Способ определения прочности льда в торосах и стамухах

Изобретение относится к измерениям, а более конкретно, связано с применением устройств для измерения силы, напряжения и толщины и является способом для определения прочности льда в торосах и стамухах, распределенной как по толщине, так и по площади ледовых образований. Такие данные могут быть использованы при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений на шельфе замерзающих морей и обеспечении ледового плавания.

Известен способ определения строения торосов и стамух, в том числе заглубления относительно поверхности верхней и нижней границ консолидированного слоя (консолидированный слой в торосе или стамухе представляет собой монолитный слой вновь смерзшихся блоков и обломков льда, расположенных близко к поверхности воды) по скорости проходки термобурового снаряда в торосе или стамухе /1/. Бурение может производиться водяным термобуровым снарядом при подаче в него горячей воды или снарядом с электронагревательной коронкой. В первом случае при высокой скорости бурения снижена точность определения плотностных границ в ледяном образовании. Во втором случае повышенная точность определения границ плотности в ледяных образованиях обеспечивается низкой скоростью бурения.

Недостатком указанного способа является невозможность получения характеристик прочности на основании качественного определения плотности льда в торосе или стамухе по изменению скорости движения бурового снаряда.

Известен так же способ, принятый за прототип, определения характеристик прочности ровного льда и ледовых образований в натурных условиях при внедрении индентора с помощью гидроцилиндра в стенку скважины при его распирающем воздействии с одной стороны и ограничении перемещения гидроцилиндра при помощи опорной плиты с противоположной от индентора стороны /2/.

Недостатком указанного способа является низкая геометрическая точность определения плотностных границ в торосах и стамухах вследствие образования значительной зоны разрушения льда при внедрении индентора в стенку скважины, что вызывает необходимость проводить испытания по глубине скважины с шагом, в несколько раз превышающим размер индентора. Применение индентора небольшого размера (сравнительно с опорной плитой) приводит к ошибкам в определении прочностных характеристик в парусе и киле торосов и стамух, сформированных из слабо смерзшихся обломков и блоков льда, размеры которых значительно превосходят индентор. Кроме того бурение скважины под зонд-индентор проводится шнековым буром, что приводит к трудоемкому процессу прочистки скважины от буровой стружки.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности измерения прочности льда по толщине и площади естественных ледяных образований. Указанный технический результат достигается следующим образом. Предварительно проводят разбивку параллельных секущих профилей с заданным шагом, проходящих перпендикулярно гребню тороса или стамухи. На профилях намечают в узлах равномерной сетки точки термобурения. В этих точках проводят бурение при помощи водяного термобура или же электротермобура (в зависимости от решаемых задач) с записью на компьютер (логгер). В результате определяют толщину паруса до верхней границы консолидированного слоя, толщину консолидированного слоя до его нижней границы и толщину киля тороса до воды или до донного грунта в случае стамухи и распределение этих значений по площади тороса или стамухи. Далее выявляют на качественном уровне наиболее характерные или максимальные по толщине области консолидированного слоя. В этих точках соосно со скважинами термобурения проводят бурение скважин при помощи керноотборника для проведения испытаний прочности льда зонд-индентором. Далее для проведения испытаний прочностных характеристик в парусе и киле тороса на гидроцилиндр зонда устанавливается индентор в виде сегмента цилиндра, по размерам совпадающий с размерами опорной плиты. В этом случае испытания проводятся с нагружением стенки скважины в обоих направлениях. Размер индентора обеспечивает необходимое нагружение в среде, сформированной из обломков льда, а меньшая прочность такой среды по сравнению с ровным льдом и с консолидированной частью тороса позволяет определить ее прочностные характеристики при низких значениях напряжения внедрения и уменьшенной величине внедрения. Для проведения испытаний прочности льда в консолидированном слое зонд-индентор извлекается из скважины, вместо индентора в виде сегмента цилиндра, совпадающего по площади с опорной плитой, устанавливают индентор по площади на порядок меньше площади опороной плиты. Далее зонд-индентор опускают в скважину до уровня консолидированного слоя и проводят испытания прочности льда с внедрением индентора в стенку скважины относительно опорной плиты. В зависимости от толщины консолидированного слоя проводят несколько испытаний, последовательно опуская зонд в скважину.

Принцип действия поясняется схемой фиг. 1, на которой представлен торос 1 в разрезе. Торос 1 состоит из паруса 2, киля 3 и консолидированного слоя 4. Торос находится на плаву и окружен ровным льдом 5. На схеме условно обозначен уровень моря 6 и донный грунт 7. Поперек гребня тороса термобуром пробурены скважины 8. В характерных выбранных местах соосно со скважинами 8 пробуриваются при помощи керноотборника скважины 9, в которых проводятся испытания прочности льда с помощью зонд-индентора. Керноотборник обеспечивает выбуривание скважины с образованием минимального количества буровой стружки по сравнению со шнековым буром, что существенно уменьшает трудозатраты на прочистку скважины. Кроме того, качество скважины значительно выше, чем при бурении шнековым буром, что также повышает качество испытаний прочности льда.

Способ определения прочности льда в торосах и стамухах осуществляется следующим образом. На поверхности тороса 1 или стамухи (стамуха на фиг. 1 не представлена) размечаются параллельные профили на выбранном расстоянии друг от друга. На профилях с заданным шагом отмечаются точки, где производится бурение скважин 8 при помощи термобура для определения вертикальных размеров паруса 2, консолидированного слоя 4 и киля 3. Далее по результатам термобурения выбирают характерные места для бурения скважин 9 керноотборником соосно со скважинами 8, в которых проводят испытания с помощью зонд-индентора. Совпадение местоположения скважин термобурения и скважин, подготовленных керноотборником, обеспечивает точность испытаний прочности ледяных образований по толщине. Далее на зонд-индентор устанавливают индентор в виде сегмента цилиндра с размером, совпадающим с опорной плитой, и проводят испытания прочности льда в парусе и киле тороса или стамухи. Зонд извлекают из скважины и на нем заменяют сегментный индентор на индентор на порядок меньше площади опорной плиты. Зонд-индентор опускают в скважину до уровня консолидированного слоя 4 и проводят испытания прочности льда в консолидированном слое. Количество испытаний зависит от толщины консолидированного слоя.

Используемые источники

1. Морев В.А., Морев А.В., Харитонов В.В. Способ определения структуры торосов и стамух, свойств льда и границы льда и грунта. Патент на изобретение №2153070 от 20.07.2000.

2. Ковалев С.М., Никитин В.А., Смирнов В.Н., Шушлебин А.И. Способ определения физико-механических характеристик ледовых образований в натурных условиях в скважинах. Патент на изобретение №2348018 от 27.02.2009.