Нагрузки на кронблочную раму буровой вышки (мачты) в зависимости от способа крепления свободного конца каната талевой системы определяют из выражений:
- при оснастке талевой системы с неподвижным концом каната
(12.21)
- при оснастке без неподвижной ветви, когда свободный конец закреплен на
подвижном блоке или кронблоке
(12.22)
Из сравнения формул (12.21) и (12.22) видно, что при одинаковой нагрузке на крюке на кронблок (вышки, мачты) действует меньшая нагрузка при талевой оснастке без неподвижного конца каната. Однако, в этом случае вышка нагружена менее симметрично, поэтому при бурении глубоких скважин следует принимать оснастку с неподвижной ветвью каната.
Максимально допустимая кратковременная перегрузка на мачту рассчитывается по формуле
Qм=Рлн(uт.с+2)ληс,Н (12.23)
где λ=1,7÷2,2 - кратковременная перегрузка электродвигателя (указывается в паспорте на электродвигатель), λ=1,1 для ДВС.
В процессе работы на вышку (мачту) действуют вертикальные и горизонтальные нагрузки. Вертикальная нагрузка Рв основании вышки (в кН)
Pв=Qкр+Qм+Pх+Pн, (12.24)
где Qм - нагрузка от собственного веса вышки, кН; Рх и Рн - нагрузки от вертикальных составляющих ходового и неподвижного концов талевого каната (в кН), сумма которых упрощенно рассчитывается по формуле
Рх+Рн=Qкр/mш (12.25)
( mш - число канатных шкивов талевого блока).
Усилие (в кН), направленное по оси ноги, наклоненной под углом γ к горизонтали четырехногой вышки
P1=Q0/4sin γ. (12.26)
Наибольшая нагрузка (в кН) на каждую ногу будет действовать в нижней части вышки:
Рн=(Q0+Qм)/4 sin γ, (12.27)
где Qм - нагрузка от собственного веса вышки; γ=75÷80° - угол между осью ноги вышки и плоскостью его нижнего основания.
Горизонтальная нагрузка (в кН), действующая на вышку,
Рг=Рсв+Рвет (12.28)
где Рсв - горизонтальная составляющая нагрузки от веса свечей, кН; Рвет — нагрузка от давления ветра на вышку, кН.
Перечисленные нагрузки определяют по формулам
Рсв≈0,025gMсв
(12.29)
Рвет=qнSK0=q0CSпКоб(1+ζКп)
(12.30)
Здесь q - ускорение свободного падения, м/с2; Мсв - масса свечей, кг; qн=q0C - нормативная ветровая нагрузка на поверхность вышки, кН; q0 - нормативный скоростной напор ветра (в Па), принимаемый в соответствии с данными гидрометеорологаческой службы в разведуемой местности (для высоты над поверхностью земли до 10 м в зависимости от географического расположения составляет 265; 344; 442; 540; 686; 835 и 981 Па; для высот более 10 м применяются поправочные коэффициенты: 1,35 - для высоты 20 м; 1,8 - для 40 м; 2,2 - для 100 м; 3,0 - для 350 м и более; для горных местностей поправочные коэффициенты принимаются в соответствии с данными гидрометеорологической службы, но не менее указанных значений); С - аэродинамический коэффициент, выбираемый по строительным нормам (для трубных вышек С= 1, для вышек из проката С= 1,4); S=SпКоб- площадь вышки, обдуваемая ветром; Sп - полная площадь проекции вышки на плоскость, перпендикулярную к направлению ветра и ограниченную наружными контурами вышки; Коб - коэффициент, учитывающий заполнение обдуваемой площади части вышки (для обшитых частей вышки Коб=1, для необшитых Коб=0,15÷0,2); ζ-коэффициент динамичности, зависящий от периода Т (в с) и характера собственных колебаний вышки (определяется из графика на рис. 12.6); Кп - коэффициент пульсации скоростного напора ветра в зависимости от высоты над поверхностью земли (20, 40, 60 и 80 м) составляет: для сооружений 0,35; 0,32; 0,28 и 0,25, для тросов и проводов 0,25; 0,22; 0,20 и 0,18.
Рис. 12.6. График для определения коэффициента динамичности
Точка приложения ветровой нагрузки (расстояние от нижнего основания до центра тяжести обшитой буровой вышки) определяется по формулам (в м):
Для четырехногой вышки 
(12.31)
Для треноги 
(12.32)
где Н - полная высота вышки, м; b и b1 - стороны нижнего и верхнего оснований вышки по осям ног.
При бурении скважин на нефть и газ на вышку действуют следующие нагрузки:
- постоянные от веса вышки и веса смонтированного на ней оборудования;
- эксплуатационные, изменяющиеся по величине в процессе бурения.
Грузоподъемность и прочность вышки зависят от сочетания вертикальных и горизонтальных усилий.
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 свечей бурильной колонны и от действия ветра.
Вертикальная нагрузка на подкронблочную раму вышки:
при не подвижном крюке 
(12.33)
при подвижном крюке 
(12.34)
где Pк - допустимая нагрузка на крюк, Qт.с - вес талевой системы (крюк, талевый блок, канат и кронблок), Н.
Горизонтальная составляющая силы, действующей на кронблок от натяжения ведущей и ведомой струн талевого каната:
при неподвижном крюке 
(12.35)
при движении
крюка
(12.36)
где β и γ - углы, соответственно, между ведущей и неподвижной струнами каната и вертикальной осью вышки.
Если струны закреплены противоположно друг другу, то берется знак «минус», если с одной стороны вышки у лебедки, то - «плюс».
Горизонтальные усилия на кронблок от составляющей натяжения ведущей и неподвижной струн каната не должна быть более 15 к/Н.
Горизонтальная сила от действия силы тяжести свечей, установленных за пальцем
(12.37)
где k - коэффициент, учитывающий отношение расстояния от подсвечника до пальца к длине свечи; Gсв - вес свечей, установленных за пальцем, Н; α - угол наклона свечей к вертикали, обычно α=2÷40 .
Как отмечалось выше, горизонтальная ветровая нагрузка, действующая на вышку, зависит от природно - климатических условий, в которых эксплуатируется буровая установка. На эту нагрузку влияет динамическое давление ветра, называемое ветровым (скоростным) напором.
По многолетним наблюдениям q0 изменяется в пределах от 270 до 1000 Па. Для расчета буровых вышек значения q0 принимаются независимо от места эксплуатации: q0=700 Па - для нерабочего состояния, q0=250 Па - для рабочего состояния; q0=150 Па - для монтажно - транспортного состояния.
Равнодействующие от ветрового давления для каждой секции вышки (мачты) определяются по формуле
Pi=q0ciβSiCa (12.38)
где ci - коэффициент возрастания напора в зависимости от высоты над поверхностью земли: на высоте<10 м ci=1,0; 20м - ci= 1,25; 40м-1,55; 100м-2,1; β - динамический коэффициент, учитывающий период собственных колебаний вышки (мачты), для большинства вышек и мачт при T<0,5с, β принимаются равным 1; при T>0,5с, β=2; С, - аэродинамический коэффициент, для трубных вышек Сa= 1; для профильного проката Сa= 1,4; Si - проекция панели (секции) на вертикальную плоскость, проходящую по оси вышки
Si=Fiφ, (12.39)
где Fi - общая площадь панели; φ=0,15÷0,2 - коэффициент заполнения панели, для обшитой вышки φ=1.
При расчете ветровой нагрузки на пакет свечей, установленных на подсвечник, пакет разбивают на участки высотой не более 10м. Для каждого участка, не затененного обшивкой, ветровая нагрузка определяется по формуле
Wc=1,4·P0·n·β·ƒi·m, Н, (12.40)
где 1,4 - аэродинамический коэффициент пакета свечей; fi - площадь участка пакета свечей, не затененная обшивкой, м2.
Ветровую нагрузку прикладывают в геометрических центрах открытых частей участков пакета.
Для определения площади участков пакета свечей, не затемненных oбшивкой, определяют количество свечей, необходимых для бурения скважины конечной глубины
(12.41)
где lc - длина свечи, м.
Зная количество свечей, определяем ширину пакета свечей:
bc=k·dт·n1, м (12.42)
k - коэффициент, учитывающий запас для каждой трубы, k=1,15÷1,25; dт - диаметр бурильной трубы, м; n1 - число свечей в ряду.
Тогда площадь участка пакета свечей, не затененного обшивкой равна:
ƒ1=bc·h1, м2 (12.43)
где h1 - высота участка открытой части пакета свечей, м
