深凍土層地區(qū)注水管道埋深技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究

曲 虎，劉 靜，邵艷波，張迎芳，付瑩瑩，楊 志

(中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司華北分公司，任丘 河北,062552)

油田目前運(yùn)行的大部分注水管道采用凍土層以下埋深和不保溫的建設(shè)方式，主要是為避免冬季在凍土層以上敷設(shè)時(shí)的管道介質(zhì)凝結(jié)[1-3]。但對(duì)于北方的一些高寒地區(qū)，凍土層深度高達(dá)3 m以上，采用凍土層以下敷設(shè)時(shí)，由于土方量和施工作業(yè)帶寬度的增加，造成管線建設(shè)費(fèi)用增加，同時(shí)也給管線更換和維搶修帶來(lái)了很大的困難[4-5]。

本文以25 MPa設(shè)計(jì)壓力的注水管道為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)不同規(guī)格、保溫厚度和埋深的管道建設(shè)費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比，確定注水管道采用凍土層以上敷設(shè)和保溫建設(shè)方式的經(jīng)濟(jì)可行性。

1 注水管道地上敷設(shè)技術(shù)可行性

以某高寒地區(qū)油田一條D 60×7注水管道為例，埋深3.0 m處地溫為0 ℃，在埋深1.5 m處地溫為-3.5 ℃，注水量為80 m3/d，出站溫度為30 ℃，管線長(zhǎng)度為3 km，分別計(jì)算注水管道在埋深3.0 m處不保溫和埋深1.5 m處保溫10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm時(shí)的沿程溫降及停輸溫降至0 ℃的時(shí)間，采用PIPESIM流體模擬軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖1～圖2。

圖1 不同保溫厚度和埋深條件下的管道溫降曲線

圖2 不同保溫厚度條件下管道的停輸時(shí)間曲線

由圖1所示，不保溫管道雖在地溫較高的凍土層以下敷設(shè)，但由于沒有保溫層，流體向土壤中散熱很快，流體溫降趨勢(shì)較大；保溫管道雖在地溫較低的凍土層以上敷設(shè)，但有保溫層相隔，流體散熱較慢，溫降趨勢(shì)較小[6]。

根據(jù)圖2所示，在保溫厚度10 mm以上時(shí)，停輸時(shí)間≥7 d，滿足一般生產(chǎn)中斷時(shí)的維搶修時(shí)間(維搶修時(shí)間根據(jù)造成停輸?shù)脑蚨?，一般?～3 d要求，因此，注水管道采用凍土層以上敷設(shè)+保溫的方式具有技術(shù)可行性[7]。

2 注水管道地上敷設(shè)經(jīng)濟(jì)可行性

2.1 計(jì)算公式

線路管溝按人工開挖考慮，管溝開挖示意見圖3。溝底寬度、溝面寬度、土方體積及施工作業(yè)帶寬度計(jì)算分別見式(1)～式(4)[8-10]，考慮管溝一側(cè)的施工作業(yè)帶內(nèi)車輛通行、管線堆放及焊接，管溝非土堆一側(cè)的作業(yè)帶應(yīng)大于等于5 m。

圖3 管溝開挖橫截面示意圖

(1)溝底寬度

b=D+K

(1)

式中B——溝底寬度/m；

D——鋼管的結(jié)構(gòu)外徑(包括防腐、保溫層的厚度)/m；

K——溝底加寬裕量/m，按照GB 50819-2013《油氣田集輸管道施工規(guī)范》中表5.2.6選取，本文中按照0.5 m考慮；

(2)溝面寬度

(2)

式中B——溝底寬度/m；

h——管溝深度/m；

tanθ——邊坡比，邊坡比按照SY 4204-2016《石油天然氣建設(shè)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范 油氣田集輸管道工程》，本文中按照1∶0.67考慮；

(3)土方體積

(3)

式中V——管溝土方/m3；

L——管溝長(zhǎng)度/m；

(4)作業(yè)帶寬度

LX=2BX+6

(4)

式中LX——埋深Xm管道的作業(yè)帶寬度/m；

BX——埋深Xm管道的溝面寬度/m；

2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)式(1)～式(4)計(jì)算的不同管徑的管道在不保溫、不同埋深時(shí)的土方和作業(yè)帶結(jié)果見表1。D 60×7注水管道在不同埋深和保溫厚度條件下的土方及作業(yè)帶計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 不保溫管道不同埋深的土方和作業(yè)帶計(jì)算表

表2 保溫管道不同埋深的土方和作業(yè)帶計(jì)算表

2.3 結(jié)果分析

管道建設(shè)費(fèi)用包括管材及施工費(fèi)用和施工作業(yè)帶的臨賠費(fèi)用，對(duì)注水壓力為25 MPa下D 60×7、D 89×10、D 114×14三種規(guī)格的注水管線進(jìn)行費(fèi)用分析，分析結(jié)果見表3～表5。

表3 D 60×7注水管線不同埋深和保溫厚度的建設(shè)費(fèi)用估算表/萬(wàn)元

由表4可以看出，對(duì)于D 89×10的注水管道，當(dāng)凍土層>1.8 m時(shí)，不保溫管道的建設(shè)費(fèi)用高于保溫30 mm的管道的建設(shè)費(fèi)用；當(dāng)凍土層>2.1 m時(shí)，不保溫管道的建設(shè)費(fèi)用高于保溫40 mm的管道的建設(shè)費(fèi)用；當(dāng)凍土層>2.4 m時(shí)，不保溫管道的建設(shè)費(fèi)用高于保溫60 mm的管道的建設(shè)費(fèi)用；當(dāng)凍土層>2.7 m時(shí)，不保溫管道的建設(shè)費(fèi)用高于保溫80 mm的管道的建設(shè)費(fèi)用。

表4 D 89×10注水管線不同埋深和保溫厚度的建設(shè)費(fèi)用估算表/萬(wàn)元

表5 D 114×14注水管線不同埋深和保溫厚度的建設(shè)費(fèi)用估算表/萬(wàn)元

由表3可以看出，管道建設(shè)費(fèi)用隨著管道埋深和保溫厚度的增加而增大，設(shè)定保溫管道基礎(chǔ)埋深為1.5 m；對(duì)于D 60×7的注水管道，當(dāng)凍土層>1.8 m時(shí)，不保溫管道的建設(shè)費(fèi)用高于保溫30 mm的管道的建設(shè)費(fèi)用；當(dāng)凍土層>2.1 m時(shí)，不保溫管道的建設(shè)費(fèi)用高于保溫40 mm的管道的建設(shè)費(fèi)用；當(dāng)凍土層>2.4 m時(shí)，不保溫管道的建設(shè)費(fèi)用高于保溫60 mm的管道的建設(shè)費(fèi)用；當(dāng)凍土層>2.7 m時(shí)，不保溫管道的建設(shè)費(fèi)用高于保溫80 mm的管道的建設(shè)費(fèi)用。

圖4 不同管徑注水管線在不同保溫厚度時(shí)的費(fèi)用比曲線

由圖4可以看出，同一種管徑的注水管道在埋深一定時(shí)，費(fèi)用占比隨著保溫厚度的增加而增大；在埋深和保溫厚度一定時(shí)，費(fèi)用占比隨著管徑的增大而減小，說(shuō)明在埋深和保溫厚度一定時(shí)，管徑越大，保溫厚度對(duì)管道建設(shè)費(fèi)用的影響越小。

3 結(jié)論

為了研究注水管道的埋深經(jīng)濟(jì)性，文中對(duì)不同管徑規(guī)格的注水管道在不同埋深、不同保溫厚度條件下的管線安裝費(fèi)用、土方費(fèi)用、保溫費(fèi)用、臨賠費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算，從而得出不同條件下的管線可比投資。

通過(guò)研究可知，對(duì)于D 60～D 159之間的注水管道，當(dāng)凍土層≤1.8 m時(shí)，推薦采用凍土層以下埋深和不保溫的建設(shè)方式，當(dāng)凍土層>1.8 m時(shí)，推薦采用凍土層以上敷設(shè)和保溫的建設(shè)方式。