升降式油管枕的研制與應(yīng)用

高 廣 啟

（中國石化勝利油田分公司采油工藝研究院，山東東營 257068）

升降式油管枕的研制與應(yīng)用

高 廣 啟

（中國石化勝利油田分公司采油工藝研究院，山東東營 257068）

針對(duì)修井作業(yè)現(xiàn)場修井工勞動(dòng)強(qiáng)度大、搬抬油管存在安全隱患的問題，研制了升降式油管枕。利用Hypermesh軟件對(duì)油管托架及門架進(jìn)行靜力學(xué)分析，剛度和強(qiáng)度滿足使用要求。該裝置通過液壓實(shí)現(xiàn)抬升、抽拉油管的動(dòng)作，可在0.1~1 m的高度范圍內(nèi)升降油管，最大載荷為800 kg?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，該裝置能用于現(xiàn)場實(shí)際操作，可取代場地工搬抬、抽拉油管，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

修井作業(yè)；油管枕；升降油管；抽拉油管；有限元分析

目前修井作業(yè)現(xiàn)場常用油管枕為固定式，其與管排有一定高度差，起下油管時(shí)為扣卸吊卡需場地工在管排和油管枕之間逐根搬抬油管，且井場中管排與井口皆存在一定距離，這就需要工人將油管抽拉至井口。因此，修井現(xiàn)場工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，且存在安全隱患［1-2］。為有效降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，促進(jìn)安全生產(chǎn)，研制了一種液壓驅(qū)動(dòng)的可機(jī)械抬升、推送油管的升降式油管枕裝置。

1 升降式油管枕

1.1 結(jié)構(gòu)

升降式油管枕由機(jī)架、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、油管托架及液壓系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)見圖1。機(jī)架起支撐作用，包括導(dǎo)軌及可伸縮式底座，可伸縮式底座既可保證油管枕在油管升降過程中不翻到，也可在運(yùn)輸時(shí)收縮，盡量減少占用體積。導(dǎo)軌背部的四個(gè)輪子使油管枕方便運(yùn)輸。油管托架主要起到承載油管一端，將其升降到一定高度的作用，采用懸臂梁機(jī)構(gòu)，安裝于滑架上，通過滑架在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下沿導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)。油管托架中的V型滾輪可沿油管排放方向輸送油管，以方便井口工摘掛吊卡。

1.2 工作原理

升降式油管枕通過現(xiàn)場的通井機(jī)的液壓站提供動(dòng)力，由液壓缸及液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，升降裝置的啟止與升降及油管推送裝置的啟止分別由手動(dòng)換向閥實(shí)現(xiàn)，裝置的運(yùn)動(dòng)速度由節(jié)流閥調(diào)節(jié)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將液壓缸的一倍行程提升為滑架的兩倍行程，使滑架沿導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)油管托架做升降運(yùn)動(dòng)。枕梁端部的限位檔板確保油管在升降過程中不滾落，油管托架中的V型滾輪在液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下滾動(dòng)，依靠摩擦力使油管產(chǎn)生縱向位移，達(dá)到向井口方向推送油管的目的。

圖1 升降式油管枕結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

（1）針對(duì)井口與管排存在一定距離，仍需人工抽拉油管的問題，設(shè)計(jì)了V型滾輪推送油管，進(jìn)一步減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）修井作業(yè)現(xiàn)場存在工期短的特點(diǎn)，要求現(xiàn)場裝置安裝方便。為此設(shè)計(jì)油管枕應(yīng)用通井機(jī)的液壓站提供動(dòng)力源，無需增設(shè)設(shè)備；門架背面小輪使油管枕實(shí)現(xiàn)放倒、推動(dòng)移動(dòng)，降低成本的同時(shí)，大大簡化油管枕的運(yùn)輸、安裝難度，更適應(yīng)于現(xiàn)場要求。

（3）升降式油管枕上的安全防護(hù)設(shè)計(jì)考慮到裝置防翻倒及油管滾落問題。裝置的底座設(shè)計(jì)為與油管排放方向垂直布置，并且采用可伸縮底座，能有效防止油管枕側(cè)翻及后翻。枕梁端部安置擋板能防止在升降式油管枕升降時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)造成油管滾落，確保油管枕的工作穩(wěn)定性。

1.4 技術(shù)指標(biāo)

油壓：＞7 MPa；

最大提升載荷：800 kg；

最大提升高度：1 m；

最小提升高度：0.1 m；

最大提升速度：0.48 m/s；

外形尺寸：1.4 m×0.65 m×1.4 m。

2 基于hypermesh的有限元分析

2.1 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)有限元分析

升降式油管枕中主要承重部件為油管托架和門架，因此主要應(yīng)用hypermesh軟件分別對(duì)油管托架及門架進(jìn)行靜應(yīng)力學(xué)分析。為了突出極限載荷的狀態(tài)，在hypermesh軟件中的加載采取最大載荷工況，即當(dāng)升降式油管枕抬升5根隔熱管時(shí)，油管托架所承受力最大（8 kN）及門架所受作用力最大（8 kN）。

因油管托架及門架均為薄板件，故采用殼單元來進(jìn)行靜應(yīng)力分析。將導(dǎo)入的油管托架模型進(jìn)行抽取中面。各件連接為焊接連接，建立模型時(shí)采用點(diǎn)焊cweld方式處理。為了保證有限元的計(jì)算精度和準(zhǔn)確度，劃分網(wǎng)格絕大多數(shù)采用六面體網(wǎng)格。

為了得到正確的響應(yīng)，分析時(shí)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)約束進(jìn)行簡化，在hypermesh中定義油管托架的上下掛鉤為全自由度約束。門架的底部為全自由度約束。根據(jù)施加的載荷進(jìn)行受力計(jì)算，在相應(yīng)位置施加力或壓力。具體施加的約束和載荷情況如圖2所示。

圖2 油管托架、門架的約束及載荷

2.2 結(jié)果分析

在hypermesh中進(jìn)行求解后，可通過變形圖、應(yīng)力分布圖等方式來顯示結(jié)果，圖3為經(jīng)過后處理操作得到裝置的關(guān)鍵部件的最大主應(yīng)力分布圖。

圖3 油管托架和門架的最大主應(yīng)力圖

從圖3可以看出，當(dāng)油管托架承受最大載荷時(shí)，其滾輪座與枕梁連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，其最大應(yīng)力達(dá)到302 MPa，在掛塊的掛鉤位置也出現(xiàn)部分應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值為201~235 MPa之間。枕梁材料的屈服強(qiáng)度為552 MPa，安全系數(shù)取1.5，則枕梁的許用應(yīng)力為359 MPa，故計(jì)算得到的最大應(yīng)力未超過許用應(yīng)力，則油管托架安全，結(jié)構(gòu)不易破壞。

門架的內(nèi)側(cè)的4個(gè)受力點(diǎn)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為161 MPa。另外在門架翼緣與上橫梁連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值為126 ~143 MPa。而門架材料的屈服強(qiáng)度為345 MPa，取安全因數(shù)為1.5，則材料的許用應(yīng)力為230 MPa，故門架的最大主應(yīng)力未超過許用應(yīng)力，可安全使用。

因油管托架和門架的變形對(duì)升降式油管枕的工作性能影響最大，故本文主要對(duì)油管托架及門架進(jìn)行剛度校核。

圖4為油管托架的位移云圖，從圖4中可以看出油管托架的頭部位移量最大：L=4.94 mm，變形量由油管托架的頭部向根部慢慢遞減。由于油管托架頭部的許用撓度為［fE］=l/50=14 mm，則油管托架滿足剛度條件。

圖4 油管托架結(jié)構(gòu)的變形圖

圖5為門架的位移云圖，可以看出門架頂端的位移變形量最大，越向下變形量越小，其中最大變形量出現(xiàn)在門架頂端前側(cè)位置：L=6.42 mm。由于門架頂端的許用撓度為［fE］=H/200=7 mm，則門架滿足剛度條件。但為了保證門架安全可用在門架頂端前部變形最大位置加一橫梁，提高門架的剛度。

圖5 門架結(jié)構(gòu)的總變形圖

3 現(xiàn)場應(yīng)用

在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，2014年一季度在勝利油田東辛采油廠的永42X34、永80-4、辛6X38井對(duì)設(shè)計(jì)的升降式油管枕進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。永42X34、永80-4、辛6X38的井口高度分別為1.1 m、1.4 m、1.2 m，試驗(yàn)中升降式油管枕起升高度能夠適用，完全取代場地工搬抬油管。管排距離井口的距離分別為2.1 m、3.2 m、2.5 m，升降式油管枕枕梁上的滾輪能平穩(wěn)的在管排與井口之間移送油管，不受管排與井口距離的影響，沒有出現(xiàn)滑移，很好地取代井口工抽拉油管。另外升降式油管枕的升降時(shí)間與起下油管的工序相匹配，沒有出現(xiàn)延誤現(xiàn)象。工作過程裝置平衡穩(wěn)定，沒有因?yàn)橛凸艿膫?cè)向力發(fā)生偏斜。

通過現(xiàn)場試驗(yàn)升降式油管枕成功將起出的全部油管運(yùn)送至管排高度，并在下油管時(shí)將油管輸送至井口，實(shí)現(xiàn)了管柱的安全穩(wěn)定移送，能夠很好地適用于現(xiàn)場的實(shí)際操作情況。

4 結(jié)論

（1）采用液壓缸舉及液壓馬達(dá)配合實(shí)現(xiàn)油管搬抬、推拉的動(dòng)作，舉升高度及承重均滿足修井現(xiàn)場使用要求，大大降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，一定程度上保障工人安全，具有操作方便、工作穩(wěn)定的特點(diǎn)。

（2）升降式油管枕現(xiàn)場應(yīng)用簡易，可直接利用通井機(jī)（修井機(jī)）的液壓源，搬運(yùn)方便，成本低，投入少，具有很好的推廣前景。

［1］張寶增， 王瑞和.修井作業(yè)用新型管柱起下裝置［J］.石油機(jī)械，2006 ，34 （10）：49 -51 .

［2］孫鵬．探究井下作業(yè)修井技術(shù)現(xiàn)狀及新工藝的優(yōu)化［J］.中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013（7）：163．

［3］冀嘗君.液壓舉升油管枕的研制與現(xiàn)場使用［J］.科技信息，2013（18）：377.

［4］張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，等.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［5］劉倫軍．基于HyperMesh的曲柄連桿線性靜力分析［J］.現(xiàn)代物業(yè)，2011（9）：64-65．

（修改稿收到日期 2014-10-16）

〔編輯 景 暖〕

Development and application of jack-up tubing stand

GAO Guangqi
（Research Institute of Oil Production Technology of Shengli Oilfield Company,SINOPEC,Dongying257068,China）

In view of large labor intensity of well pullers and safety hazards during tubing handling on workover job site, the jackup tubing stand was developed.The Hypermesh software was used to conduct statics analysis to tubing bracket and mast, whose rigidity and strength could meet the operating requirement.This device lifts and pulls tubing through hydraulic pressure, and can elevate tubing in a range of 0.1–1 m and its maximum load is 800 kg.The field application shows that this device can be used in actual operations and can replace the roustabouts to handle and pull the tubing, thus reducing the workers’ labor intensity.

workover job;tubing stand;lift tubing;pull tubing;finite element analysis

高廣啟.升降式油管枕的研制與應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2014，36（6）：122-124.

TE935

：B

1000–7393（2014） 06–0122– 03

10.13639/j.odpt.2014.06.030

中石化科技攻關(guān)項(xiàng)目“機(jī)械化高效修井作業(yè)裝置研制”（編號(hào)：312053）。

高廣啟，1967年生。1991年畢業(yè)于承德石油高等專科學(xué)校機(jī)械制造專業(yè)，現(xiàn)從事石油開采機(jī)械設(shè)備研究工作。電話：0546-8794632。