油田环保作业井口简易平台系统设计与分析

贾光政，薛汝冰，张宝忠，于海山，王志贤

(1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318)(2.大庆油田有限责任公司第八采油厂，黑龙江 大庆 163514)

修井作业是石油开采和生产过程中最主要的工程之一，具有环境复杂、流动性大、装备和设施类型多、易造成污染等特点[1]。研究设计环保作业井口简易平台系统，可以为安全、清洁、高效地进行修井作业提供设备条件[2]；能够为井口操作人员提供一个安全稳定的工作环境，减少使用者脚和腿的紧张感[3]，保障井口操作人员的心理和人身安全。井口简易平台系统包括井口简易平台、井口集油槽、油管刮油器、配套管线等。修井作业完毕后，简易平台拆卸方便，移运轻便，减轻了劳动强度，提高了效率[4]。井口简易平台主要功能是在修井作业时为油管、抽油杆从井中起出和下入井中的过程中进行上、卸扣操作提供支撑台面；与其他井口作 业工具配套使用时，保证溢出井口的污油污水收集到井口集油槽中，不污染环境；能方便将油管或抽油杆放置在油管排架或抽油杆排架上。

1 平台系统技术指标

简易平台平面尺寸：长2 000mm、宽1 700mm～ 2 100mm，可根据井口结构进行平面尺寸调整，同时能够满足作业人员起下油管和抽油杆的空间需要。

承载：在修井作业时，需要2个操作人员在平台上进行相关作业，同时还有相应的配套工具摆放在平台上，因此井口简易平台除需要承受自身重力外，还需要承受大约300kg的井口配套工具所产生的载荷。

调节要求：简易平台支腿高度必须可调，其可调节范围为1～1 200mm，以满足不同高度的井口装置的作业需求。

安装：保证平台与井架的合理配置，根据井口结构可适当调整安装方位，保障修井作业井场的布置和设备搬迁移运过程的方便性。简易平台必须轻便且可快速拆装，缩短作业准备时间，保证修井作业高效进行。

2 平台系统组成及安装原理

环保作业井口简易平台系统主要包括井口简易平台、井口集油槽、油管刮油器、配套管线等，如图1所示。井口简易平台上部安装油管刮油器，起出油管过程中，用于对油管外壁和接箍进行刮油，防止井中污油带出污染环境[5]；井口简易平台下部地面安置井口集油槽，主要收集从井中带出的污油污水。

1—集油槽；2—简易平台；3—井口防喷器；4—油管刮油器；5—输液管线；6—支撑框架；7—钢格板；8—插销；9—连接套；10—可调支腿

修井作业时，根据井口结构合理摆放井口集油槽，将防渗布搭放在两集油槽间，防止溢出井口的液体落到地面上。简易平台支撑框架在井口四周合适位置由两个半框架经过渡梁对称安装在井口集油槽上方，由插销进行连接。可调支腿与连接套由插销连接在一起，根据井口高度确定连接套在可调支腿的高度，然后将连接套的圆杆插入支撑框架的圆筒，由插销固定。通过可调支腿的粗调和微调功能，调节支撑框架高度以适应井口装置，顶丝可将调整到位的支撑框架固定在井口装置上。支撑框架上铺设合适尺寸的钢格板，由角钢对其限位，保障简易平台台面的稳定和安全。完成了井口作业简易平台的安装后，将油管刮油器安装在井口上，进行油管起出作业。作业过程中从井中溢出的污油污水都能够收集到简易平台下面的井口集油槽中，并被及时抽吸到储存罐中。修井作业前，先对可调支腿进行装配；当完成井口作业后，在搬迁移运过程中，可调支腿可作为一个部件进行搬迁移运。

3 井口简易平台设计特点

井口简易平台由支撑框架、钢格板、连接套、可调支腿、销轴等组成，如图1所示，具有结构简单、质量轻、拆装方便、性能可靠、适应性强等特点，符合小修作业移位比较频繁的作业需求。

1)简易平台框架。

简易平台支撑框架由半框架、过渡梁、插销、顶丝、限位角钢等组成，采用插接结构连接，如图2所示。半框架由规格为40mm×30mm、厚度为2.5mm的矩形空心型钢焊接而成，平台支撑框架质量为40kg左右。在井口四周合适位置将半框架的过渡梁通过插销连接在一起，由顶丝固定在井口上。其中，可调节支撑框架通过插销插入过渡梁上不同的销孔调节支撑框架的宽度，从而改变井口简易平台平面尺寸，避开井口流程，具有较好的工作适应性。

1—过渡梁；2—插销；3—限位角钢；4—半框架；5—顶丝

钢格板铺设在简易平台支撑框架上，形成了井口操作人员工作的支撑台面。为了方便拆装移运，台面钢格板分成多块；根据支撑框架上焊接的角钢位置确定每块钢格板的尺寸；由支撑框架上的角钢块对钢格板进行限位，防止钢格板发生相对移动。平台支撑框架四周焊接有挂钩，当使用软体集油槽时，可将软体集油槽上口吊环挂在简易平台四周。

钢格板具有较好的防滑性能，适用于积存污油污水的修井作业现场。常用简易平台平面尺寸为2 000mm×1 800mm，最大钢格板尺寸为1 000mm×700mm，质量为25kg左右，最小钢格板尺寸为800mm×600mm，质量为15kg左右。采用钢格板作为简易平台支撑台面，减少了使用者脚和腿的紧张感，防止作业工人意外滑落摔伤。作业完毕后，拆卸方便，移运轻便。

2)可调支腿。

可调支腿由底座、球头压盖、梯形丝杠螺母副、插销、连接套、限位角钢和可调支撑框架等组成，如图3所示，其质量约5kg。可调支腿伸缩距离为1 200mm，通过改变连接套与可调节支腿上销孔的配合位置，以及旋转梯形丝杠副，来实现简易平台的升降。可调支腿具有粗调和微调两个功能，粗调是通过连接套销孔与支腿上不同位置的销孔配合来实现高度调节，调节范围为1～1 000mm。其中，每个销孔间距为100mm，垂直打通孔，有利于保证可调支腿的强度。微调是依靠梯形丝杠螺母副旋转来实现简易平台高度的微小调节，调节范围为1～200mm。

可调支腿底部采用球面副接头底座，可以在不平地面、倾斜地面工作，具有较强的适应性。

3)连接套。

连接套通过插销将可调支腿、简易平台支撑台面连接在一起，如图3所示。连接套由粗、细两个圆管垂直焊接在一起，并对其进行垂直打孔。在修井作业时，采用该连接方式，结构简单、拆装方便，可实现简易平台快速高效的拆装。

4 平台支撑框架承载分析

井口简易平台是井口操作人员的主要基础支撑，需要承受作业人员和其他设备工具的作用力，同时还要承受自身重力。通过对简易平台的工作情况分析可知，平台支撑台面的支撑框架是主要承载部件。为了保证简易平台安全稳定可靠，采用有限元法对简易平台的主要承载结构进行结构静力学分析计算，校核其强度和刚度。

平台支撑框架材料采用Q235碳素结构钢，材料属性和基本参数为：弹性模量E=2.1×105MPa，密度ρ=7 800kg/m3，泊松比μ=0.3，抗拉强度σb=375MPa，屈服强度σs=235MPa。销轴材料采用45钢，材料属性和基本参数为：弹性模量E=2.1×105MPa，密度ρ=7 800kg/m3，泊松比μ=0.3，抗拉强度σb=600MPa，屈服强度σs=355MPa。

约束和边界条件为：根据实际应用情况，简易平台合理安装在井口四周，通过顶丝固定在井口四周，可调支腿底座坐在井口四周地面上。因此，在支撑框架顶丝位置处施加固定约束，在可调支腿底部限制y方向自由度。

施加载荷：一般有2名操作人员在简易平台上使用配套的工具设备进行作业。操作人员在简易平台上自由移动，因此作业位置不固定，根据实际作业情况对作业工可能的移动情况进行规划，如图4所示。钢格板总重130kg，因此在支撑框架上施加1 300N的均布载荷；每名作业工人的体重及其所使用的工具合计总重150kg，施加集中载荷；则在可能出现的加载位置进行有限元计算分析，得到应力、位移分布情况；最大应力、最大位移及安全系数见表1。

由表可知，简易平台最小安全系数为2.78，即两名作业工人同时处于位置④⑤处时，最大Von-Mises应力为84.465MPa，位于④⑤中间位置靠近井口处，最大位移为3.83mm，位于④⑤中间位置外边缘处，如图5、图6所示。

图4 可能的加载位置

序号加载位置最大应力/MPa最大位移/mm安全系数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

图5 简易平台④⑤加载位置处应力云图

图6 简易平台④⑤加载位置处位移云图

进行修井作业时，两名作业工人对平台的加载位置不固定，经过对各种可能加载位置进行有限元计算分析，得到简易平台的最小安全系数为2.78，满足平台强度、刚度设计要求。

5 现场试验

环保作业简易平台系统于2016年8月25日开始进入现场，先后进行了5口井的修井作业现场试验，如图7所示。现场试验时，简易平台安装在井口四周，根据修井作业需求调节简易平台高度，上部油管刮油器对油管进行刮油，下部井口集油槽收集的污油污水通过自吸泵及排液管线输送至污油污水回收装置，完成对井场污油污水的收集。试验表明，此简易平台结构简单、拆装方便、性能可靠，缩短了井口作业时间，为井口作业提供了稳定的支撑。同时，下部井口集油槽有效地收集了被带出井口的污油污水，改善了修井作业工人的作业环境，保护了井场生态环境。因此，设计的环保作业井口简易平台能够满足修井作业的实际作业环境条件。

图7 环保作业井口平台系统现场试验图

6 结束语

本文研制了油田修井环保作业井口简易平台，基于有限元方法，对井口简易平台进行承载性能的分析，保证简易平台的安全可靠性。环保作业简易平台系统不仅较好地解决了作业频繁、拆装作业设备周期长等修井作业问题，同时也较好地解决了溢出井口的污油污水落至地面、污染修井作业环境等环境保护问题。油田环保作业井口简易平台系统具有结构简单、成本低、操作方便、易于搬迁、工作适应性强等优点，保证了修井作业高效进行。

[1] 马洪福. 新型环保修井作业配套装置的研制及应用[J]. 油气井测试,2011(3):64-65.

[2] 高后正,陈文. 浅析江苏油田井下作业清洁生产工艺技术[J]. 石油化工环境保护,2006(2):9-12.

[3] 苏伏虎,王勇,杨建光,等.折叠便携式井口操作平台研发和应用[J].石化技术,2015(2):72.

[4] 许亮斌,陈国明. 简易平台技术的发展与展望[J]. 中国海上油气工程,2001(2):1-5.

[5] 马洪喜.浅谈绿色修井技术的应用与前景[J].中国石油和化工标准与质量,2012(6):52.