 38 м стенки скважины закреплены трубами диаметром 0,168 м.
Удельное сопротивление пород по боковой поверхности моноопоры равно 22 кПа. Это среднее значение для вычисления усилий извлечения труб, контактирующих с породами до глубины 20 м от дна моря. Оно установлено экспериментально при извлечении обсадных труб из скважин, пробуренных на акваториях Японского моря [1]. При извлечении обсадных труб, погруженных в породы на глубины более 20 м от дна моря, значения удельного сопротивления по боковой поверхности труб увеличиваются.
Таким образом, обсадная колонна труб контактирует с породами в интервале 8-38 м и на 18 м выходит за пределы глубины 20 м, до которой удельное сопротивление пород по боковой поверхности труб равно 22 кПа. В примере прирост удельного сопротивления пород по боковой поверхности обсадной колонны по мере погружения ее на каждый 1 м после глубины залегания пород 20 м принят равным всего 0,4 кПа. Вычисленное среднее значение удельного сопротивления пород по боковой поверхности обсадной колонны в интервале глубин залегания пород 20-38 м составляет 25,8 кПа.
Вычисленные для описанных условий силы удержания в породах составляют: моноопоры - 378 кН, обсадной колонны - 384 кН. Из этих результатов следует, что при извлечении моноопоры даже только напором жидкости, т.е. без буровой лебедки, опасности погружения в породы обсадной колонны нет, так как сила удержания ее больше, чем моноопоры.
Предлагаемое устройство эффективно для извлечения не только моноопорных оснований из грунта, но и обсадных труб из скважин,
обсаженных несколькими концентрично установленными в них колоннами. Аналогом устройства для извлечения моноопор первой из нескольких концентрически установленных в скважине колонн обсадных труб извлекают наружную колонну (наибольшего диаметра). При этом колонну меньшего диаметра используют в качестве трубчатого стояка и на нее устанавливают поршневой отражатель. Центральную колонну обсадных труб извлекают при помощи известных устройств [1 или 2].
Для извлечения предлагаемым устройством из грунта моноопоры указанных выше параметров только напором воды (без лебедки) необходимо создать в полости верхней ступени моноопоры над поршневым отражателем давление воды 7704,5 кПа (78,6 ат), т.е. необходим насос, развивающий давление 8 МПа. Причем, мощность привода насоса и лебедки в сумме не должна превышать 80 кВт. Из буровых насосов наиболее близким является насос НБ5-320/100, развивающий максимальное давление 10 МПа. Мощность его привода 37 кВт, масса без рамы и двигателя 1100 кг [4].
Более приемлемым является насос ГБ-351, развивающий давление до 30 МПа при производительности 30 л/мин. С электромотором мощностью 17 кВт его масса 540 кг. Однако использование этого насоса при извлечении обсадных труб из скважин при помощи устройства прототипа во многих случаях не было эффективным, так как после принудительного спуска трубчатого стояка с поршневым отражателем (манжетами) к забою через все узлы резьбовых соединений труб колонны манжеты истирались, и требуемая герметизация забоя скважины не обеспечивалась [1]. Восстановить герметизирующий показатели отражателя на забое скважины невозможно, поэтому создать необходимое давление жидкости в колонне обсадных труб над манжетами при производительности насоса ГБ-351 удавалось не всегда.
При использовании предлагаемого устройства ограничений по производительности насоса нет. Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом повышает качество герметизации пространства внутри извлекаемой моноопоры или колонны обсадных труб и надежность их
извлечения при одновременном уменьшении на выполнение этих процессов затрат времени, материалов и труда. Установка в предлагаемом устройстве поршневого отражателя на верхний конец колонны обсадных труб исключает необходимость изготовления требуемого в прототипе специального трубчатого стояка, принудительного спуска его вместе с поршневым отражателем внутри колонны труб до упора в забой скважины, последующего принудительного извлечения отражателя со стояком из колонны. В предлагаемом устройстве поршневой отражатель установлен на верхнем конце обсадной колонны, в поле видимости и доступности к нему бурового персонала. Это позволяет регулировать плотность посадки поршневого отражателя в извлекаемой моноопоре или колонне обсадных труб и всегда достигать требуемого результата.
Предлагаемое устройство эффективно для извлечения одноколонных трубчатых оснований и колонн осадных труб из скважин, пробуренных не только на море, но и для извлечения колонн обсадных труб, пробуренных на суше. Его применение позволит конструировать экономичные, компактные, легкие, удобные буровые агрегаты: использовать более легкие и потребляющие меньшее количество энергии нагнетательные насосы и буровые лебедки, отказаться от применения домкратов, громоздких многострунных оснасток, упростить и облегчить конструкции кронблока и вышки. Все это при работе на море позволит использовать более легкие буровые плавоснования, снизить их центр тяжести и повысить остойчивость.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Техника и технология геологоразведочных работ; организация производства. - М.: ОНТИ ВИЭМС, ЭИ, №23, 1972, с.24-30. (прототип).
2. Авторское свидетельство СССР №599042, кл. Е21В 19/00, БИ №11, опубл. 25.03.78. (аналог).
3. Ребрик Б.М. Ударное бурение грунтов. - М.: Недра, 1976, табл.15 и 16.
4. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин. Том 1. / Под общей ред. проф. Е.А.Козловского. - М.: Недра, 1984. Табл.III.16.