Буровые вышки и мачты

Для бурения скважины стационарными буровыми установками необходимо сооружение буровой вышки, состоящей из собственно вышки или мачты и бурового здания. Собственно вышка используется для спуска в скважину и извлечения из нее с помощью грузоподъемных механизмов бурового снаряда, обсадных труб и измерительных приборов. Буровое здание служит для размещения бурового агрегата, а также защиты его и обслуживающего персонала от воздействия атмосферных явлений.
Самоходные и передвижные буровые установки оборудуются складывающимися мачтами.

Собственно буровая вышка (рис. 25) состоит из опор 1, соединенных для устойчивости горизонтальными поясами 9. Жесткость конструкции вышки обеспечивается раскосами 8, соединяющими опоры между поясами. В верхней части вышка может иметь раму (верхнее основание) 6 для установки неподвижного блока (кронблока) 5. Для размещения верхового рабочего при выполнении спуско-подъемных операций с кольцевым элеватором вышка оборудуется рабочим полком 7. Необходимые части буровой вышки — лестницы и ограждения.
Буровые вышки могут быть деревянными — из бревен и досок, а также металлическими — из труб и профильного проката. Металлические вышки в настоящее время преобладают. Однако при работе в труднодоступной таежной местности экономически целесообразно применение деревянных вышек.
В зависимости от количества опор — основных элементов конструкции — различают вышки трех- и четырехопорные. При бурении скважин на нефть и газ применяют двухопорные А образные буровые вышки большой высоты и грузоподъемности.
Основные параметры, характеризующие буровую вышку, — ее высота (расстояние по оси скважины от плоскости нижнего основания до оси кронблока), размеры верхнего и нижнего оснований, высота расположения рабочего полка и грузоподъемность вышки.
Тип и конструкцию вышки или мачты следует выбирать в зависимости от глубины скважины, угла ее заложения, принятого бурового оборудования с учетом конкретных местных условий и экономической целесообразности.
При выборе вышки по ее высоте необходимо исходить из проектной глубины скважины и ориентировочной продолжительности ее бурения, которая зависит от физико-механических свойств горных пород.
Рациональная высота буровой вышки (м) ориентировочно может быть определена из выражения

где k — коэффициент, предупреждающий затягивание снаряда в кронблок при его переподъеме (k = 1,25—1,45); lсв — длина свечи, выбираемая соответственно глубине скважины, м.

Нормальные условия работы при выполнении спуско-подъемных операций верховому рабочему могут быть обеспечены, если высота расположения рабочего полка будет на 1—1,2 м меньше длины применяемых бурильных свечей.
Трехопорные буровые вышки применяются для бурения вертикальных и наклонных скважин глубиной до 200—300 м. Высота таких вышек не превышает 15 м. Опоры изготовляются из обсадных труб или бревен диаметром 25—30 см. Верхние концы опор соединяются шкворнем, на который надевается металлическая серьга с подвешенным к ней блоком. Для предупреждения бревенчатых опор от раскалывания верхняя их часть должна иметь оковку в виде двух металлических обручей или стяжных хомутов. Блок, подвешенный на серьге шкворня, должен быть расчален стальным канатом или цепью таким образом, чтобы в случае разрыва серьги блок мог упасть не более чем на 1 м.
Четырехопорные буровые вышки имеют большую устойчивость и грузоподъемность, чем трехопорные, что обусловливает возможность их применения при бурении глубоких скважин.
На геологоразведочных работах используются металлические вышки высотой от 18 до 32 м. Их техническая характеристика приведена в табл. 11.

Изображенная на рис. 25 металлическая вышка ВРМ-24/30 имеет опоры из цельнотянутых стальных труб диаметром 102/90 мм. Секции опор соединяются между собой хомутами 3 из листовой стали толщиной 10 мм. Нижние концы опор шарнирными башмаками (передние опоры) и опорными плитами (задние опоры) соединяются с металлическим основанием 11, выполненным в виде саней, что позволяет транспортировать вышку на небольшие расстояния без разборки. Пояса трех нижних панелей и пояс под рабочим полком сделаны из таких же труб, что и опоры; остальные пояса — из труб диаметром 60/50 мм.
Пояса болтами крепятся к хомутам и косынкам, приваренным к средней части секций опор. Передняя панель вышки имеет проем до высоты третьего пояса, обеспечивающий возможность затаскивания в вышку оборудования и длинных труб. Раскосы четырех нижних секций вышки изготовлены из стержней диаметром 24 мм, остальные — диаметром 20 мм. Четырехроликовый кронблок монтируется на верхней раме, представляющей собой цельносварную конструкцию. На высоте 17,2 м расположен рабочий полок, оборудованный каркасом для защиты верхового рабочего от дождя и ветра. До рабочего полка вышка имеет наружные маршевые лестницы 2, а выше — к кронблочной площадке — лестницы тоннельного типа 4.
Буровое здание 10 (см. рис. 25) может быть бревенчатым или дощатым. В зависимости от времени года и климатических условии района проведения работ здания могут быть облегченные и утепленные. В последнем случае между досками, обшивающими каркас здания, прокладывается войлок или другой теплоизоляционный материал. Бревенчатые здания конопатятся паклей. Монтажно-демонтажные работы значительно ускоряются применением разборного каркасного бурового здания, стены и потолок которого собираются из щитов.
Размеры бурового здания для стационарных установок должны обеспечить удобное расположение оборудования и ширину проходов для обслуживания механизмов не менее 1 м.
В передней части одно- или двухскатной крыши бурового здания делают люк для прохода снаряда. Пол бурового здания должен быть прочным, ровным, без щелей, из досок толщиной не менее 50 мм. Буровое здание имеет необходимое количество окон и две двери, открывающиеся наружу. Размеры основной двери должны допускать свободный проход оборудования и труб.
Сооружению буровых вышек предшествует выбор и подготовка рабочей площадки. Место заложения скважины определяется геологическим отделом и согласуется с техническим отделом предприятия. При этом учитывается ряд обстоятельств, влияющих на проведение буровых работ (наличие воды, подъездных путей, минимальный объем земляных работ при планировке площадки и др.). Выбирая место для площадки, следует избегать заболоченных участков и глинистых склонов, которые могут привести к оползням, сделать вышку недоступной для транспортных средств в период дождей. В летнее время вышку целесообразно размещать на повышенной части местности, где не будет скопления дождевых и талых вод. Зимой нужно вы бирать места, защищенные от сильных ветров и снежных заносов. В районах распространения многолетней мерзлоты нельзя допускать ее вскрыши па рабочей площадке и, по возможности, не снимать растительного покрова земли, чтобы не нарушать теплового режима мерзлой породы, являющейся основанием под сооружаемую вышку
Монтаж металлических вышек может осуществляться последовательным соединением деталей конструкции вышки, наращиваемых снизу вверх, или сборкой в горизонтальном положении с последующим подъемом (метод А.П. Духнина).

Монтаж вышки по методу А.П. Духнина, являющемуся наиболее распространенным, начинают с установки в горизонтальном положении и закрепления на фундаменте ее нижней рамы. В горизонтальном положении собирается грань передних опор вышки, нижние концы которых шарнирно соединяются с рамой. Начиная с подкронблочной рамы и верхней секции, собирают боковые и заднюю грани вышки, прикрепляют крон-блок, рабочий полок, навешивают лестницы. После окончания сборки вышки приступают к ее подъему и установке в рабочее положение (рис. 26). На брусьях 2, уложенных в плоскости нижней рамы, шарнирно закрепляется монтажная стрела Б. В вертикальном положении стрела удерживается канатными растяжками, прикрепленными к якорям 1 и опорам вышки 3. На одном из верхних поясов вышки крепится канат уравнительного устройства А, обеспечивающего симметричное воздействие на вышку при ее подъеме. Трос подъема вышки 4, связанный с замком уравнительного устройства и блоком полиспаста, пропущен через головку монтажной стрелы. Ходовой конец тягового каната 6 огибает ролики двух блоков 5 и 7, образуя полиспаст.
Вышку поднимают трактором или лебедкой. Во избежание опрокидывания вышки в сторону подъемного механизма она должна поддерживаться за страховой канат другим трактором.
Для обеспечения устойчивости вышки высотой 14 м и более ее следует укреплять прочными растяжными канатами со стяжными муфтами. Канаты должны размещаться в диагональных плоскостях вышки. Их нижние концы крепятся к якорям, удаленным от основания опор вышки на расстояние, превышающее высоту вышки, а верхние — к опорам у основания рабочего полка.
Перевозка вышек стационарных буровых установок с полной разборкой требует большой затраты времени на их демонтаж и сборку на новой точке. Коэффициент использования оборудования при этом снижается, а стоимость работ удорожается Поэтому вышки с полной их разборкой перевозят в труднодоступных районах или па участках с сильно пересеченным рельефом. На открытых местностях со спокойным рельефом целесообразно перевозить вышки на основаниях санного типа без разборки.
Трасса передвижения вышки должна быть намечена заранее. Она не должна иметь резких переходов от спуска к подъему и наоборот. Односторонний уклон местности не должен превышать 30°.
Тяговое усилие (H), необходимое для перемещения вышки, может быть определено из выражения

где Qв — масса перевозимой вышки, кг; k — коэффициент, учитывающий возможное врезание саней в грунт (k = 1,3/1,4); а — максимальный угол подъема по трассе перемещения вышки; f — коэффициент трения полозьев вышки о поверхность ее перемещения (f = 0,3/0,5).
Количество необходимых для перевозки вышки тракторов определяется по формуле

где vтр — скорость перемещения трактора (vтр = 1/3); Nтр — мощность двигателя трактора, Вт; nтр — к. п. д. трактора (n = 0,7/0,8).
Для сокращения времени на монтажно-демонтажные и транспортные работы широко применяются передвижные буровые мачты.
Передвижные буровые мачты представляют собой сооружение, состоящее из собственно мачты складывающегося типа и бурового здания, которые устанавливаются на общем основании, выполненном в виде саней. Перед транспортировкой мачта укладывается в горизонтальное положение с помощью лебедки, трактора или гидросистемы установки и перевозится на новую точку со всем заключенным внутри здания оборудованием, инструментом и инвентарем.
Соответственно назначению мачты она комплектуется необходимым для бурения основным и вспомогательным оборудованием.
Собственно мачта представляет собой пространственную решетчатую металлоконструкцию (МРУГУ-2, МРУГУ-18/20, MP 6) или трубчатую колонну (БМТ 4, МБТ-5, БМТ-7).
В табл. 11 приведена техническая характеристика передвижных буровых мачт.
Буровая мачта МРУГУ-2 (мачта разведочная Уральского геологического управления) применяется при бурении вертикальных и наклонных скважин глубиной до 500 м.
На сварном санном основании 1 (рис. 27) установлено все буровое оборудование, буровое здание 2 и собственно мачта, представляющая собой двухгранную ферму, имеющую в сечении вид прямоугольного равнобедренного треугольника. Несущий ствол фермы — труба диаметром 140 мм, расположенная в прямом углу треугольника. К несущему стволу поясами и раскосами прикреплены две трубы диаметром 48 мм.

Стрела 6 мачты имеет фланцевое соединение с ее основанием. На стреле смонтированы свечеприемник 7, кронблок 5, тоннельная лестница 4 и съемная укосина, используемая при подъеме стрелы лебедкой или трактором в рабочее положение и укладке в транспортное, а также при выполнении погрузочно-разгрузочных работ. Для поддержания стрелы в транспортном положении служит задняя опора 3. При бурении наклонных скважин мачту с помощью домкратных винтов основания стрелы и сошек 8, опирающихся на боковую опору, устанавливают под нужным углом. Транспортируется мачта трактором T-100М.
Мачта имеет передвижной стеллаж, представляющий собой металлическую пирамиду на деревянных санях.
Буровая мачта БМТ-4 (рис. 28) имеет трубчатый ствол 8, траверсой 5 шарнирно соединенный с порталом 4, опирающимся на общее с буровым зданием 2 основание 1. В верхней части ствола закреплен кронблок 11 с устройством, предупреждающим переподъем снаряда. В рабочем положении ствол мачты удерживается центральным 6 и боковым 9 подкосами. Для бурения вертикальных скважин ствол устанавливается наклонно, что обеспечивает беспрепятственное движение талевого блока 7 при выполнении спуско-подъемных операций. Центральный подкос позволяет устанавливать и удерживать мачту в положениях, обеспечивающих бурение скважин с на клоном до 60°. Мачта имеет свечеприемник 10.

Подъем мачты в рабочее положение и опускание в транспортное производятся двумя гидроцилиндрами 3. В условиях бездорожья мачта транспортируется волоком на санном основании трактором С 100, а по грунтовым и асфальтовым дорогам — на подкатных тележках буксировкой автомашиной или трактором.
Спуско-подъемные операции при бурении скважины производятся лебедкой буровой установки Для преобразования вращательного движения барабана лебедки в поступательное подъемного крюка в верхней части вышки или мачты устанавливается кронблок 3, через ролик которого перебрасывается канат, идущий с барабана лебедки 5 к подъемному крюку 1 (рис. 29, а). Ветвь подъемного каната, соединяющая барабан лебедки с роликом кронблока, называется ходовой или лебедочной 4, а сбегающая с кронблока и соединяемая с крюком — рабочей ветвью 2. Если груз на крюке превышает грузоподъемность лебедки, вышку (мачту) оснащают полиспастом (талевой системой). В талевую оснастку, кроме стального подъемного каната и кронблока, включается подвижный (талевый) блок 6 (рис. 29, б, в, г), к серьге которого подвешивается подъемный крюк. Число рабочих ветвей каната (соединяющих ролики кронблока с роликами талевого блока) должно соответствовать превышению нагрузки на крюк над грузоподъемностью лебедки.

Талевая система может быть несимметричной, когда конец каната закрепляется на талевом блоке (рис. 29, г) или крон-блоке (рис. 29, б), и симметричной (рис. 29, в), когда конец каната прикрепляется к основанию буровой вышки. В эту неподвижную ветвь каната 8 включают динамометр 7 — прибор, с помощью которого определяют массу бурового снаряда и контролируют нагрузку на породоразрушающий инструмент при бурении.
Кронблоки (рис. 30) для бурения разведочных скважин могут иметь от одного до четырех роликов 4, через подшипники качения 5 опирающихся на ось 3, концы которой закреплены на сварной раме I. Ролики сверху закрыты защитным кожухом 2, а рама болтами закрепляется на верхнем основании вышки. Грузоподъемность кронблоков, применяемых при колонковом бурении — 100, 150 и 300 кН.
Талевые блоки (рис. 31) имеют от одного до трех роликов 1, которые через подшипники качения 2 опираются на ось 3, концами закрепленную в боковых стенках корпуса 5. В верхней части корпуса блока имеется проушина 4 для присоединения конца талевого каната. В нижней части блока расположена ось 6, на которую подвешивается крюк или элеватор. Грузоподъемность талевых блоков для колонкового бурения 50, 100, 120, 250 и 350 кН.

Стальные канаты, применяемые в талевых системах буровых установок, должны быть достаточно гибкими и иметь высокую механическую прочность. Для изготовления канатов используют проволоку из сталей марок 50—70: светлую (без покрытия), оцинкованную или с покрытием из синтетических материалов.
Проволочки свиваются в пряди, а пряди — в канат. Такие двойной свивки канаты, состоящие из шести прядей, свитых вокруг органического (пенька, хлопчатобумажный корд, манила, сизаль) сердечника, применяются на буровых работах. Проволочки в прядях располагают в два или три слоя, ориентируемых с одинаковым или различным углом, в связи с чем канаты могут быть с точечным касанием проволок (TK), линейным (ЛК) и комбинированным точечно-линейным (ТЛК). Канаты с линейным касанием проволок в прядях более долговечны, чем с точечным.
Диаметр проволок в пряди одинаковый (рис. 32, б) или различный. В пряди типа ЛК-0 (рис. 32, а) и типа ТЛК-0 (рис. 32, г) диаметр проволок в слоях одинаков, в пряди типа ЛК-Р (рис. 32, д) наружный слой имеет проволоки разного диаметра, в пряди типа ЛК-Р0 (рис. 32, б) расположены слои с проволоками одинакового диаметра и с проволоками разных диаметров.
Различают канаты односторонней и крестовой свивки (рис. 32, е). В канатах односторонней свивки 1 пряди в канате и проволочки в пряди имеют одно и то же направление свивки, а в канатах крестовой свивки 2 — противоположное. Канаты односторонней свивки по гибкости и долговечности превосходят канаты крестовой свивки, но обладают большей способностью закручиваться.
В зависимости от направления свивки прядей канат может быть правого или левого направления свивки.
Органическая сердцевина придает канату округлую форму, обеспечивает равномерное распределение нагрузки между прядями и необходимую гибкость Кроме того, органическая сердцевина пропитывается смазывающим веществом, которое под действием нагрузки на канат выжимается, смазывая его проволочки.
Для колонкового бурения применяют талевые канаты крестовой левой свивки конструкции 6х19+lос или 6+37+lос. Их характеристика приведена в табл. 12.

В процессе эксплуатации за состоянием каната должен быть установлен систематический контроль. Талевый канат должен быть забракован и заменен новым, если: 1) одна прядь каната оборвана; 2) на длине шага свивки каната диаметром до 20 мм число оборванных проволок составляет 5 %, а каната диаметром более 20 мм — свыше 10 %; 3) износ каната по диаметру составляет более 10 %.
Освещение рабочих мест при бурении скважин имеет большое значение для безаварийной работы и высокой производительности труда.
Естественное освещение бурового здания должно обеспечиваться рациональным местоположением окон, их количеством и размерами. Общая световая площадь окон должна составлять не менее 10 % площади пола здания. При работе в ночное время источниками электроэнергии для искусственного освещения могут служить: 1) линия передачи электроэнергии, от которой приводится буровой агрегат; 2) передвижные электростанции (дизель генераторные установки мощностью 50— 60 кВт), используемые для привода бурового агрегата; 3) генераторы постоянного тока мощностью 0,9—2,2 кВт с приводом от дизелей буровых агрегатов; 4) маломощные передвижные электростанции и зарядные агрегаты мощностью 0,75—7,2 кВт с приводом от бензодвигателей.
Электрическая энергия от источника поступает на распределительный щит, а от него по изолированным проводам подается к светильникам мощностью 100—200 Вт, располагаемым у станка, насоса, двигателя, верстака, у входа в буровое здание, на каждом полке вышки и на самом ее верху.
Общая мощность лампочек (Вт), необходимых для освещения вышки, определяется умножением площади F пола бурового здания на удельную мощность N0 = 15 Вт/м2

Количество требуемых лампочек при мощности каждой из них Nл вычисляется из отношения

При неожиданном перерыве в освещении от основного источника должно включаться аварийное освещение, источниками питания которого могут служить аккумуляторы емкостью не менее 40 А/ч. В сеть аккумуляторов включаются две электролампы на 6 В мощностью по 15 Вт.
Отопление буровых зданий при работе в зимнее время осуществляется тепловыми электронагревателями (ТЭН) или компактными пароводяными установками ОГХ-6А.
Элементы расчета буровых вышек. Грузоподъемность буровой вышки зависит от качества материала ее изготовления, особенностей конструкции, прочности соединения и размеров ее элементов. Грузоподъемность указывается в паспорте вышки.
Для определения необходимой грузоподъемности вышки и выбора вида ее талевой оснастки необходимо знать максимально возможную нагрузку, которая будет создана на вышку в процессе сооружения скважины массой бурового снаряда или колонны обсадных труб (см. рис. 29).
Нагрузка на крюк (H) талевой системы определяется по формуле

где q — масса 1 м труб, кг; L — длина колонны труб, м; а — коэффициент, учитывающий увеличение массы труб за счет элементов, соединяющих их (для ниппельного соединения а = 1,05, для замкового а = 1,1); g — ускорение свободного падения, м/с2 (g = 9,81); рж — плотность промывочной жидкости, кг/м3; рм — плотность стали, кг/м3; k — коэффициент, учитывающий силы трения колонны труб о стенки скважины, а также возможный прихват ее породой (при подъеме бурильной колонны k = l,25/l,5, обсадной — k = 1,5/2). При расчете нагрузки на крюк от массы обсадной колонны действие выталкивающей силы промывочной жидкости [двучлен, заключенный в скобки формулы (19)] не учитывается.
Количество рабочих ветвей каната в талевой системе, необходимое для производства спуско-подъемных операций, зависит от соотношения нагрузки на крюк и грузоподъемности лебедки

где Qкр — нагрузки на крюк, Н; Pл — грузоподъемность лебедки, Н; nт — к. п. д. талевой системы, зависящий от количества роликов в блоках (nт = 0,8/0,9).
Общее количество ветвей талевого каната при несимметричной оснастке mo = m+1, а при симметричной — mo = m+2.
Необходимая длина талевого каната (м)

где H — высота вышки, м; Dg — диаметр барабана лебедки, м.
Для определения диаметра талевого каната находят разрывное усилие (кН)

где Pл — грузоподъемность лебедки, кН; np — расчетный запас прочности каната (np=6).
Зная разрывное усилие, по табл. 12 подбирают канат необходимого диаметра.
Учитывая, что практически на талевый канат при его эксплуатации, кроме напряжения растяжения, действуют также напряжения изгибающие и кручения, необходимо определить фактический запас прочности выбранного каната по формуле

где oвр — временное сопротивление материала проволочек каната разрыву, Па; F — площадь сечения всех проволочек каната, м2; Рл — грузоподъемность лебедки, Н; E — модуль продольной упругости материала проволочек каната, Па (E = 2*10в11); дельта — диаметр проволочки каната, m; Dб — диаметр барабана лебедки, м; с — коэффициент, учитывающий действие на канат напряжения кручения (с = 0,37/0,5). Величины овр; F; 6 берут из табл. 12 при выборе каната по диаметру.
Согласно требованиям Правил безопасности при геологоразведочных работах фактический запас прочности талевого каната должен быть не менее 3.
В соответствии с выбранной талевой оснасткой определяется нагрузка (H) на верхнюю часть вышки или мачты из следующих выражений.
При работе на прямом канате (см. рис. 29, а)

При несимметричной талевой оснастке (см. рис. 29, б, г)

При симметричной талевой оснастке (см. рис. 29, в)

По нагрузке на кронблочную раму подбирается вышка или мачта соответствующей номинальной грузоподъемности.
Усилие (H), действующее вдоль оси нижней (наиболее на груженной) части опоры четырехопорной вышки определяется массой вышки (Qв в кг) и нагрузкой на ее верхнюю часть (Q0 в Н)

где у — угол наклона опоры вышки к плоскости ее нижнего основания (у = 75/80°).
Величина P0 используется для расчета опор вышки на прочность.
Грузоподъемность и устойчивость вышки во многом зависят от прочности ее основания. Поэтому когда вышки испытывают большие нагрузки, под их опоры устанавливаются бетонные фундаментные тумбы.