книги / Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов. Буровые машины и механизмы

–быть достаточно прочными и устойчивыми при максимальных нагрузках, возникающих в процессе бурения или ликвидации аварий;

–иметь необходимый запас высоты для размещения талевого блока, элеватора и маневрирования с буровыми свечами и колонковыми наборами;

–удовлетворять правилам безопасности на геолого-разведочных работах;

–иметь возможно меньшие массу и габаритные размеры, а также конструкцию, обеспечивающую транспортабельность и простоту монтажно-демонтажных работ.

Вышками называют конструкции, имеющие не менее трех опор, воспринимающих полезную нагрузку, а мачтами – конструкции с одной или двумя такими опорами. Вышки и мачты классифицируют по пространственной геометрической форме, которая дает достаточно полное представление об их конструкции, возможности применения в конкретных условиях и влияет на массу, габаритные размеры их и способ монтажнодемонтажных работ. По этому признаку вышки разделяют на пирамидообразные и башенные (в виде усеченной пирамиды), а мачты – на призматические, пирамидообразные, А-образные и шестовые.

Буровые вышки изготовляют из труб, профильного проката и иногда в малоосвоенных и труднодоступных лесных районах – из дерева. Трубы по сравнению с профильным прокатом обладают способностью воспринимать большие сжимающие нагрузки, кроме того, трубные конструкции при равной грузоподъемности имеют меньшую массу. Металлические вышки в 8…10 раз долговечнее деревянных, обладают большей грузоподъемностью, безопасны в пожарном отношении.

Буровые вышки могут быть трех- и четырехгранными. Четырехгранные башенные вышки широко используют для бурения в основном вертикальных скважин различной глубины. Эти вышки в плане имеют значительные габаритные размеры, поэтому для улучшения транспортабельности их выполняют разборными.

Применяемые на разведочных работах металлические вышки высотой 18–26 м имеют идентичные элементы, основными из которых являются стойки, пояса, раскосы и хомуты. Стойки и пояса обычно изготовляют из труб, раскосы – из уголков, труб или прутка, а хомуты – из листовой стали.

Грань вышки (рис. 6.1) разделяется поясами 2 на панели. Место соединения стоек 1, поясов и раскосов 3 называется узлом, а соединяющая их деталь – хомутом 4.

Нижняя 6 и верхняя 7 рамы крепятся к башмакам, установленным на концах образованных из стоек ног. В передней и задней гранях вышки выполнен проем — портал 5, необходимый для подъема с мостков и перемещения к устью скважины колонковых наборов, бурильных и обсадных труб. Для подъема и опускания кронблока при монтажно-демонтажных работах на верхней раме установлен фонарь 8 с монтажным роликом. Все элементы вышки соединены болтами, что позволяет в случае необходимости разбирать ее при перебазировке.

Башенные вышки различной высоты и грузоподъемности конструктивно мало отличаются друг от друга. Наиболее распространенной является вышка ВРМ-24/30 (рис. 6.2), предназначенная для бурения геолого-разведочных скважин глубиной до 1600 м. Она монтируется на металлическом основании, представляющем собой раму-сани. Ноги вышки соединяются с основанием с помощью двух башмаков и двух шарнирных опор.

На верхней раме установлены кронблок с четырьмя шкивами и фонарь с монтажным роликом. На поясах седьмой панели размещена рабочая площадка для второго помощника бурильщика, а на поясах четвертой панели смонтирован оттяжной ролик для обеспечения правильной навивки каната на барабан лебедки.

81

До уровня рабочей площадки вышка оборудована металлическими маршевыми лестницами с переходными площадками, а выше – лестницей тоннельного типа.

Ноги вышки, пояса трех нижних панелей и пояса под рабочей площадкой выполнены из цельнотянутых труб диаметром 102/90 мм, остальные пояса – из труб диаметром 60/50 мм. Раскосы трех нижних панелей изготовлены из стальных прутьев диаметром 24 мм, а все другие – диаметром 20 мм.

Пирамидообразные трехгранные вышки-треноги (рис. 6.3.) применяют для бурения неглубоких (редко более 300 м) вертикальных и наклонных скважин в труднодоступных и малоосвоенных районах, когда использование серийно выпускаемых мачт и вышек невозможно или экономически невыгодно. Такие вышки обычно изготовляют из труб, а в лесных районах – из дерева.

Ноги 1 вышки (см. рис. 6.3) вверху соединяют шкворнем, к которому подвешивают кронблок 4. Через его нижнюю серьгу пропускают страховочный канат или цепь 5, закрепляемые на ногах вышки. Ноги для обеспечения жесткости связывают через 2,5–3 м поясами, на которых укрепляют площадки – полати 3. Лестница 6 крепится к задней ноге или размещается между полатями. При бурении наклонных скважин предусматривают желоб 2 для направления ненагруженного элеватора.

Буровые мачты применяют при бурении скважин различной глубины с углами наклона 90–70° к горизонту.

82

Рис. 6.3. Пирамидообразная трехгранная вышка:

1 – ноги вышки; 2 – желоб; 3 – полати; 4 – кронблок; 5 – цепь; 6 – лестница

При равных с башенными вышками высоте и грузоподъемности они менее металлоемки и имеют меньшее число разъемных деталей. Применение мачт вместо вышек снижает затраты времени на монтажно-демонтажные работы с 8 до 2 % от времени на собственно бурение скважины, уменьшает транспортные и другие эксплуатационные расходы.

Буровые мачты представляют собой несущий ствол – стержень или конструкцию А-образной формы, смонтированную на основании. Несущий ствол выполняют в виде стойки, фермы или решетчатого стержня закрытого типа или с открытой передней гранью (П-образного сечения). Мачты с открытой передней гранью широко применяют в установках с подвижными вращателями. Ноги А-образных мачт выполняют в виде трехгранных или четырехгранных пространственных ферм, а иногда в виде трубчатых колонн.

Мачты небольшой высоты (до 12…14 м) обычно неразборные, а при большей высоте их выполняют секционными для уменьшения размеров при транспортировке. Секционные мачты разделяют на сборные, складные и телескопические (рис. 6.4).

Сборные мачты состоят из отдельных цельносварных секций, что значительно ускоряет монтажно-демонтажные работы. Сборные А-образные мачты типа ВАС (см. рис. 6.4, а) широко используют при бурении нефтяных и газовых скважин.

83

Рис. 6.4. Секционные буровые мачты:

а – сборная А-образная мачта типа ВАС; б – двухсекционная складная мачта с гидроцилиндром подъема; в – телескопическая мачта

Мачта ВАС-42, например, состоит из 37 разъемных деталей, в то время как у башенной вышки ВМ-41, имеющей те же высоту и грузоподъемность, их число в 7 раз больше.

Складные мачты имеют шарнирно связанные секции, что позволяет складывать их

втранспортное положение. На рис. 6.4, б показана двухсекционная мачта, подъем и опускание которой осуществляются гидроцилиндром 2, шарнирно соединенным с верхней секцией и подкосом 1.

Утелескопических мачт (см. рис. 6.4, в) верхняя секция при демонтаже опускается

внижнюю.

При бурении геолого-разведочных скважин используют в основном мачты стержневого типа, несущие стволы которых представляют собой пространственную решетчатую металлоконструкцию или трубчатую колонну. Конструктивная схема мачт решетчатой конструкции сложнее, а трудоемкость изготовления значительно выше, чем трубчатых мачт, поэтому в последние годы больше применяют трубчатые мачты.

Трубчатая буровая мачта МРУГУ-2 (рис. 6.5) состоит из стрелы 1, установленной на основании 7, боковой опоры 8 и боковых сошек 4.

Стрела – двугранная, сварная из трубчатых элементов, имеет в сечении вид прямоугольного равнобедренного треугольника. Ее несущий ствол диаметром 140 мм расположен в прямом углу треугольника, а трубы диаметром 48 мм – в двух других его углах. Трубы и несущий ствол связаны поясами и раскосами и образуют две грани стрелы. Помимо этого трубы меньшего диаметра соединены кольцевыми поясами 3, которые служат ограждением лестницы тоннельного типа.

На стреле смонтированы кронблок 9 и свечеприѐмник 2. Конструкция кронблока позволяет производить спуско-подъемные операции с применением двухструнной талевой оснастки. Наличие двух шкивов обеспечивает правильную навивку каната на барабан лебедки.

84

Рис. 6.5. Буровая мачта МРУГУ-2:

1 – стрела; 2 – свечеприѐмник; 3 – кольцевые пояса ограждения лестницы; 4 – боковые сошки; 5 – направляющий трос элеватора; 6 – винтовые домкраты; 7 – основание;

8 – боковая опора; 9 – кронблок

Мачта и буровое здание монтируются на общем основании в виде рамы-саней. Шарнирное соединение опорных элементов мачты с основанием позволяет наклонять стрелу под заданным углом. Ее положение регулируют винтовыми домкратами стойки 6 и боковых сошек 4. Устойчивость мачты в наклонном положении обеспечивается винтовым домкратом на боковой опоре 8. При бурении наклонных скважин на стреле

85

укрепляют направляющий трос 5 с подвижной кареткой для удержания элеватора на оси скважины [7].

Для выполнения различных операций в процессе проводки скважины на нефть и газ необходимо над ее устьем и около него иметь ряд сооружений и металлических конструкций (рис. 6.6). К их числу относится вышка 6, ось которой проходит по оси скважины. Высота вышки определяет длину свечи при СПО. Внутри вышки размещены талевая система и комплект свечей 5, а также имеется необходимое пространство для манипуляций с трубами, свечами и инструментом при их свинчивании и развинчивании.

Основание 4 вышки и ротора представляет собой площадку, где размещены ротор 7, спуско-подъемное оборудование, инструмент, а также подсвечники 3 для установки свечей. Пол буровой 8 располагается на некоторой высоте от устья скважины, чтобы было пространство для установки оборудования для герметизации устья 9 и создания безопасных условий бурения.

Рис. 6.6. Сооружения и металлические конструкции буровой установки: 1 – приемные горизонтальные мостки; 2 – приемные контрольные мостки;

3 – подсвечники; 4 – основание вышки; 5 – комплект свечей; 6 – вышка; 7 – ротор; 8 – пол буровой; 9 – оборудование для герметизации устья скважины; 10 – основание силового привода; 11 – силовой привод лебѐдки, ротора и насосов; 12 – основание для установки буровых насосов и оборудования циркуляционной системы;

13 – буровой насос

Основание силового привода 10 служит для размещения двигателей и трансмиссий 11 привода лебедки, ротора и насосов. Основания 12 буровых насосов и оборудования циркуляционной системы необходимы для установки насосов 13 и их трансмиссий, оборудования для очистки и приготовления бурового раствора, а также резервуаров для раствора и реагентов. Приемные горизонтальные 1 и наклонные 2 мостки нужны для подготовки и затаскивания в буровую бурильных, утяжеленных и обсадных труб; козлы-стеллажи – для хранения запаса этих труб. Конструкции оснований могут быть самыми различными в зависимости от условий бурения (на суше, в болотах, на равнинной или горной местности или в водных пространствах). Конструкции вышек менее разнообразны и в основном зависят от допустимой нагрузки на крюк, высоты установки и требований монтажеспособности.

Вышки подразделяются на мачтовые, имеющие одну или две опоры, и башенные, имеющие три или четыре опоры. Степень разборности вышки определяет

86

монтажеспособность и транспортабельность. Мачтовые секционные вышки состоят из нескольких сварных неразборных секций, собираемых обычно в горизонтальном положении, мачтовую вышку поднимают в собранном виде. Башенные вышки собирают в вертикальном положении из отдельных элементов, на что тратится больше времени, чем при монтаже мачтовых. В настоящее время в установках для бурения на континенте применяют вышки мачтового типа большой грузоподъемности 400–500 т и более. В установках для бурения на море, наоборот, используют практически только башенные вышки, так как они не разбираются, но обладают большой устойчивостью

[6, 12].

6.2. Буровые вышки, устройство и параметры

Буровая вышка представляет собой вертикальную металлическую конструкцию в виде усеченной пирамиды, сужающуюся кверху. Она состоит из боковых граней, верхняя часть которых снабжена рамой для монтажа кронблока, а нижняя часть граней крепится к основанию буровой. В средней части вышки смонтированы балкон для работы второго помощника бурильщика и магазин для размещения верхних концов свечей. Вышки оборудуются лестницами, стремянками или подъемником.

Вышки классифицируют по максимальной нагрузке, по размерам – высоте и площади основания, по системе опирания и передачи нагрузки на основание, по степени разборности и способам монтажа. Основные параметры вышек – максимальная нагрузка и размеры – высота и площадь основания.

Максимальная нагрузка на вышку – это предельно допустимая вертикальная статическая нагрузка на крюк, которая не должна быть превышена в процессе всего цикла проводки скважины независимо от вида и продолжительности выполняемых операций. Действующие нагрузки ниже предельной не должны приводить к разрушению вышки. Если они превышены, то возможно разрушение вышки.

Рис. 6.7. Схема определения высоты вышки

87

Размеры вышки – высота, ширина, длины основания и площадки под кронблок. Высота h определяется необходимым расстоянием между уровнем пола буровой и рамой кронблока для перемещения талевого блока при СПО (рис. 6.7). Высота h складывается из h1 – расстояния по вертикали от пола вышки до торца замка подвешенной свечи, h2 – длины штропов, крюка и талевого блока, h3 – запаса на переподъем – расстояния между верхним торцом талевого блока и нижней поверхностью кронблока (6–10м), l – длины свечи. Для уменьшения времени на СПО бурильные трубы извлекают из скважины соединенными по две или три, т. е. образуется свеча длиной 18, 24 или 27 м в зависимости от длины труб. В некоторых случаях применяют свечи длиной до 36 м, составленные из трех труб по 12 м или четырех труб по 9 м. Длина свечи ограничивается диаметром труб, так как установленные вертикально в буровой свечи прогибаются тем сильнее, чем меньше их диаметр.

Обычно при длине свечи 18 м высота вышки составляет 27…29 м, при длине свечи 24…27 м высота – 38…45 м, а при длине свечи 36 м полезная высота вышки достигает 53 м. С увеличением высоты вышки значительно возрастает ее масса, усложняются монтаж и транспортировка. Применение свечей той или иной длины определяется экономической целесообразностью.

Мачтовые вышки бывают одно- и двухопорные с открытой передней гранью корытообразной формы или с двумя открытыми гранями А-образной формы. На промыслах больше распространены А-образные вышки вследствие лучших их эксплуатационных качеств, небольшой металлоемкости и быстроты сборки. Вышка А-образного типа состоит из сварных трехили четырехгранных ферм – колонн, соединенных между собой в верхней части подкронблочной рамой, а внизу прикрепленных к основанию буровой шарнирами. Каждая колонна в зависимости от высоты вышки состоит из трех–пяти сварных секций. Секции свариваются из труб или профильного проката. Концы секций снабжены фланцами для соединения их между собой при сборке.

Верхняя секция имеет проушины, к которым присоединяются подкронблочная рама и монтажная стрела, рассчитанная на нагрузки 0,01…0,02 МН, с роликами для проведения ремонтных работ с кронблоком. Жесткость и геометрическая форма вышки обеспечиваются обычно диагональными стяжками и подкронблочной рамой. Для устойчивости в рабочем положении вышка оборудуется подкосами и оттяжками. Подкосы при помощи проушин соединены с колоннами вышки и башмаками основания.

В зависимости от длины свечи на расстоянии 20…34 м от пола буровой монтируют балкон с магазином для удержания верхних концов свечей. Для изменения емкости магазина служит ограничитель. Балкон по внутреннему периметру снабжен перилами, а по наружному – укрытием для защиты рабочего от непогоды.

Вышка оборудуется маршевыми лестницами от пола буровой до балкона с переходными площадками, которые монтируются в одной из колонн вышки, а от балкона до кронблока – лестницами туннельного типа для обслуживания кронблока.

Стояк манифольда высокого давления расположен обычно внутри колонны вышки. Для обслуживания и смены бурового рукава высокого давления предусматривается небольшая площадка, смонтированная также внутри колонны.

Вышка в рабочем положении в направлении продольной оси основания вышечного блока центруется подвижными башмаками подкосов, а в направлении поперечной оси – винтами регулируемых опор колонн вышки.

К преимуществам мачтовых вышек относятся: хороший обзор вдоль граней, быстрота сборки мачт и монтажа, возможность удобного размещения оборудования и механизмов для СПО. Недостатки их конструкций – довольно высокая трудоемкость при изготовлении и сложность ремонта ферм на промыслах.

Башенные вышки выполняются в виде правильной четырехгранной усеченной пирамиды, состоящей из четырех ног, передающих нагрузку от кронблока к основанию.

88

В верхней части ноги соединены между собой подкронблочной площадкой размером 2×2 м, а внизу ноги опираются на основание размером 8×8 или 10×10 м в зависимости от высоты вышки. Между собой ноги соединены горизонтальными поясами и диагональными стяжками, образующими решетку вышки. Пояса и стяжки крепятся к ногам болтами.

Первый снизу пояс вышки монтируется на высоте 8…12 м. В передней со стороны мостков грани пирамиды предусмотрены ворота, образуемые полураскосами для затаскивания в буровую труб и другого оборудования. На высоте 23, 25 или 34 м, определяемой длиной свечи, устанавливают четырехсторонний балкон с пролетом посередине с выступающей внутрь фонаря площадкой для второго помощника бурильщика (площадка размером 0,7…0,8 м). Балкон и площадка ограждены перилами.

Снаружи балкон и нижняя часть вышки снабжены укрытиями для защиты рабочих от непогоды. На расстоянии 0,5 м ниже пола балкона расположены магазины для установки верхних концов свечей при СПО. Снаружи вышки находятся маршевые лестницы с перилами и переходными площадками от пола буровой до подкронблочной площадки. Преимущества башенных вышек – жесткость и устойчивость их конструкции, небольшая трудоемкость изготовления и простота смены поврежденных деталей [6].

6.3. Конструкции вышек

На рис. 6.8. показана мачтовая А-образная вышка, состоящая из двух четырехгранных колонн, каждая из которых представляет собой секции 1, 2, 4, 8 из четырех сварных труб длиной около 10 м. Концы секции снабжены устройствами для соединения их между собой. На концах верхней секции имеются проушины для соединения с подкронблочной рамой 7. На раме установлены монтажные стрелы 6 для ремонта кронблока. Концы нижней секции соединены с регулируемыми опорами основания вышечного блока.

Для устойчивости в вертикальном положении вышка снабжена стойками и растяжками 3, 10 и 11. Вышка предназначена для работы со свечами длиной 25 и 27 м. На высоте 22,5 или 24,5 м от пола буровой на передней грани вышки закреплен передвижной балкон 12 и 13 с предохранительным поясом 14 для второго помощника бурильщика. Ниже балкона находится монтажная площадка бурового рукава 15.

Четырехгранная нога вышки имеет две несущие нагрузку трубы диаметром 140 мм с толщиной стенки 8 мм. Две другие трубы диаметром 89 мм с толщиной стенки 6,5 мм не являются несущими, а служат для жесткости. Пояса и раскосы изготовляют из труб диаметром 60 мм с толщиной стенки 6 мм. В одной из ног встроены маршевые 5, а в другой – пожарные 9 лестницы. Вышка снабжена устройством для ее центрирования, допускающим смещение до 600 мм в каждую сторону от оси ротора.

В сечении колонна представляет собой равнобедренный треугольник со стороной 1,8 м; секции соединяются при помощи фланцев. Подкосы 16 для удержания вышки в вертикальном положении изготовлены из труб диаметром 426 мм; для устойчивости вышка снабжена двумя ярусами оттяжек. От пола до балкона вышка оборудована маршевой лестницей, а от балкона до кронблока лестницей-стремянкой [6].

Башенные вышки изготавливаются с гибкой (рис. 6.9, а) и жѐсткой (рис. 6.9, б) решетками. Известны конструкции башенных вышек, ноги которых изготовлены из сварных четырехгранных ферм (рис. 6.9, в), либо из труб большого диаметра (рис. 6.9, г). Вышки этих типов называются пилонными. Независимо от конструктивной схемы башенные вышки характеризуются высокой жѐсткостью и сопротивляемостью кручению под действием момента сил, создаваемой натяжением подвижной и ходовой струны талевого каната. Однако вследствие большого числа болтовых соединений сборка башенных вышек сопряжена с большой трудоѐмкостью. Отсутствие связей

89

между ногами пилонных вышек способствует повышению их монтажеспособности и улучшает обзор вышки со стороны мостков.

Рис. 6.8. Мачтовая А-образная вышка

Рис. 6.9. Конструктивные схемы буровых вышек

90