一種不壓井作業(yè)裝置工作臺的設(shè)計

摘要：針對勝利油田不壓井作業(yè)的具體情況，研制了一種工作臺系統(tǒng)。本文在同時考慮到各方面因素的前提下，對其設(shè)計和優(yōu)化進行論述。

關(guān)鍵詞：工作臺;強度;優(yōu)化

目前無論從保護油氣層，還是從安全施工、保護環(huán)境的角度，對不壓井作業(yè)均有很大需求[1]。勝利油田分公司采油工藝研究院研制了一種與小修作業(yè)設(shè)備配套的不壓井作業(yè)裝置工作臺系統(tǒng)。工作臺的受力狀況極其復(fù)雜和惡劣，直接影響帶壓施工的安全性[2]。要保證帶壓作業(yè)的安全性，避免事故的發(fā)生，也要便于運輸和安裝。所以必須對其進行全面的分析計算，校核結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性，并進行優(yōu)化得到更加合理的尺寸。

1.設(shè)計分析

為便于運輸，將不壓井作業(yè)裝置工作臺與作業(yè)井架設(shè)計為分體式。在帶壓作業(yè)施工時，井口一般為3～4人，進行復(fù)雜工序時，一般為6～8人，因此工作臺平面設(shè)計為4m×4m。為避免運輸時出現(xiàn)超寬現(xiàn)象，將工作臺四根支撐腿立柱在平臺下設(shè)計為2m×2m的平面，而在立柱形成的上表面四周設(shè)計1m的加寬板，加寬板可進行折疊，方便運輸。

工作臺主要用于承受操作人員、工具等的重量，工作負荷不大，因此，其框架材料選用型鋼。型鋼易于購買，不需進行復(fù)雜加工就可直接使用，可以加快加工速度，降低制作費用。

2.載荷分析

2.1管柱重量

作業(yè)施工時，吊卡坐于工作臺橫梁上，通過工作臺將管柱重量傳至井口，設(shè)計該工作臺的最大載荷為50t。

2.2不壓井作業(yè)裝置自重

一部分是工作臺及控制柜重量，重2.6噸，一部分是防噴器組及加載系統(tǒng)重量，重3.4t。工作時，防噴器組加載系統(tǒng)重量作用于井口。

2.3平臺上操作人員、工具重量

（1）操作人員體重：在進行作業(yè)時，平臺操作人員最多為8人，體重按每人75Kg計算，共為600Kg。

（2）常用工具重量：井口操作時，一些常用工具放置于工作臺上，包括管鉗、旋塞閥、榔頭、扳手等小工具，共計約200Kg。

（3）液壓鉗重量：井口用液壓鉗在維修時，一般放置在工作臺上，其重量約為220Kg。

（4）游車大鉤、吊環(huán)、吊卡重量：游車大鉤有時出現(xiàn)故障，需在工作臺上進行整修。80t游車大鉤重量約為2150Kg，一對80t吊環(huán)重量約為78Kg，3?1/2吊卡重量約為52Kg，重量共計約2280Kg。

（5）上料滑道油管重量：油管由地面油管排轉(zhuǎn)移至井口工作臺時，上料滑道最多放置油管10根，按3?1/2油管單位重量約11.4285Kg/m，1根油管按9.5m計算，10根油管重量約1085.7Kg。

綜合以上分析可知，管柱重量、不壓井作業(yè)裝置自重通過井口傳至套管，不壓井作業(yè)裝置支撐框架主要用于支撐平臺上的操作人員、常用工具等。

3.結(jié)構(gòu)優(yōu)化

依據(jù)不壓井作業(yè)裝置在工作狀態(tài)及非工作狀態(tài)所受載荷情況，設(shè)計的工作臺主要由立柱、斜支撐、上橫梁、下橫梁等組成，它們之間通過鉚接和焊接連接，在連接處無相對轉(zhuǎn)動。組成部件的尺寸如下。

（1）立柱：鋼管，內(nèi)半徑62mm，外半徑70mm;

（2）橫梁：槽鋼，180mm70mm9mm;

（3）斜支撐：方管，60mm5mm;

（4）下橫梁：矩形，280mm120mm;

（5）液壓缸：鋼管，內(nèi)半徑70mm，外半徑80mm;

（6）中間梁：矩形方鋼，90mm×80mm;

（7）上橫梁：矩形方鋼，370mm300mm;

（8）套管：鋼管，內(nèi)半徑62mm，外半徑69.5mm。

3.1計算結(jié)果

3.1.1位移結(jié)果

在工作荷載和自重作用下，通過有限元軟件模擬得到，總位移基本關(guān)于下橫梁中間截面對稱，立柱位移幾乎為零，其中在下橫梁兩端和上橫梁的位移較大，最大位移為0.857mm。

3.1.2應(yīng)力結(jié)果

提取單元的等效應(yīng)力云圖后得到，立柱部位應(yīng)力較小，在使用材料的屈服強度之內(nèi)，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

由以上分析可知，理論分析與模擬結(jié)論相同，工作臺結(jié)構(gòu)強度足夠。

3.2優(yōu)化結(jié)果

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的斜支撐、立柱、槽鋼等處的應(yīng)力都較小，有優(yōu)化的必要。下面，以槽鋼為主要對象，對每種槽鋼，按比例關(guān)系計算出對應(yīng)的立柱、斜支撐角鋼的型號，然后進行計算。

表1?優(yōu)化組合及其對應(yīng)最大應(yīng)力

槽鋼

立柱（無縫鋼管）

角鋼（斜支撐）

最大等效應(yīng)力

E180×70×9

D140-8.0

L100×8

80.6MPa

E140×58×6

D108-6.0

L80×6

122MPa

E100×48×5.3

D76-4.5

L56×5

138MPa

E50×37×4.5

D38×2.0

L30×3.0

159MPa

通過上表可得到優(yōu)化結(jié)果為：槽鋼選用E5，尺寸是高度50mm，腿寬37mm，腰厚4.5mm，立柱應(yīng)選D38-2.0的無縫鋼管，尺寸是直徑38mm，壁厚2.0mm，斜支撐應(yīng)選L30×3.0型號的等邊角鋼，尺寸是邊寬30mm，邊厚3mm。優(yōu)化后的型號為槽鋼E50×37×4.5，立柱D38×2.0，角鋼L30×3.0。優(yōu)化后，最大位移為2.001mm，立柱重量減輕89%，角鋼重量減輕93%，槽鋼重量減輕76%。

4.現(xiàn)場應(yīng)用

自勝利油田開展不壓井作業(yè)技術(shù)推廣應(yīng)用以來，無論是工序較為簡單的帶壓檢泵、檢管作業(yè)還是工序復(fù)雜的壓裂轉(zhuǎn)抽等作業(yè)，工作臺系統(tǒng)在現(xiàn)場已經(jīng)成功應(yīng)用了幾千井次。

參考文獻：

[1]樊獎平，張高峰，王學(xué)佳，等.帶壓作業(yè)裝置現(xiàn)狀與發(fā)展[J].石油礦場機械，2008，37（12）：11-15.

[2]李均強.帶壓作業(yè)在油氣水井中的應(yīng)用[J].石油化工應(yīng)用，2010，29（4）：93-95.

作者簡介：郝麗偉（1982—），女，工程師，目前在勝利油田采油工藝研究院從事研究工作。