Выбор буровой мачты, вышки

Для осуществления спускоподъемных операций (СПО) с буровым снарядом применяется, (за редким исключением), сооружение, которое позволяет лебедкой или подвижным вращателем поднимать из скважины и опускать в нее бурильные трубы или свечи бурильных труб. Такое сооружение называется «буровая мачта», когда СПО производятся вне ее периметра и “буровая вышка”, если СПО осуществляются внутри её периметра и, которое при этом может быть полностью закрыто от внешней среды.

Вышки обычно бывают башенного типа четырехногие (рис. 17 а),

Мачты могут быть в виде пространственной фермы (рис. 17в), трубчатые (рис. 17 б), А-образные (последние у нефтяников).

Различие в применении:

- Вышки лучше для бурения глубоких скважин в твердых породах (долгое время), позволяют создать более удобные условия для работы, обеспечивают форсированные режимы бурения, но при этом башенные вышки не могут использоваться для бурения наклонных скважин (вышки допускают при забуривании зенитный угол до 3-5 градусов). У вышек, более трудоемкие и продолжительные чем у мачт, монтаж и перемещение на новую точку.

- Мачты значительно транспортабельнее и позволяют забуривать наклонные скважины с начальным зенитным углом = 15 º- 30º.

Вышки применяются в сборных буровых установках - мачты, большей частью, входят в состав укомплектованных или единых установок - передвижных и самоходных.

Отдельные вышки или мачты применяются при использовании станков шпиндельного типа.

В установках с подвижным вращателем используются мачты, являющиеся частью буровой установки.

а	б
Рис. 17

Для бурения конкретных скважин (после выбора типа), вышка или мачта определяется их: высота и грузоподъемность.

Выбор высоты вышки или мачты осуществляется из соображения, что чем глубже скважина, тем больше времени тратится на СПО и, следовательно, чтобы уменьшить затраты времени на СПО целесообразно увеличивать длину свечи и соответственно высоту вышки (мачты). Существует методика расчета оптимальной высоты вышки (мачты) с учетом равенства роста стоимости вышки пропорционально её высоте и экономии за счет снижения затрат на СПО. На практике достаточно принимать примерно высоту вышки-(мачты) в зависимости от глубины скважины.

Высота вышки (мачты) прямо связана с длиной свечи Н_в = К∙ ℓ_св., или Н_в = ℓ_св. + ℓ_т.б. + ℓ_эл.+ ℓ_п.п., где: Н_в - высота вышки (мачты). ℓ_св - длина свечи.К- коэффициент, учитывающий дополнительные элементы оснастки и величину запаса на переподъем, примерно К =1.3, а (для второго варианта) ℓ_т.б.,ℓ_эл., ℓ_п.п.– соответственно, длина талевого блока, элеватора, запаса на переподъем (ℓ_п.п. ≈ 1 м).

Рекомендуемая длина свечи и высота вышки, (мачты) в зависимости от глубины скважины приведены в табл. 5.

Таблица 5

Выбранная длина свечи проверяется на продольную устойчивость. Если длина свечи больше чем критическая длина устойчивости - на вышке надо ставить промежуточную опору. l_кр- критическая длина свечи определяется по формуле, полученной из формулы Эйлера

Где Е_у - модуль упругости J -момент инерции, q - масса 1 см трубы.

Второй параметр, определяющий выбор вышки (мачты) для конкретных условий, - ее грузоподъемность, т.е. допустимая нагрузка на кронблок. Грузоподъемность выбираемой вышки (мачты) должна быть не меньше возможной максимальной нагрузки на кронблок при бурении данной скважины. Нагрузка на кронблок определяется величиной нагрузки на крюке - G_кр. и схемой талевой оснастки. Максимальная нагрузка на крюке определяется по формуле:

а – коэффициент, учитывающий соединения бурильных труб, а =1,05 для ниппельных и а =1.1 для муфтово-замковых;

q - вес 1 метра бурильной трубы без соединений, Н;

r_т. иρ_ж. - плотность материала труб и промывочной жидкости, Н/м^2;

Θ- средний зенитный угол оси скважины;

ƒ- коэффициент трения труб о стенки скважины (ƒ= 0.2 - 0.4).

После определения максимальной G_кр. ее сравнивают с грузоподъемностью лебедки бурового станка F_л.и, если G_кр. > F_л., то используют т талевую систему. Число струн талевой оснастки определяют по выражению:

Где: m - число подвижных (кроме лебедочной) струн талевой оснастки,η- КПД талевой оснастки. При этом при нечетном числе подвижных струн, конец последней струны закрепляется на талевом блоке. При четном числе струн возможны два варианта: - несимметричный, когда последняя струна закрепляется на кронблоке (а=1)и симметричный, когда последняя струна пропускается через дополнительный ролик кронблока и закрепляется у основания вышки- мачты (а=2). Схемы талевых оснасток приведены на рис. 18.

m = 1	m = 2	m = 2	m = 3	m = 4	m = 4
а= 1	а = 1	а = 2	а = 1	а = 1	а = 2
Рис. 18

Симметричная система удобнее тем, что направление нагрузки совпадает с осью (вышки-мачты) и на неподвижный конец каната обычно устанавливается прибор, измеряющий нагрузку. Но надо учитывать, что при этом нагрузка на кронблок увеличивается на величинуF_л (дополнительная нагрузка от неподвижного «мертвого» конца каната).

Величина нагрузки на кронблок и, следовательно, на вышку (мачту) определяется выражением:

Как уже указывалось, величина грузоподъемности вышки (мачты) должна быть не меньше -G_кб..

В зарубежных буровых установках с подвижным вращателем применяются лебедки повышенной грузоподъемности (например, в LF-90 более 7 тн., LF 230 – 18 тн.) и не предусмотрена талевая система.

Номенклатура основных вышек и мачт для геологоразведочного бурения приведена в табл. 6.

Буровые вышки и мачты Таблица 6