油田環(huán)保作業(yè)井口簡易平臺系統(tǒng)設(shè)計與分析

賈光政，薛汝冰，張寶忠，于海山，王志賢

(1.東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)(2.大慶油田有限責(zé)任公司第八采油廠，黑龍江 大慶 163514)

修井作業(yè)是石油開采和生產(chǎn)過程中最主要的工程之一，具有環(huán)境復(fù)雜、流動性大、裝備和設(shè)施類型多、易造成污染等特點[1]。研究設(shè)計環(huán)保作業(yè)井口簡易平臺系統(tǒng)，可以為安全、清潔、高效地進行修井作業(yè)提供設(shè)備條件[2]；能夠為井口操作人員提供一個安全穩(wěn)定的工作環(huán)境，減少使用者腳和腿的緊張感[3]，保障井口操作人員的心理和人身安全。井口簡易平臺系統(tǒng)包括井口簡易平臺、井口集油槽、油管刮油器、配套管線等。修井作業(yè)完畢后，簡易平臺拆卸方便，移運輕便，減輕了勞動強度，提高了效率[4]。井口簡易平臺主要功能是在修井作業(yè)時為油管、抽油桿從井中起出和下入井中的過程中進行上、卸扣操作提供支撐臺面；與其他井口作 業(yè)工具配套使用時，保證溢出井口的污油污水收集到井口集油槽中，不污染環(huán)境；能方便將油管或抽油桿放置在油管排架或抽油桿排架上。

1 平臺系統(tǒng)技術(shù)指標

簡易平臺平面尺寸：長2 000mm、寬1 700mm～ 2 100mm，可根據(jù)井口結(jié)構(gòu)進行平面尺寸調(diào)整，同時能夠滿足作業(yè)人員起下油管和抽油桿的空間需要。

承載：在修井作業(yè)時，需要2個操作人員在平臺上進行相關(guān)作業(yè)，同時還有相應(yīng)的配套工具擺放在平臺上，因此井口簡易平臺除需要承受自身重力外，還需要承受大約300kg的井口配套工具所產(chǎn)生的載荷。

調(diào)節(jié)要求：簡易平臺支腿高度必須可調(diào)，其可調(diào)節(jié)范圍為1～1 200mm，以滿足不同高度的井口裝置的作業(yè)需求。

安裝：保證平臺與井架的合理配置，根據(jù)井口結(jié)構(gòu)可適當(dāng)調(diào)整安裝方位，保障修井作業(yè)井場的布置和設(shè)備搬遷移運過程的方便性。簡易平臺必須輕便且可快速拆裝，縮短作業(yè)準備時間，保證修井作業(yè)高效進行。

2 平臺系統(tǒng)組成及安裝原理

環(huán)保作業(yè)井口簡易平臺系統(tǒng)主要包括井口簡易平臺、井口集油槽、油管刮油器、配套管線等，如圖1所示。井口簡易平臺上部安裝油管刮油器，起出油管過程中，用于對油管外壁和接箍進行刮油，防止井中污油帶出污染環(huán)境[5]；井口簡易平臺下部地面安置井口集油槽，主要收集從井中帶出的污油污水。

1—集油槽；2—簡易平臺；3—井口防噴器；4—油管刮油器；5—輸液管線；6—支撐框架；7—鋼格板；8—插銷；9—連接套；10—可調(diào)支腿

修井作業(yè)時，根據(jù)井口結(jié)構(gòu)合理擺放井口集油槽，將防滲布搭放在兩集油槽間，防止溢出井口的液體落到地面上。簡易平臺支撐框架在井口四周合適位置由兩個半框架經(jīng)過渡梁對稱安裝在井口集油槽上方，由插銷進行連接。可調(diào)支腿與連接套由插銷連接在一起，根據(jù)井口高度確定連接套在可調(diào)支腿的高度，然后將連接套的圓桿插入支撐框架的圓筒，由插銷固定。通過可調(diào)支腿的粗調(diào)和微調(diào)功能，調(diào)節(jié)支撐框架高度以適應(yīng)井口裝置，頂絲可將調(diào)整到位的支撐框架固定在井口裝置上。支撐框架上鋪設(shè)合適尺寸的鋼格板，由角鋼對其限位，保障簡易平臺臺面的穩(wěn)定和安全。完成了井口作業(yè)簡易平臺的安裝后，將油管刮油器安裝在井口上，進行油管起出作業(yè)。作業(yè)過程中從井中溢出的污油污水都能夠收集到簡易平臺下面的井口集油槽中，并被及時抽吸到儲存罐中。修井作業(yè)前，先對可調(diào)支腿進行裝配；當(dāng)完成井口作業(yè)后，在搬遷移運過程中，可調(diào)支腿可作為一個部件進行搬遷移運。

3 井口簡易平臺設(shè)計特點

井口簡易平臺由支撐框架、鋼格板、連接套、可調(diào)支腿、銷軸等組成，如圖1所示，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、拆裝方便、性能可靠、適應(yīng)性強等特點，符合小修作業(yè)移位比較頻繁的作業(yè)需求。

1)簡易平臺框架。

簡易平臺支撐框架由半框架、過渡梁、插銷、頂絲、限位角鋼等組成，采用插接結(jié)構(gòu)連接，如圖2所示。半框架由規(guī)格為40mm×30mm、厚度為2.5mm的矩形空心型鋼焊接而成，平臺支撐框架質(zhì)量為40kg左右。在井口四周合適位置將半框架的過渡梁通過插銷連接在一起，由頂絲固定在井口上。其中，可調(diào)節(jié)支撐框架通過插銷插入過渡梁上不同的銷孔調(diào)節(jié)支撐框架的寬度，從而改變井口簡易平臺平面尺寸，避開井口流程，具有較好的工作適應(yīng)性。

1—過渡梁；2—插銷；3—限位角鋼；4—半框架；5—頂絲

鋼格板鋪設(shè)在簡易平臺支撐框架上，形成了井口操作人員工作的支撐臺面。為了方便拆裝移運，臺面鋼格板分成多塊；根據(jù)支撐框架上焊接的角鋼位置確定每塊鋼格板的尺寸；由支撐框架上的角鋼塊對鋼格板進行限位，防止鋼格板發(fā)生相對移動。平臺支撐框架四周焊接有掛鉤，當(dāng)使用軟體集油槽時，可將軟體集油槽上口吊環(huán)掛在簡易平臺四周。

鋼格板具有較好的防滑性能，適用于積存污油污水的修井作業(yè)現(xiàn)場。常用簡易平臺平面尺寸為2 000mm×1 800mm，最大鋼格板尺寸為1 000mm×700mm，質(zhì)量為25kg左右，最小鋼格板尺寸為800mm×600mm，質(zhì)量為15kg左右。采用鋼格板作為簡易平臺支撐臺面，減少了使用者腳和腿的緊張感，防止作業(yè)工人意外滑落摔傷。作業(yè)完畢后，拆卸方便，移運輕便。

2)可調(diào)支腿。

可調(diào)支腿由底座、球頭壓蓋、梯形絲杠螺母副、插銷、連接套、限位角鋼和可調(diào)支撐框架等組成，如圖3所示，其質(zhì)量約5kg?？烧{(diào)支腿伸縮距離為1 200mm，通過改變連接套與可調(diào)節(jié)支腿上銷孔的配合位置，以及旋轉(zhuǎn)梯形絲杠副，來實現(xiàn)簡易平臺的升降?？烧{(diào)支腿具有粗調(diào)和微調(diào)兩個功能，粗調(diào)是通過連接套銷孔與支腿上不同位置的銷孔配合來實現(xiàn)高度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為1～1 000mm。其中，每個銷孔間距為100mm，垂直打通孔，有利于保證可調(diào)支腿的強度。微調(diào)是依靠梯形絲杠螺母副旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)簡易平臺高度的微小調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為1～200mm。

可調(diào)支腿底部采用球面副接頭底座，可以在不平地面、傾斜地面工作，具有較強的適應(yīng)性。

3)連接套。

連接套通過插銷將可調(diào)支腿、簡易平臺支撐臺面連接在一起，如圖3所示。連接套由粗、細兩個圓管垂直焊接在一起，并對其進行垂直打孔。在修井作業(yè)時，采用該連接方式，結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便，可實現(xiàn)簡易平臺快速高效的拆裝。

4 平臺支撐框架承載分析

井口簡易平臺是井口操作人員的主要基礎(chǔ)支撐，需要承受作業(yè)人員和其他設(shè)備工具的作用力，同時還要承受自身重力。通過對簡易平臺的工作情況分析可知，平臺支撐臺面的支撐框架是主要承載部件。為了保證簡易平臺安全穩(wěn)定可靠，采用有限元法對簡易平臺的主要承載結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析計算，校核其強度和剛度。

平臺支撐框架材料采用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，材料屬性和基本參數(shù)為：彈性模量E=2.1×105MPa，密度ρ=7 800kg/m3，泊松比μ=0.3，抗拉強度σb=375MPa，屈服強度σs=235MPa。銷軸材料采用45鋼，材料屬性和基本參數(shù)為：彈性模量E=2.1×105MPa，密度ρ=7 800kg/m3，泊松比μ=0.3，抗拉強度σb=600MPa，屈服強度σs=355MPa。

約束和邊界條件為：根據(jù)實際應(yīng)用情況，簡易平臺合理安裝在井口四周，通過頂絲固定在井口四周，可調(diào)支腿底座坐在井口四周地面上。因此，在支撐框架頂絲位置處施加固定約束，在可調(diào)支腿底部限制y方向自由度。

施加載荷：一般有2名操作人員在簡易平臺上使用配套的工具設(shè)備進行作業(yè)。操作人員在簡易平臺上自由移動，因此作業(yè)位置不固定，根據(jù)實際作業(yè)情況對作業(yè)工可能的移動情況進行規(guī)劃，如圖4所示。鋼格板總重130kg，因此在支撐框架上施加1 300N的均布載荷；每名作業(yè)工人的體重及其所使用的工具合計總重150kg，施加集中載荷；則在可能出現(xiàn)的加載位置進行有限元計算分析，得到應(yīng)力、位移分布情況；最大應(yīng)力、最大位移及安全系數(shù)見表1。

由表可知，簡易平臺最小安全系數(shù)為2.78，即兩名作業(yè)工人同時處于位置④⑤處時，最大Von-Mises應(yīng)力為84.465MPa，位于④⑤中間位置靠近井口處，最大位移為3.83mm，位于④⑤中間位置外邊緣處，如圖5、圖6所示。

圖4 可能的加載位置

序號加載位置最大應(yīng)力/MPa最大位移/mm安全系數(shù)1①②88.532.574.102①③81.921.644.333①④101.842.163.494①⑤83.971.804.235①⑥100.841.393.526②③102.002.583.487②④97.072.033.668②⑤99.922.003.559②⑥98.121.813.6210②⑦64.531.803.6411③④89.572.713.9612③⑤79.192.774.4813③⑥59.251.555.9914④⑤84.473.832.7815⑤⑨115.162.233.08

圖5 簡易平臺④⑤加載位置處應(yīng)力云圖

圖6 簡易平臺④⑤加載位置處位移云圖

進行修井作業(yè)時，兩名作業(yè)工人對平臺的加載位置不固定，經(jīng)過對各種可能加載位置進行有限元計算分析，得到簡易平臺的最小安全系數(shù)為2.78，滿足平臺強度、剛度設(shè)計要求。

5 現(xiàn)場試驗

環(huán)保作業(yè)簡易平臺系統(tǒng)于2016年8月25日開始進入現(xiàn)場，先后進行了5口井的修井作業(yè)現(xiàn)場試驗，如圖7所示?，F(xiàn)場試驗時，簡易平臺安裝在井口四周，根據(jù)修井作業(yè)需求調(diào)節(jié)簡易平臺高度，上部油管刮油器對油管進行刮油，下部井口集油槽收集的污油污水通過自吸泵及排液管線輸送至污油污水回收裝置，完成對井場污油污水的收集。試驗表明，此簡易平臺結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便、性能可靠，縮短了井口作業(yè)時間，為井口作業(yè)提供了穩(wěn)定的支撐。同時，下部井口集油槽有效地收集了被帶出井口的污油污水，改善了修井作業(yè)工人的作業(yè)環(huán)境，保護了井場生態(tài)環(huán)境。因此，設(shè)計的環(huán)保作業(yè)井口簡易平臺能夠滿足修井作業(yè)的實際作業(yè)環(huán)境條件。

圖7 環(huán)保作業(yè)井口平臺系統(tǒng)現(xiàn)場試驗圖

6 結(jié)束語

本文研制了油田修井環(huán)保作業(yè)井口簡易平臺，基于有限元方法，對井口簡易平臺進行承載性能的分析，保證簡易平臺的安全可靠性。環(huán)保作業(yè)簡易平臺系統(tǒng)不僅較好地解決了作業(yè)頻繁、拆裝作業(yè)設(shè)備周期長等修井作業(yè)問題，同時也較好地解決了溢出井口的污油污水落至地面、污染修井作業(yè)環(huán)境等環(huán)境保護問題。油田環(huán)保作業(yè)井口簡易平臺系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、操作方便、易于搬遷、工作適應(yīng)性強等優(yōu)點，保證了修井作業(yè)高效進行。

[1] 馬洪福. 新型環(huán)保修井作業(yè)配套裝置的研制及應(yīng)用[J]. 油氣井測試,2011(3):64-65.

[2] 高后正,陳文. 淺析江蘇油田井下作業(yè)清潔生產(chǎn)工藝技術(shù)[J]. 石油化工環(huán)境保護,2006(2):9-12.

[3] 蘇伏虎,王勇,楊建光,等.折疊便攜式井口操作平臺研發(fā)和應(yīng)用[J].石化技術(shù),2015(2):72.

[4] 許亮斌,陳國明. 簡易平臺技術(shù)的發(fā)展與展望[J]. 中國海上油氣工程,2001(2):1-5.

[5] 馬洪喜.淺談綠色修井技術(shù)的應(yīng)用與前景[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量,2012(6):52.