一种不压井作业装置工作台的设计

摘要：针对胜利油田不压井作业的具体情况，研制了一种工作台系统。本文在同时考虑到各方面因素的前提下，对其设计和优化进行论述。

关键词：工作台;强度;优化

目前无论从保护油气层，还是从安全施工、保护环境的角度，对不压井作业均有很大需求[1]。胜利油田分公司采油工艺研究院研制了一种与小修作业设备配套的不压井作业装置工作台系统。工作台的受力状况极其复杂和恶劣，直接影响带压施工的安全性[2]。要保证带压作业的安全性，避免事故的发生，也要便于运输和安装。所以必须对其进行全面的分析计算，校核结构的强度、刚度和稳定性，并进行优化得到更加合理的尺寸。

1.设计分析

为便于运输，将不压井作业装置工作台与作业井架设计为分体式。在带压作业施工时，井口一般为3～4人，进行复杂工序时，一般为6～8人，因此工作台平面设计为4m×4m。为避免运输时出现超宽现象，将工作台四根支撑腿立柱在平台下设计为2m×2m的平面，而在立柱形成的上表面四周设计1m的加宽板，加宽板可进行折叠，方便运输。

工作台主要用于承受操作人员、工具等的重量，工作负荷不大，因此，其框架材料选用型钢。型钢易于购买，不需进行复杂加工就可直接使用，可以加快加工速度，降低制作费用。

2.载荷分析

2.1管柱重量

作业施工时，吊卡坐于工作台横梁上，通过工作台将管柱重量传至井口，设计该工作台的最大载荷为50t。

2.2不压井作业装置自重

一部分是工作台及控制柜重量，重2.6吨，一部分是防喷器组及加载系统重量，重3.4t。工作时，防喷器组加载系统重量作用于井口。

2.3平台上操作人员、工具重量

（1）操作人员体重：在进行作业时，平台操作人员最多为8人，体重按每人75Kg计算，共为600Kg。

（2）常用工具重量：井口操作时，一些常用工具放置于工作台上，包括管钳、旋塞阀、榔头、扳手等小工具，共计约200Kg。

（3）液压钳重量：井口用液压钳在维修时，一般放置在工作台上，其重量约为220Kg。

（4）游车大钩、吊环、吊卡重量：游车大钩有时出现故障，需在工作台上进行整修。80t游车大钩重量约为2150Kg，一对80t吊环重量约为78Kg，3 1/2吊卡重量约为52Kg，重量共计约2280Kg。

（5）上料滑道油管重量：油管由地面油管排转移至井口工作台时，上料滑道最多放置油管10根，按3 1/2油管单位重量约11.4285Kg/m，1根油管按9.5m计算，10根油管重量约1085.7Kg。

综合以上分析可知，管柱重量、不压井作业装置自重通过井口传至套管，不压井作业装置支撑框架主要用于支撑平台上的操作人员、常用工具等。

3.结构优化

依据不压井作业装置在工作状态及非工作状态所受载荷情况，设计的工作台主要由立柱、斜支撑、上横梁、下横梁等组成，它们之间通过铆接和焊接连接，在连接处无相对转动。组成部件的尺寸如下。

（1）立柱：钢管，内半径62mm，外半径70mm;

（2）横梁：槽钢，180mm70mm9mm;

（3）斜支撑：方管，60mm5mm;

（4）下横梁：矩形，280mm120mm;

（5）液压缸：钢管，内半径70mm，外半径80mm;

（6）中间梁：矩形方钢，90mm×80mm;

（7）上横梁：矩形方钢，370mm300mm;

（8）套管：钢管，内半径62mm，外半径69.5mm。

3.1计算结果

3.1.1位移结果

在工作荷载和自重作用下，通过有限元软件模拟得到，总位移基本关于下横梁中间截面对称，立柱位移几乎为零，其中在下横梁两端和上横梁的位移较大，最大位移为0.857mm。

3.1.2应力结果

提取单元的等效应力云图后得到，立柱部位应力较小，在使用材料的屈服强度之内，结构处于安全状态。

由以上分析可知，理论分析与模拟结论相同，工作台结构强度足够。

3.2优化结果

通过以上分析发现，结构的斜支撑、立柱、槽鋼等处的应力都较小，有优化的必要。下面，以槽钢为主要对象，对每种槽钢，按比例关系计算出对应的立柱、斜支撑角钢的型号，然后进行计算。

表1 优化组合及其对应最大应力

槽钢

立柱（无缝钢管）

角钢（斜支撑）

最大等效应力

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

通过上表可得到优化结果为：槽钢选用E5，尺寸是高度50mm，腿宽37mm，腰厚4.5mm，立柱应选D38-2.0的无缝钢管，尺寸是直径38mm，壁厚2.0mm，斜支撑应选L30×3.0型号的等边角钢，尺寸是边宽30mm，边厚3mm。优化后的型号为槽钢E50×37×4.5，立柱D38×2.0，角钢L30×3.0。优化后，最大位移为2.001mm，立柱重量减轻89%，角钢重量减轻93%，槽钢重量减轻76%。

4.现场应用

自胜利油田开展不压井作业技术推广应用以来，无论是工序较为简单的带压检泵、检管作业还是工序复杂的压裂转抽等作业，工作台系统在现场已经成功应用了几千井次。

参考文献：

[1]樊奖平，张高峰，王学佳，等.带压作业装置现状与发展[J].石油矿场机械，2008，37（12）：11-15.

[2]李均强.带压作业在油气水井中的应用[J].石油化工应用，2010，29（4）：93-95.

作者简介：郝丽伟（1982—），女，工程师，目前在胜利油田采油工艺研究院从事研究工作。