Навантаження, що діють на бурову вежу

Навантаження на кронблочну раму бурової вежі (щогли) залежно від способу кріплення вільного кінця каната талевої системи визначають з виразів:

при оснащенні талевої системи з нерухомим кінцем каната

(12.21) при оснастці без нерухомої гілки, коли вільний кінець закріплений на рухомому блоці або кронблоці

(12.22)

З порівняння формул (12.21) і (12.22) видно, що при однаковому навантаженні на гаку на кронблок (вишки, щогли) діє менша навантаження при талевому оснащенні без нерухомого кінця каната. Однак, у цьому випадку вежа навантажена менш симетрично, тому при бурінні глибоких свердловин слід приймати оснастку з нерухомою гілкою каната.

Максимально допустиме короткочасне навантаження на щоглу розраховується за формулою

Q м =Р лн (u т.с +2)λη с ,Н (12.23)

де λ=1,7÷2,2 - короткочасне перевантаження електродвигуна (вказується в паспорті на електродвигун), λ=1,1 для ДВЗ.

У процесі роботи на вишку (щоглу) діють вертикальні та горизонтальні навантаження. Вертикальне навантаження Р на підставі вежі (в кН)

P = Q кр + Q м + P х + P н , (12.24)

де Q м - навантаження від власної ваги вежі, кН; Р х і Р н - навантаження від вертикальних складових ходового та нерухомого кінців талевого каната (у кН), сума яких спрощено розраховується за формулою

Р х + Р н = Q кр / m ш (12.25)

(m ш - число канатних шківів талевого блоку).

Зусилля (в кН), спрямоване по осі ноги, нахиленої під кутом γ до горизонталі чотириногої вежі

P 1 = Q 0 / 4 sin γ. (12.26)

Найбільше навантаження (в кН) на кожну ногу діятиме в нижній частині вежі:

Р н =(Q 0 +Q м )/4 sin γ, (12.27)

де Q м – навантаження від власної ваги вишки; γ=75÷80° - кут між віссю ноги вежі та площиною його нижньої основи.

Горизонтальне навантаження (в кН), що діє на вежу,

Р г = Р св + Р вет (12.28)

де Р св – горизонтальна складова навантаження від ваги свічок, кН; Р вет - навантаження від тиску вітру на вежу, кН.

Перераховані навантаження визначають за формулами

Р ?

Тут q - прискорення вільного падіння, м/с2; М св – маса свічок, кг; q н =q 0 C - нормативне вітрове навантаження на поверхню вежі, кН; q 0 - нормативний швидкісний напір вітру (в Па), що приймається відповідно до даних гідрометеорологічної служби в розвідуваній місцевості (для висоти над поверхнею землі до 10 м залежно від географічного розташування становить 265; 344; 442; 540; 686; 835 і 98 Па; для висот понад 10 м застосовуються поправочні коефіцієнти: 1,35 - для висоти 20 м; 1,8 - для 40 м; 2,2 - для 100 м; 3,0 - для 350 м і більше; коефіцієнти приймаються відповідно до даних гідрометеорологічної служби, але не менше зазначених значень); С - аеродинамічний коефіцієнт, що вибирається за будівельними нормами (для трубних вишок С = 1, для вишок з прокату С = 1,4); S=S п К об - площа вежі, що обдувається вітром; S п - повна площа проекції вежі на площину, перпендикулярну до напрямку вітру та обмежену зовнішніми контурами вежі; К про - коефіцієнт, що враховує заповнення площі частини вежі, що обдувається (для обшитих частин вежі К про =1, для необшитих К про =0,15÷0,2); ζ-коефіцієнт динамічності, що залежить від періоду Т (в с) та характеру власних коливань вежі (визначається з графіка на рис. 12.6); К п - коефіцієнтпульсації швидкісного натиску вітру залежно від висоти над поверхнею землі (20, 40, 60 та 80 м) становить: для споруд 0,35; 0,32; 0,28 та 0,25, для тросів та проводів 0,25; 0,22; 0,20 та 0,18.

Мал. 12.6. Графік визначення коефіцієнта динамічності

Точка застосування вітрового навантаження (відстань від нижньої основи до центру тяжкості обшитої бурової вежі) визначається за формулами (м):

Для чотириногої вежі (12.31)

Для триноги (12.32)

де Н - повна висота вежі, м; b і b 1 - сторони нижньої та верхньої основ вишки по осях ніг.

При бурінні свердловин на нафту та газ на вежу діють наступні навантаження:

постійні від ваги вежі та ваги змонтованого на ній обладнання;
експлуатаційні, що змінюються за величиною у процесі буріння.

Вантажопідйомність та міцність вежі залежать від поєднання вертикальних та горизонтальних зусиль.

Вертикальні стискаючі зусилля створюються навантаженням на гаку, вагою вежі та її обладнання, натягом провідної та нерухомої гілок талевого каната.

Горизонтальні навантаження, що перекидають вежу, є горизонтальними складовими від зусиль у провідній та нерухомій гілках талевого каната, від ваги похило встановлених за пальцем свічок бурильної колони та від дії вітру.

Вертикальне навантаження на підкронблочну раму вежі:

при не рухомому гаку (12.33)

при рухомому гаку (12.34)

де P до - припустиме навантаження на гак, Q т.с - вага тальової системи (гак, талевий блок, канат і кронблок), Н.

Горизонтальна складова сили, що діє на кронблок від натягу ведучої та ведучої струн талевого каната:

при нерухомому гаку (12.35)

при русі гака (12.36)

де β і γ - кути, відповідно, між провідною та нерухомою струнами каната та вертикальною віссю вежі.

Якщо струни закріплені протилежно одна одній, то береться знак «мінус», якщо з одного боку вежі у лебідки, то – «плюс».

Горизонтальні зусилля на кронблок від складової натягу ведучої та нерухомої струн каната не повинні перевищувати 15 к/Н.

Горизонтальна сила від дії сили тяжіння свічок, встановлених за пальцем

(12.37)

де k - Коефіцієнт, що враховує відношення відстані від свічника до пальця до довжини свічки; G св – вага свічок, встановлених за пальцем, Н; α - кут нахилу свічок до вертикалі, зазвичай α=2÷4 0 .

Як зазначалося вище, горизонтальне вітрове навантаження, що діє на вежу, залежить від природно-кліматичних умов, в яких експлуатується бурова установка. На це навантаження впливає динамічний тиск вітру, що називається вітровим (швидкісним) натиском.

За багаторічними спостереженнями q 0 змінюється не більше від 270 до 1000 Па. Для розрахунку бурових вишок значення q0 приймаються незалежно від місця експлуатації: q0 = 700 Па - для неробочого стану, q0 = 250 Па - для робочого стану; q 0 =150 Па - для монтажно-транспортного стану.

Рівнодіючі від вітрового тиску для кожної секції вежі (щогли) визначаються за формулою

P i =q 0 c i βS i Ca (12.38)

де c i - Коефіцієнт зростання напору в залежності від висоти над поверхнею землі: на висоті i = 1,0; 20м – c i = 1,25; 40м-1,55; 100м-2,1; β - динамічний коефіцієнт, що враховує період власних коливань вежі (щогли), для більшості вишок і щог при T 0,5с, β=2; З - аеродинамічний коефіцієнт, для трубних вишок С a = 1; для профільного прокату a = 1,4; S i – проекція панелі (секції) навертикальну площину, що проходить по осі вежі

де F i – загальна площа панелі; φ=0,15÷0,2 - коефіцієнт заповнення панелі, для обшитої вежі φ=1.

При розрахунку вітрового навантаження пакет свічок, встановлених на свічник, пакет розбивають на ділянки висотою трохи більше 10м. Для кожної ділянки, не затіненої обшивкою, вітрове навантаження визначається за формулою

W c =1,4·P 0 ·n·β·ƒ i ·m, Н, (12.40)

де 1,4 - аеродинамічний коефіцієнт пакету свічок; f i - площа ділянки пакета свічок, не затінена обшивкою, м2.

Вітрове навантаження прикладають у геометричних центрах відкритих частин ділянок пакета.

Для визначення площі ділянок пакета свічок, не затемнених обшивкою, визначають кількість свічок, необхідних для буріння свердловини кінцевої глибини

(12.41)

де l c - Довжина свічки, м.

Знаючи кількість свічок, визначаємо ширину пакета свічок:

b c =k·d т ·n 1 м (12.42)

k - коефіцієнт, що враховує запас кожної труби, k=1,15÷1,25; d т – діаметр бурильної труби, м; n 1 - число свічок у ряду.

Тоді площа ділянки пакета свічок, не затіненої обшивкою дорівнює:

1 = b c · h 1 , м2 (12.43)

де h 1 - Висота ділянки відкритої частини пакета свічок, м