Рис. 1. Буровая вышка ВРМ-24/30

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 двух-опорные 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.

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.

Изображенная на рис. 1 металлическая вышка ВРМ-24/30 имеет опоры из цельнотянутых стальных труб диаметром 102/90 мм. Секции опор соединяются между собой хомутами из листовой стали толщиной 10 мм. Нижние концы опор шарнирными башмаками (передние опоры) и опорными плитами (задние опоры) соединяются с металлическим основанием, 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, а выше —к кронблочной площадке — лестницы тоннельного типа.

Буровое здание может быть бревенчатым или дощатым. В зависимости от времени года и климатических условий 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 выбирать места, защищенные от сильных ветров и снежных заносов. В районах распространения многолетней мерзлоты нельзя допускать ее вскрыши на рабочей площадке и, по возможности, не снимать растительного покрова земли, чтобы не нарушать теплового режима мерзлой породы, являющейся основанием под сооружаемую вышку.

Рис. 2. Схема подъема вышки

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. На брусьях, уложенных в плоскости нижней рамы, шарнирно закрепляется монтажная стрела Б. В вертикальном положении стрела удерживается канатными растяжками, прикрепленными к якорям и опорам вышки. На одном из верхних поясов вышки крепится канат уравнительного устройства, обеспечивающего симметричное воздействие на вышку при ее подъеме. Трос подъема вышки, связанный с замком уравнительного устройства и блоком полиспаста, пропущен через головку монтажной стрелы. Ходовой конец тягового каната огибает ролики двух блоков, 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 Ими 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 на 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°.

Для сокращения времени на монтажно-демон-тажные 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, МР-6) или трубчатую колонну (БМТ-4, МБТ-5, БМТ-7).

Буровая мачта МРУГУ-2 (мачта разведочная Уральского геологического управления) применяется при бурении вертикальных и наклонных скважин глубиной до 500 м.

На сварном санном основании установлено все буровое оборудование, буровое здание 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 мачты имеет фланцевое соединение с ее основанием. На стреле смонтированы свечеприемник, кронблок, тоннельная лестница и съемная укосина, используемая при подъеме стрелы лебедкой или трактором в рабочее положение и укладке в транспортное, а также при выполнении погрузоч-но-разгрузочных работ. Для поддержания стрелы в транспортном положении служит задняя опора. При бурении наклонных скважин мачту с помощью домкратных винтов основания стрелы и сошек, опирающихся на боковую опору, устанавливают под нужным углом. Транспортируется мачта трактором Т-100М.

Рис. 3. Буровая мачта МРУГУ-2

Мачта имеет передвижной стеллаж, представляющий собой металлическую пирамиду на деревянных санях.

Буровая мачта БМТ-4 имеет трубчатый ствол, траверсой шарнирно соединенный с порталом, опирающимся на общее с буровым зданием основание. В верхней части ствола закреплен кронблок с устройством, предупреждающим переподъем снаряда. В рабочем положении ствол мачты удерживается центральным и боковым подкосами. Для бурения вертикальных скважин ствол устанавливается наклонно, что обеспечивает беспрепятственное движение талевого блока при выполнении спуско-подъемных операций. Центральный подкос позволяет устанавливать и удерживать мачту в положениях, обеспечивающих бурение скважин с наклоном до 60°. Мачта имеет свечеприемник.

Подъем мачты в рабочее положение и опускание в транспортное производятся двумя гидроцилиндрами. 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, через ролик которого перебрасывается канат, идущий с барабана лебедки к подъемному крюку. Ветвь подъемного каната, соединяющая барабан лебедки с роликом кронблока, называется ходовой или лебедочной, а сбегающая с кронблока и соединяемая с крюком — рабочей ветвью. 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, 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 или крон-блоке, и симметричной, когда конец каната прикрепляется к основанию буровой вышки. В эту неподвижную ветвь каната включают динамометр — прибор, с помощью которого определяют массу бурового снаряда и контролируют нагрузку на породоразрушающий инструмент при бурении.

Рис. 4. Буровая мачта БМТ-4:
1 — основание; 2 — пол бурового здания; 3 — гидроцилиндр подъема мачты; 4 — портал; 5 — траверса; 6 — центральный подкос; 7 — талевый блок; 8 — трубчатый ствол; 9 — боковой подкос; 10 — свечеприемник; 11 — кронблок

Кронблоки для бурения разведочных скважин могут иметь от одного до четырех роликов, через подшипники качения опирающихся на ось, концы которой закреплены на сварной раме. Ролики сверху закрыты защитным кожухом, а рама болтами закрепляется на верхнем основании вышки. Грузоподъемность кронблоков, применяемых при колонковом бурении— 100, 150 и 300 кН.

Рис. 5. Виды талевых оснасток

Рис. 6. Кронблок

Талевые блоки имеют от одного до трех роликов, которые через подшипники качения опираются па ось, концами закрепленную в боковых стенках корпуса. В верхней части корпуса блока имеется проушина для присоединения конца талевого каната. В нижней части блока расположена ось, 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 (ТК), линейным (ЛК) и комбинированным точечно-линейным (TJ1K). Канаты с линейным касанием проволок в прядях более долговечны, чем с точечным.

Рис. 7. Талевый блок

Рис. 8. Стальные канаты:
а — типа ЛК-0 конструкции 6X19(1+9+ +9) + 1ос; б — типа ЛК-РО конструкции 6Х36 + 1ос; в — типа ТК конструкции 6Х19 + 1ос; г — типа ТЛК-0 конструкции 6X37(1+6+15+15) + + 1ос; д — типа ЛК-Р конструкции 6X19 (1+6+6/6) + 1ос; е — свивка канатов; 1 — правая односторонняя; 2 — левая крестовая

Диаметр проволок в пряди одинаковый или различный. В пряди типа ЛK-0 и типа ТЛК-0 диаметр проволок в слоях одинаков, в пряди типа ЛK-P наружный слой имеет проволоки разного диаметра, в пряди типа ЛК-РО расположены слои с проволоками одинакового диаметра и с проволоками разных диаметров.

Различают канаты односторонней и крестовой свивки. В канатах односторонней свивки пряди в канате и проволочки в пряди имеют одно и то же направление свивки, а в канатах крестовой свивки — 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.

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.

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.

Согласно требованиям Правил безопасности при геологоразведочных работах фактический запас прочности талевого каната должен быть не менее 3.