19.2 Выбор параметров и технические характеристики буровых вышек

Наиболее полно технические возможности буровой вышки характеризуются грузоподъемностью, определяющей допускаемую на грузку при заданной кратности оснастки талевого механизма.

В ряде стран в допускаемую нагрузку включают вес талевого механизма, натяжение ходовой и неподвижной струн талевого каната, что приводит к формальному завышению ее на 20—25 % и, как следствие, к соответствующему снижению удельной металлоемкости по сравнению с отечественными буровыми вышками. Кроме того, допускаемую нагрузку буровых вышек за рубежом выражают в «коротких» тоннах (907 кг), что при переводе часто не учитывается, и это приводит к еще большему завышению технико-экономических показателей зарубежных вышек и другого бурового оборудования.

При проектировании вышек допускаемую нагрузку устанавливают по наибольшей нагрузке, ожидаемой в заданном диапазоне глубин бурения. Величина этой нагрузки должна соответствовать допускаемой нагрузке на крюке, регламентированной ГОСТ 16293—82. При этом учитывается натяжение ходовой и неподвижной струн каната при заданной кратности оснастки талевого механизма.

Высота вышки, согласно ГОСТ 12.2.041—79, должна обеспечивать безопасность работ при подъеме талевого блока на максимальной скорости с учетом запаса высоты для установки ограничителя подъема талевого блока.

Различают полезную и конструктивную высоты вышки. Полезная высота измеряется расстоянием от пола буровой до верхней плоскости подкронблочной рамы. Конструктивная высота соответствует расстоянию от опоры вышки до верхней плоскости подкронблочной рамы. Полезная высота совпадает с конструктивной, когда опоры вышки располагаются на уровне пола буровой.

Исходя из требований, обеспечивающих безопасность спуско- подъемных операций, полезная высота вышки

где h₁ — расстояние от пола буровой до нижнего конца подвешенной свечи, включающее высоту ротора, элеватора, муфты бурильного замка, трубы, удерживаемой ротором, и просвет между муфтой трубы и ниппелем подвешенной свечи h₁= 1,2-1,5 м); h₂ — длина свечи; h₃ — длина штропов крюка талевого блока 7-8 м); h₄ — запас высоты между кронблоком и крайним верх ним положением талевого блока, необходимый для своевременного торможения лебедки и предотвращения затаскивания талевого блока на кронблок (h₄≈7 м).

В ысота расположения балконов определяется в зависимости от длины свечей:

где l_св — длина свечи; а — угол наклона свечи к вертикали

(α =2-4°); h_п — высота подсвечника; Δh — расстояние от верхнего конца свечи до пола люльки.

Площадь магазина должна быть достаточной для размещения бурильных свечей и запаса бурильных труб, предназначенного для замены отбракованных труб и аварийных работ:

19.3 Основы расчета буровых вышек

НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ВЫШКУ

На вышку действуют постоянные нагрузки от ее веса и веса смонтированного на ней оборудования, эксплуатационные нагрузки, изменяющиеся по величине в процессе бурения, и переменные нагрузки от ветра. В результате возникают вертикальные и горизонтальные усилия. Вертикальные сжимающие усилия создаются нагрузкой на крюке, весом вышки и ее оборудования, натяжением ведущей и неподвижной ветвей талевого каната. Горизонтальные нагрузки, опрокидывающие вышку, являются горизонтальными составляющими от усилий в ведущей и неподвижной ветвях талевого каната, от веса наклонно установленных за пальцем вышки свечей бурильной колонны и от действия ветра. Грузоподъемность и прочность вышки зависят от сочетания этих нагрузок.

Н а вышку могут действовать четыре сочетания нагрузок (рис. 19.4):

– вертикальные 2, 3, 4, 6 и горизонтальные нагрузки 1, 5 в процессе СПО и спуска обсадной колонны; при этом допускается ветровая нагрузка 7 на нижнюю боковую поверхность q_о = 250 Па (рис. 19.4,а);

– ветровая нагрузка 7 на низ вышки q_о = 700 Па при полном пакете свечей за пальцем, крюк не нагружен, действуют нагрузки 2, 5 и 6 (рис. 19.4,б);

– нагрузки на вышку 2 н 6 при СПО и ветровой нагрузке 7 q_о = 150 Па (рис. 19.4е);

– максимальные нагрузки на крюке 2, 3 и 4 при ликвидации прихватов, аварий или других операциях и ветровой нагрузке 7 на боковую поверхность низа вышки q_о = 150 Па (рис. 19.4, г).

Вертикальные нагрузки

Вертикальная нагрузка па подкронблочную раму вышки: при неподвижном крюке

п ри движении крюка

где Р_к — допустимая нагрузка на крюк, Н; G_TC — вес талевой системы (крюк, талевой блок, канат и кронблок), Н; u_тс — число струн в оснастке (кратность полиспаста), η_ТС—к. п. д. талевой системы.

У силие, действующее на более нагруженную ногу и опорный башмак при неподвижном конце каната, укрепленном у ноги вышки,

где Р_в — общий вес вышки, Н; а — число ног вышки, для мачтовых вышек а = 2, для башенных а=4.

Горизонтальные нагрузки

Горизонтальная составляющая силы, действующей на крон- блок от натяжения ведущей и ведомой струн талевого каната:

п ри неподвижном крюке

п ри движении крюка

(β и γ — углы соответственно между ведущей и неподвижной струнами каната и вертикальной осью вышки).

Если струны закреплены противоположно друг другу, то берется знак «минус», если с одной стороны вышки у лебедки, то — «плюс».

Г оризонтальная сила от действия силы тяжести свечей, уста новленных за пальцем.

где k — коэффициент, учитывающий отношение расстояния от подсвечника до пальца к длине свечи l; G_c — вес свечей, установленных за пальцем, Н; α — угол наклона свечей к вертикали, обычно α=2~4°.

Г оризонтальная ветровая нагрузка, действующая на вышку, зависит от природно-климатических условий, в которых эксплуатируется буровая установка. На эту нагрузку влияет динамическое давление ветра, называемое петровым или скоростным напором

где v — скорость ветра, м/с; ρ= 1,225 кг/м³ — плотность воздуха.

По данным многолетних наблюдений, предельный ветровой напор в различных районах России изменяется в пределах от 270 до 1000 Па. Согласно нормам РТМ 26-02—6—68 (Руководящий технический материал на проектирование буровых вышек), для расчета буровых вышек значения ветрового напора принимаются независимо от места их эксплуатации: q₀ = = 700 Па—для нерабочего состояния; q₀ = 250 Па — для рабочего состояния; q₀ =150 Па—для монтажно-транспортного состояния.

Р авнодействующая от ветрового давления на вышку

где q₀ — скоростной напор ветра, Па; с_i — коэффициент, учитывающий возрастание напора ветра в зависимости от высоты; р = 2 — динамический коэффициент, учитывающий период собственных колебаний вышки; m — аэродинамический коэффициент, для конструкций из профильного проката т = 1,4, для труб m=l; S_i — проекция панели на вертикальную плоскость, проходящую по оси вышки

( F_i — общая площадь панели; φ = 0,15…0,2 — коэффициент заполнения панели, для обшитой части вышки φ =1).

Высота над поверхностью земли, м <10 20 40 100

Поправочный коэффициент с_i 1,0 1,25 1,55 2,1

При определении ветровой нагрузки на необшитые части вышки принимается, что нагрузка действует и на заветренную часть вышки. При скоростях ветра до 110 км/ч учитывается ветровая нагрузка, действующая на поверхность полного комплекта свечей, стоящих за пальцем.

Горизонтальное усилие на кронблок от составляющей натяжения ведущей и неподвижной струн каната не должно быть более 15 кН и предполагается, что оно действует в том же направлении, что и горизонтальные усилия от веса свечей и ветра.

На заводах при конструировании мачты рассчитывают нагрузки, возникающие также при их подъеме в процессе монтажа. Величины этих нагрузок зависят от веса мачты и точек приложения этих нагрузок, поэтому поднимать и транспортировать мачты необходимо в строгом соответствии с заводской инструкцией.

Пример 19.1 Определить вертикальную нагрузку, действующую на подкронблочную раму вышки ВМ-42-140 во время СПО; глубина скважины 2500 м; диаметр бурильных труб d_бт=127 мм, l_бт = 2300 м, средний вес 1 м трубы q_бт = 260 Н/м; l_убт = 200 м, q_убт = 178 мм, q_убт = 1560 Н/м; плотность бурового раствора ρ_р=1.2 г/см³ и плотность стали ρ_с = 7,85 г/см³.

Решение.

О пределяем по формуле вертикальную нагрузку на подкронблочную раму вышки при движении крюка

Весами штропов и элеватора можно пренебречь, тогда

Р_к = (260·2300+1560·200)·(1 - 1,2/7,85) = 770 кН или 0,77 МН.

Вес подвижной части талевой системы

г де G_кб=12,7 кН — вес крюкоблока ТБК4-140Бр; G_Tк= l_тк·q_к; l_тк=l_б·u_тс — длина талевого каната в оснастке 4х5 между талевым блоком и кронблоком; l_б =40 м — расстояние между кронблоком н талевым блоком в нижнем положении крюка; u_тс = 8-кратность полиспаста; q_к = 34 Н/м— вес талевого каната (для каната диаметром 28 мм по ГОСТ 16853—79).

Тогда

К. п. д. талевой системы

В ертикальная нагрузка на подкронблочную раму вышки при движении

Пример 19.2 Определить горизонтальную составляющую силы, действующей на кроиблок от натяжения ведущей и неподвижной струн талевого каната, для условий, принятых в предыдущем примере, если точки касания струн талевого каната и кронблока находятся на противоположных сторонах от точек крепления: неподвижной — 3 м и ведущей — 7 м; высота вышки h=45 м.

Р ешение.

Горизонтальные составляющие сил:

при неподвижной талевой системе (Р_к=770 кН, кратность полиспаста u_тс =8);

п ри подъеме бурильной колонны

ч то допустимо, так как по нормам Р'_Г< 15 кН.

Пример 19.3 Определить ветровую нагрузку, действующую на мачтовую вышку ВМ-42-140. Нормативный напор ветра q₀=700 Па, высота вышки h =45 м, нижняя часть вышки обшита на высоту h_i,= 10 м, высота основания h₀=5 м, балкой на высоте h_б =24 м имеет сплошную обшивку высотой 4 м; фермы мачты — решетчатой конструкции с маршевыми лестницами до балкона.

Решение.

Р авнодействующие для каждой секции мачты определяем по формуле

где р = 2; площади панелей S_i = 100м². S₂=80м². S₃=20м³, S₄=54 м⁴; коэффициенты заполнения панелей; φ₁= φ₃=1; φ₂= φ₄=0,15; поправочный коэффициент высоты c₁=l,2; c₂ = 1,4; c₃= 1,45; с₄=1,8; аэродинамический коэффициент m₂=1,4; m₄=1 (панель из труб). Равнодействующие силы от ветрового давления на вышку:

О бщее горизонтальное усилие от ветровой нагрузки, действующее на вышку