升降式油管枕的研制与应用

高 广 启

（中国石化胜利油田分公司采油工艺研究院，山东东营 257068）

升降式油管枕的研制与应用

高 广 启

（中国石化胜利油田分公司采油工艺研究院，山东东营 257068）

针对修井作业现场修井工劳动强度大、搬抬油管存在安全隐患的问题，研制了升降式油管枕。利用Hypermesh软件对油管托架及门架进行静力学分析，刚度和强度满足使用要求。该装置通过液压实现抬升、抽拉油管的动作，可在0.1~1 m的高度范围内升降油管，最大载荷为800 kg。现场应用表明，该装置能用于现场实际操作，可取代场地工搬抬、抽拉油管，降低了工人劳动强度。

修井作业；油管枕；升降油管；抽拉油管；有限元分析

目前修井作业现场常用油管枕为固定式，其与管排有一定高度差，起下油管时为扣卸吊卡需场地工在管排和油管枕之间逐根搬抬油管，且井场中管排与井口皆存在一定距离，这就需要工人将油管抽拉至井口。因此，修井现场工人劳动强度大，且存在安全隐患［1-2］。为有效降低工人劳动强度，促进安全生产，研制了一种液压驱动的可机械抬升、推送油管的升降式油管枕装置。

1 升降式油管枕

1.1 结构

升降式油管枕由机架、传动机构、油管托架及液压系统等组成，结构见图1。机架起支撑作用，包括导轨及可伸缩式底座，可伸缩式底座既可保证油管枕在油管升降过程中不翻到，也可在运输时收缩，尽量减少占用体积。导轨背部的四个轮子使油管枕方便运输。油管托架主要起到承载油管一端，将其升降到一定高度的作用，采用悬臂梁机构，安装于滑架上，通过滑架在传动机构的作用下沿导轨上下运动。油管托架中的V型滚轮可沿油管排放方向输送油管，以方便井口工摘挂吊卡。

1.2 工作原理

升降式油管枕通过现场的通井机的液压站提供动力，由液压缸及液压马达驱动，升降装置的启止与升降及油管推送装置的启止分别由手动换向阀实现，装置的运动速度由节流阀调节。传动机构将液压缸的一倍行程提升为滑架的两倍行程，使滑架沿导轨上下运动从而带动油管托架做升降运动。枕梁端部的限位档板确保油管在升降过程中不滚落，油管托架中的V型滚轮在液压马达的驱动下滚动，依靠摩擦力使油管产生纵向位移，达到向井口方向推送油管的目的。

图1 升降式油管枕结构示意图

1.3 技术特点

（1）针对井口与管排存在一定距离，仍需人工抽拉油管的问题，设计了V型滚轮推送油管，进一步减少了工人的劳动强度。

（2）修井作业现场存在工期短的特点，要求现场装置安装方便。为此设计油管枕应用通井机的液压站提供动力源，无需增设设备；门架背面小轮使油管枕实现放倒、推动移动，降低成本的同时，大大简化油管枕的运输、安装难度，更适应于现场要求。

（3）升降式油管枕上的安全防护设计考虑到装置防翻倒及油管滚落问题。装置的底座设计为与油管排放方向垂直布置，并且采用可伸缩底座，能有效防止油管枕侧翻及后翻。枕梁端部安置挡板能防止在升降式油管枕升降时产生的震动造成油管滚落，确保油管枕的工作稳定性。

1.4 技术指标

油压：＞7 MPa；

最大提升载荷：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 关键机构的静力学有限元分析

升降式油管枕中主要承重部件为油管托架和门架，因此主要应用hypermesh软件分别对油管托架及门架进行静应力学分析。为了突出极限载荷的状态，在hypermesh软件中的加载采取最大载荷工况，即当升降式油管枕抬升5根隔热管时，油管托架所承受力最大（8 kN）及门架所受作用力最大（8 kN）。

因油管托架及门架均为薄板件，故采用壳单元来进行静应力分析。将导入的油管托架模型进行抽取中面。各件连接为焊接连接，建立模型时采用点焊cweld方式处理。为了保证有限元的计算精度和准确度，划分网格绝大多数采用六面体网格。

为了得到正确的响应，分析时根据实际情况对约束进行简化，在hypermesh中定义油管托架的上下挂钩为全自由度约束。门架的底部为全自由度约束。根据施加的载荷进行受力计算，在相应位置施加力或压力。具体施加的约束和载荷情况如图2所示。

图2 油管托架、门架的约束及载荷

2.2 结果分析

在hypermesh中进行求解后，可通过变形图、应力分布图等方式来显示结果，图3为经过后处理操作得到装置的关键部件的最大主应力分布图。

图3 油管托架和门架的最大主应力图

从图3可以看出，当油管托架承受最大载荷时，其滚轮座与枕梁连接处出现应力集中现象，其最大应力达到302 MPa，在挂块的挂钩位置也出现部分应力集中现象，应力值为201~235 MPa之间。枕梁材料的屈服强度为552 MPa，安全系数取1.5，则枕梁的许用应力为359 MPa，故计算得到的最大应力未超过许用应力，则油管托架安全，结构不易破坏。

门架的内侧的4个受力点出现应力集中现象，最大应力为161 MPa。另外在门架翼缘与上横梁连接处出现应力集中现象，应力值为126 ~143 MPa。而门架材料的屈服强度为345 MPa，取安全因数为1.5，则材料的许用应力为230 MPa，故门架的最大主应力未超过许用应力，可安全使用。

因油管托架和门架的变形对升降式油管枕的工作性能影响最大，故本文主要对油管托架及门架进行刚度校核。

图4为油管托架的位移云图，从图4中可以看出油管托架的头部位移量最大：L=4.94 mm，变形量由油管托架的头部向根部慢慢递减。由于油管托架头部的许用挠度为［fE］=l/50=14 mm，则油管托架满足刚度条件。

图4 油管托架结构的变形图

图5为门架的位移云图，可以看出门架顶端的位移变形量最大，越向下变形量越小，其中最大变形量出现在门架顶端前侧位置：L=6.42 mm。由于门架顶端的许用挠度为［fE］=H/200=7 mm，则门架满足刚度条件。但为了保证门架安全可用在门架顶端前部变形最大位置加一横梁，提高门架的刚度。

图5 门架结构的总变形图

3 现场应用

在室内试验的基础之上，2014年一季度在胜利油田东辛采油厂的永42X34、永80-4、辛6X38井对设计的升降式油管枕进行了现场试验。永42X34、永80-4、辛6X38的井口高度分别为1.1 m、1.4 m、1.2 m，试验中升降式油管枕起升高度能够适用，完全取代场地工搬抬油管。管排距离井口的距离分别为2.1 m、3.2 m、2.5 m，升降式油管枕枕梁上的滚轮能平稳的在管排与井口之间移送油管，不受管排与井口距离的影响，没有出现滑移，很好地取代井口工抽拉油管。另外升降式油管枕的升降时间与起下油管的工序相匹配，没有出现延误现象。工作过程装置平衡稳定，没有因为油管的侧向力发生偏斜。

通过现场试验升降式油管枕成功将起出的全部油管运送至管排高度，并在下油管时将油管输送至井口，实现了管柱的安全稳定移送，能够很好地适用于现场的实际操作情况。

4 结论

（1）采用液压缸举及液压马达配合实现油管搬抬、推拉的动作，举升高度及承重均满足修井现场使用要求，大大降低工人劳动强度，一定程度上保障工人安全，具有操作方便、工作稳定的特点。

（2）升降式油管枕现场应用简易，可直接利用通井机（修井机）的液压源，搬运方便，成本低，投入少，具有很好的推广前景。

［1］张宝增， 王瑞和.修井作业用新型管柱起下装置［J］.石油机械，2006 ，34 （10）：49 -51 .

［2］孙鹏．探究井下作业修井技术现状及新工艺的优化［J］.中国石油和化工标准与质量，2013（7）：163．

［3］冀尝君.液压举升油管枕的研制与现场使用［J］.科技信息，2013（18）：377.

［4］张胜兰，郑冬黎，郝琪，等.基于HyperWorks的结构优化设计技术［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［5］刘伦军．基于HyperMesh的曲柄连杆线性静力分析［J］.现代物业，2011（9）：64-65．

（修改稿收到日期 2014-10-16）

〔编辑 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

高广启.升降式油管枕的研制与应用［J］.石油钻采工艺，2014，36（6）：122-124.

TE935

：B

1000–7393（2014） 06–0122– 03

10.13639/j.odpt.2014.06.030

中石化科技攻关项目“机械化高效修井作业装置研制”（编号：312053）。

高广启，1967年生。1991年毕业于承德石油高等专科学校机械制造专业，现从事石油开采机械设备研究工作。电话：0546-8794632。