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.
На вышку могут действовать четыре сочетания нагрузок (рис. 3):
· вертикальные 2, 3, 4, 6 игоризонтальные нагрузки 1, 5 в процессе СПО и спуска обсадной колонны; при этом допускается ветровая нагрузка 7 на нижнюю боковую поверхность qо = 250 Па (рис. 3а);
· 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. 3 б);
· нагрузки на вышку 2 и 6 при СПО и ветровой нагрузке 7 qо= 150 Па (рис. 3в);
· 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. 3г).
Вертикальные нагрузки
Вертикальная нагрузка на подкронблочную раму вышки:
при неподвижном крюке Рв’ = Рк + Gтс + 2Рк / uтс (1)
при движении крюка Pb” = Pk + Gtc + 2Pk / uтс 
тс, (2)
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);
тс — к.п.д. талевой системы.
Усилие, действующее на более нагруженную ногу и опорный башмак при неподвижном конце каната, укрепленном у ноги вышки,
Рн=(Рв + Gв) / а + Рк/ uтс, (3)
где Gв— общий вес вышки, Н;
а — число ног вышки, для мачтовых вышек а = 2, для башенных а= 4.
Горизонтальные нагрузки
Горизонтальная составляющая силы, действующей на кронблок от натяжения ведущей и ведомой струн талевого каната:
при неподвижном крюке: Рг’=Pк(tg 
± tg 
) / uтс, (4)
при движении Рг”=Рк tg / uтс 
тс - Рк тс tg 
/ uтс, (5)
где: и - 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».
Горизонтальная сила от действия силы тяжести свечей, установленных за пальцем рассчитывается по уравнению (6): Ргс = kGсtg 
/ 2, в котором: k -коэффициент, учитывающий отношение расстояния от подсвечника до пальца к длине свечи ℓ; Gс — вес свечей, установленных за пальцем, Н; — угол наклона свечей к вертикали, обычно =2 - 4°.
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 или скоростным напором: qо = 
v 2 / 2,
где v — скорость ветра, м/с; = 1,225 кг/м3 — плотность воздуха.
По данным многолетних наблюдений, Предельный ветровой напор в различных районах СССР изменяется в пределах от 270 до 1000 Па. Согласно нормам РТМ 26-02—6—68 (Руководящий технический материал на проектирование буровых вышек), для расчета буровых вышек значения ветрового напора принимаются независимо от места их эксплуатации:
· qо = = 700 Па — для нерабочего состояния;
· qо = 250 Па — для рабочего состояния;
· qо = 150 Па — для монтажно-транспортного состояния.
Равнодействующая от ветрового давления на вышку:
Рг.вт = qо * сi * р Si *m, (7)
где qо - скоростной напор ветра, Па;
сi- коэффициент, учитывающий возрастание напора ветра в зависимости от высоты, принимаемый:
| Высота над поверхностью земли, м | < 10 | |||
| Поправочный коэффициент сi | 1,0 | 1,25 | 1,55 | 2,1 |
р = 2 - динамический коэффициент, учитывающий период собственных колебаний вышки;
m— аэродинамический коэффициент, принимаемый:
· для конструкций из профильного проката m = 1,4;
· длятруб m = 1;
Si - проекция панели на вертикальную плоскость,преходящую по оси вышки
Si =Fi * 
,
F i — общая площадь панели; = 0,15 – 0,2 - коэффициент заполнения панели, для обшитой части вышки =1).
Горизонтальное усилие на кронблок от составляющей натяжения ведущей и неподвижной струн каната не должно быть более 15 кН и предполагается, что оно действует в том же направлении, что и горизонтальные усилия от веса свечей и ветра.
7. Пример 2. Определить вертикальную нагрузку, действующую на подкронблочную раму вышки BM-42-I40 во время СПО; глубина скважины 2503 м; диаметр бурильных труб dбт = 127мм, ℓбт = 2300 м, средний вес 1 м трубы qбт = 260 Н/м; ℓубт = 200 м, dубт = 178 мм, qубт = 1560 Н/м; плотность бурового раствора р р= 1,2 г/см3 и плотность стали р с = 7,85 г/см3.
Решение.
Определяем по формуле (2) вертикальную нагрузку на подкронблочную раму вышки при движении крюка. Весами штропов и элеватора можно пренебречь, тогда:
- нагрузка на крюк, Н
Рк = 260*2300 + 200*1560 + g*1,2* 
*(0,1782*200 + 0,1272*2300)/4 = 910352,6
Рк = 0,91 МН.
- вес подвижной части талевой системы, Н
GTC = Gкб + ⅔Gтк = 12700 + ⅔ 10880 = 19953,3
где Gкб=12,7 кН — вес крюкоблока ТБК4-140Бр;
Gтк = ℓтк * qтк; ℓтк = ℓб* uтс – длина талевого каната в оснастке 4х5 между талевым блоком и кронблоком; ℓб = 40 м = расстояние между кронблоком и Талиевым блоком в нижнем положении крюка; uтс = 8-кратность полиспаса; qкт = 34 Н/м – вес талиевого каната (для канатов dк = 28 мм). Тогда: Gтк = 40*8*34=10880 Н.
- к. п. д. талевой системы 
тс = 1 – 0,02*uтс = 1 – 0,02*8=0,84
- вертикальная нагрузка на подкронблочную раму вышки при движении, Н:
Pb” = Pk + Gtc + 2Pk / uтс тс = 910000 + 19953 + 2*91000/8*0,84 = 957036,3;
Pb” = 0,95 МН.
8. Пример 3. Определить горизонтальную составляющую силы, действующей на кронблок от натяжения ведущей и неподвижной струн талевого каната, для условий, принятых в предыдущем примере, если точки касания струн талевого каната и кронблока находятся на противоположных сторонах от точек крепления: неподвижной — 3 м и ведущей —7 м; высота вышки h = 45 м.
Решение
Горизонтальные составляющие сил:
- при неподвижной талевой системе по формуле (4):
Рг’=Pк(tg ± tg ) / uтс
Рк = 0,91 МН = 910 кН, кратность полиспаса uтс = 8 (см. выше). Тогда, кН:
Рг’ = 910(7/45 – 3/45) / 8 = 10,12
- при подъеме бурильной колонны по формуле (5), кН:
Рг”=Рк tg / uтс тс - Рк тс tg 
/ uтс.
Рг” = 910 * (7/45) / 8*0,84 – 910*0,84(3/45)/8 = 14,69.
9. Пример 4. Определить ветровую нагрузку, действующую на мачтовую вышку ВМ-42-140. Нормативный напор ветра qо = 700 Па, высота вышки h=45 м, нижняя часть вышки обшита на высоту h1 = 10 м, высота основания hо = 5 м, балкон на высоте hб = 24 м имеет сплошную обшивку высотой 4 м; фермы мачты — решетчатой конструкции с маршевыми лестницами до балкона.
Решение.
Равнодействующие для каждой секции мачты определяем по формуле (7)
Рг.вт = qо * сi * р Si *m, (7)
где qо - скоростной напор ветра, Па;
сi- коэффициент, учитывающий возрастание напора ветра в зависимости от высоты, принимаемый:
| Высота над поверхностью земли, м | < 10 | |||
| Поправочный коэффициент сi | 1,0 | 1,25 | 1,55 | 2,1 |
р = 2 - динамический коэффициент, учитывающий период собственных колебаний вышки;
m— аэродинамический коэффициент, принимаемый: для конструкций из профильного проката m = 1,4; длятруб m = 1;
Si - проекция панели на вертикальную плоскость,преходящую по оси вышки Si =Fi * ,
F i — общая площадь панели; = 0,15 – 0,2 - коэффициент заполнения панели, для обшитой части вышки =1).
где: площади панелей S1 = 100 м2, S2 = 80 м2, S3 = 20 м2, S4 = 54 м2; коэффициенты заполнения панелей; 
1 = 3 = 1; 2 = 4 = 0,15; поправочный коэффициент высоты с1 = 1,2; с2 = 1,4; с3 = 1,45; с4 = 1,8; аэродинамический коэффициент m2 = 1,4; m4 = 1,0 (панель из труб).
Равнодействующие силы от ветрового давления на вышку, кН:
Рг.вт1 = qо * с1 * р S1 *m = 700*1,2*2*100 = 168;
Рг.вт2 = qо * с2 * р S2 *m = 700*1,4*2*0,15*1,4*80 = 33;
Рг.вт3 = qо * с3 * р S3 *m = 700*1,45*2*20 = 40;
Рг.вт4 = qо * с4 * р S4 *m = 700*1,8*2*0,15*1*54 = 20.
Общее горизонтальное усилие от ветровой нагрузки, действующее на вышку, кН:
Рг.вт = 168 + 33 + 40 + 20 = 261.
10. Индивидуальное задание к расчету (по вариантам)
- определить вертикальную нагрузку, действующую на подкронблочную раму вышки BM-42-I40 во время СПО;
- определить горизонтальную составляющую силы, действующей на кронблок от натяжения ведущей и неподвижной струн талевого каната
- определить ветровую нагрузку, действующую на мачтовую вышку
для исходных данных по вариантам:
| Вариант | Высота вышки, м | Вариант | Высота вышки, м |
| Примечание. 1. Номер варианта соответствует номеру в списке журнала группы. 2. Заданные значения имеют учебный характер (не соответствуют ГОСТ). |
остальные условия расчета принять по исходным данным примеров 2, 3, 4.
