Тема 20 Буровые сооружения (1). Тема 19 буровые сооружения 19 буровые вышки. Общие сведения и устройство
 Скачать 341.5 Kb.
|
|
Тема 19 БУРОВЫЕ СООРУЖЕНИЯ 19.1. БУРОВЫЕ ВЫШКИ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И УСТРОЙСТВО Буровая вышка представляет собой металлическое сооружение над устьем скважины, предназначенное для установки талевого механизма, устройств для механизации спуско-подъемных операций и размещения бурильных свечей. От технического совершенства буровой вышки существенно зависят монтажеспособность и транспортабельность буровой установки, а также эффективность и безопасность бурения. Отказы буровой вышки способны вызвать тяжелые последствия, поэтому надежность и прочность — первостепенные требования, предъявляемые к буровым вышкам. Эти качества должны сочетаться с технологичностью и легкостью вышек, способствующих повышению экономичности и ускорению вышкомонтажных работ. Требования безопасности к буровым вышкам регламентируются ГОСТ 12.2.041—79, согласно которому конструкция и крепление вышки к основанию или фундаменту должны обеспечить надежность и безопасность ее эксплуатации при отсутствии оттяжек. В конструкции вышки должны быть предусмотрены кронблочная, верхняя рабочая и переходные площадки с маршевыми лестницами и стремянками от пола буровой до кронблока. Верхняя площадка должна быть оборудована передвижной люлькой для рабочего, занятого установкой бурильных свечей при спуско-подъемных операциях. Козлы для замены кронблока и монтажный ролик на верхнем основании вышки рассчитываются на подъем полуторакратной массы кронблока. Геометрические формы буровых вышек и отдельных ее элементов должны обладать минимальными аэродинамическими сопротивлениями с целью снижения ветровых нагрузок. По числу и расположению несущих элементов (ног) буровые вышки подразделяются на башенные и мачтовые. В башенных вышках нагрузка передается более чем на две опоры, расположенные в вершинах многоугольника. В вышках мачтового типа нагрузка передается на одну или две опоры. В зависимости от способа спуско-подъемных операций различают буровые вышки с устройствами для ручной и механизированной расстановки свечей. Башенные вышки изготовляются с гибкой (рис. 19. 1, а) и жесткой (рис. 19. 1, б) решетками. Известны конструкции башенных вышек, ноги которых изготовлены из сварных четырехгранных ферм (рис. 19. 1, в) либо из труб большого диаметра (рис. 19. 1, г). Вышки этих типов называют пилонными. Независимо от конструктивной схемы башенные вышки характеризуются высокой жесткостью и сопротивляемостью кручению под действием момента сил, создаваемого натяжением неподвижной и ходовой струн талевого каната. вышек сопряжена с большой трудоемкостью. Однако вследствие большого числа болтовых соединений сборка башенных Отсутствие связей между ногами пилонных вышек способствует п  овышению их монтажеспособности и улучшает обзор вышки со стороны мостков. Мачтовые вышки (рис. 19. 1, д) имеют А-образную форму и благодаря сварной конструкции секций ног обладают высокой монтажеспособностью. Ноги вышки имеют треугольное 1 и 2, четырехугольное 3 либо кольцевое 4 сечение. При одинаковых раз мере В и площади поперечных сечений наибольшим сопротивлением изгибу и кручению обладают вышки, имеющие четырехугольное сечение ног. Это обусловлено тем, что моменты инерции сечений 1, 2, 3 относительно оси х изменяются пропорционально отношениям 1 1,35: 1,50. Вышки с четырехугольным сечением ног наиболее материалоемкие. Вышки с кольцевым сечением ног изготовляются из труб большого диаметра, что приводит к их утяжелению. Жесткость и монтажеспособность хорошо сочетаются в буровых вышках с открытой передней гранью, имеющих четыре (рис. 19. 1, е) либо две опоры (рис. 19. 1, ж) и П-образную форму поперечного сечения. Буровые вышки изготовляют из труб, уголков, швеллеров и круглого проката. Для несущих элементов предпочтительнее при менять трубчатые профили, которые по сравнению с другими видами профилей обладают более высоким радиусом инерции и придают вышке благоприятные аэродинамические свойства, способствующие снижению ветровых нагрузок на вышку. Башенная вышка (рис. 19.2) представляет собой четырехгранную усеченную пирамиду, состоящую из четырех наклонно расположенных ног 6, связанных между собой поясами 8 и гибкими диагональными тягами 7. В рассматриваемой конструкции ноги и пояса вышки изготовлены из труб, а диагональные тяги — из круглого стального проката. На наголовнике вышки устанавливаются цельносварная подкронблочная рама, козлы 1 и под- кронблочная площадка 2. Козлы снабжены блоком, используемым при монтаже вышки, замене кронблока и подъеме других тяжестей. Балконы 4 и 5 предназначены для работы второго помощника бурильщика (верхового) при ручной расстановке бурильных свечей длиной 36 и 27 м. К  аждый балкон состоит из четырех площадок 10, каркаса укрытий и оборудован пальцами12 с шарнирной головкой для установки свечей и люлькой 11 для верхового, размещенной относительно оси скважины на расстоянии, достаточном для прохода талевого блока. При чрезмерном удалении люльки ухудшаются условия работы верхового. На высоте около 15 м находится площадка для обслуживания стояка манифольда буровых насосов и бурового рукава. Согласно требованиям безопасности, ширина площадок буро вой вышки должна быть не менее 750 мм. Площадки имеют металлический настил из просечно-вытяжного листа (чтобы пред отвратить скольжение), перила высотой не менее 1200 мм с про дольными планками и прилегающий к настилу борт высотой 150 мм. Вышка снабжена маршевыми металлическими лестницами 3 шириной не менее 650 мм с переходными площадками и перильными ограждениями высотой не менее 1000 мм. На двух противоположных гранях имеются ворота 9 для затаскивания необходимого оборудования. Ноги вышки собираются из стоек, стыкуемых болтовыми фланцами, приваренными к их торцам. Применение фланцевых стыков с болтами нормальной точности предотвращает ослабление посадок. Для удобства сборки и центрирования торцы стоек снабжены конусными направляющими. Нижние стойки ног имеют опорные плиты и кронштейны для домкратов, используемых при центрировании вышки. Известны другие способы соединения стоек ног вышки (фланцевое соединение на полухомутах и откидных болтах; соединения «торец в торец», стяжными болтами и др.). В соединениях без фланцев в результате деформации контактирующих поверхностей при перебазированиях и разборках вышки происходит ослабление посадок в стыках. Пояса и диагональные тяги болтами соединяются с приваренными к ногам вышки косынками 13. Стойки ног и пояса вышки изготовляют из труб, диагональные тяги — из крупного проката. В другой модификации, отличающейся жесткой комбинированной крестовой решеткой, ноги вышки изготовляют из двух крестообразно расположенных угольников, а пояса и раскосы — из угольников меньшего размера. В пилонной вышке аналогичной высоты и грузоподъемности стойки ног изготовляются из труб большего диаметра и соединяются посредством литых стальных фланцев, приваренных к торцам стоек. Верхние концы ног пилонной вышки шарнирно соединяются с подкронблочной рамой. Взаимное положение ног и жест кость вышки обеспечиваются диагональными винтовыми стяжками, соединяющими верхние стойки ног, и горизонтальными винтовыми тягами, расположенными в средней и нижней частях вышки. Опоры ног пилонной вышки выполнены в виде конуса с проушиной, закрепляемой в специальной стойке на фундаменте. Башенные вышки монтируются преимущественно сверху вниз по средством специальных вышечных подъемников. Мачтовая А-образная вышка (рис. 19.3) состоит из двух ног, несущих основную нагрузку, и подкосов 5, удерживающих вышку в рабочем положении. В зависимости от высоты вышки каждая нога собирается из трех — пяти сварных секций 2, изготовленных и из труб либо профильного проката. Секции стыкуются посредством фланцевых соединений. Для ускорения сборки вместо фланцевых соединений применяются полухомуты. Верхние секции имеют проушины для соединения с подкронблочной рамой, при дающей вышке жесткость и геометрическую форму. На подкронблочной раме установлены козлы и площадка 1 ля обслуживания и ремонта кронблока. В  зависимости от схемы подъема и конструкции вышки под косы 5 располагаются со стороны мостков либо на противоположной стороне и посредством проушин соединяются с ногами вышки и башмаками, установленными на основании вышки. Ноги 4 вышки шарнирно соединяются с опорой, центрирующей вышку относительно, оси ротора. Балкон 3 для второго помощника бурильщика и магазин для свечей крепятся к ногам вышки по средством кронштейнов. Стояк манифольда буровых насосов располагается внутри ноги вышки. Для обслуживания и смены бурового рукава внутри ноги вышки имеется небольшая площадка. Маршевые лестницы6 монтируются на гранях одной из ног вышки и доходят до балкона. Внутри ноги вышки устанавливаются лестницы туннельного типа. А-образную и другие мачтовые вышки собирают в горизонтальном положении на специально подготовленной площадке, достаточной для расположения собранной вышки и необходимого для ее монтажа оборудования. В вертикальное положение вышку поднимают при помощи стрелы и блоков, оснащенных канатом, ходовой конец которого крепится к барабану буровой лебедки, либо трактора-подъемника. В буровых установках универсальной монтажеспособности для подъема вышки используется специальный механизм подъема, представляющий собой достаточно жесткую П-образную раму с двумя подкосами и полиспастом. С помощью буровой лебедки, приводимой от регулятора подачи долота, и полиспаста механизма подъема вышка устанавливается в рабочее положение и крепится к подкосам, придающим вышке устойчивость при эксплуатации. При подъеме из скважины бурильные свечи нижним концом устанавливают на подсвечник. Верхний конец свечей заводят в так называемый магазин, и они упираются на палец (см. рис. 19.2, сечение А—А). Между пальцем и люлькой имеется просвет для свободного прохода труб наибольшего диаметра. Пальцы изготавливают из толстостенных труб, они имеют шарнирную головку, которая поворачивается при случайных ударах талевого блока и благодаря этому предотвращается поломка пальца. 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 lсв — длина свечи; а — угол наклона свечи к вертикали (α =2-4°); hп — 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 qо = 250 Па (рис. 19.4,а); – ветровая нагрузка 7 на низ вышки qо = 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 qо = 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 qо = 150 Па (рис. 19.4, г). Вертикальные нагрузки Вертикальная нагрузка па подкронблочную раму вышки: при неподвижном крюке п   ри движении крюка где Рк — допустимая нагрузка на крюк, Н; GTC — вес талевой системы (крюк, талевой блок, канат и кронблок), Н; uтс — число струн в оснастке (кратность полиспаста), ηТС—к. п. д. талевой системы. У  силие, действующее на более нагруженную ногу и опорный башмак при неподвижном конце каната, укрепленном у ноги вышки, где Рв — 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 |