莊岳昕,康 迪

中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計(jì)分公司,北京100085

某海外沙漠油田地處撒哈拉沙漠腹地，環(huán)境條件惡劣。油田一期工程已于2010年建成投產(chǎn)，二期工程已經(jīng)進(jìn)入實(shí)施階段。在沙漠油田集輸管道設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮沙漠油田特點(diǎn)，在保證集輸管道設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求和安全運(yùn)行前提下，降低工程投資，提高油田開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)效益。本文結(jié)合一期工程集輸管道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行探討。

1 管道路由確定

油田油氣集輸管道包括井口到站場(chǎng)油氣管道和站間油氣管道，按照輸送介質(zhì)，可分為油氣混輸管道、輸油管道和輸氣管道。在選擇集輸管道路由時(shí)，井口和站場(chǎng)位置都已經(jīng)確定，但需要注意以下三點(diǎn)。

（1）油田地處沙漠地帶，地形為波浪狀起伏的半固定沙丘，以細(xì)沙為主，局部低洼處變?yōu)榧?xì)粒土。對(duì)于起伏較大的沙丘，隨著風(fēng)沙運(yùn)移，地形極易發(fā)生變化，如果集輸管道從此穿過(guò)，會(huì)存在管道露出地面風(fēng)險(xiǎn)。另外，按照現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)沙丘的坡度大于7°，重載車很難開(kāi)到沙丘上，無(wú)法把鋼管運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)。對(duì)于油氣混輸管道，沿線地形起伏大，管道壓降增加。因此，在選擇集輸管道路由時(shí)應(yīng)避開(kāi)起伏較大的沙丘。

（2）該沙漠地帶嚴(yán)重缺水，管道路由選擇時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)居民區(qū)和水源區(qū)，植被中有駱駝刺草的區(qū)域應(yīng)盡量避開(kāi)，以免影響當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境及牧民的放牧。

（3）油氣集輸站場(chǎng)特別是大型站場(chǎng)（如集中處理站）周圍進(jìn)出站管道較多，在選擇站場(chǎng)周圍管道路由時(shí)，要考慮在站場(chǎng)附近200～300 m范圍內(nèi)建管廊帶，并對(duì)管廊帶進(jìn)行標(biāo)識(shí)，避免車輛隨意通過(guò)，保證管道安全運(yùn)行。

2 管道覆土層厚度確定

GB 50350—2015《油田油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]要求集輸管道最小覆土厚度應(yīng)符合GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]規(guī)定，但GB 50251—2015中沒(méi)有針對(duì)沙漠油田管道覆土層厚度作出規(guī)定，只針對(duì)旱地、水田和巖石類給出了規(guī)定，其覆土層厚度0.6～0.8 m。對(duì)于沙漠地區(qū)，沙丘的流動(dòng)性會(huì)造成地形不斷變化，如果管道埋深淺，當(dāng)砂子流動(dòng)時(shí)管道覆土厚度可能會(huì)變小，甚至露出地面；同時(shí)，沙漠上的行車也可能對(duì)管道安全運(yùn)行產(chǎn)生影響，因此，應(yīng)適當(dāng)增加集輸管道覆土層厚度。

考慮到該沙漠區(qū)域沒(méi)有道路，車輛隨意穿行，管道的埋深需考慮車輛通行時(shí)的垂直載荷影響。該沙漠交通運(yùn)輸限制最大設(shè)施質(zhì)量為45 t，按照API RP 1102規(guī)定[3]，車輪壓力取44.5 kN，每個(gè)車輪面積為0.093 m2，干沙的最大密度是1 720 kg/m3。以4、6、10 in（1in=25.4 mm）管道為例進(jìn)行計(jì)算，管道設(shè)計(jì)壓力4.5 MPa，最高運(yùn)行溫度75℃，在考慮車輛載荷時(shí)管道的應(yīng)力校核計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 管道應(yīng)力校核計(jì)算結(jié)果

從表1可以看出，管道覆土厚度1.1、1.2 m均能滿足車輛通行時(shí)的管道強(qiáng)度要求。一期工程所有管道均埋深1.2 m，目前油田管道已經(jīng)安全運(yùn)行12年。二期工程油氣集輸管道埋深繼續(xù)采用1.2 m，并且應(yīng)埋設(shè)在穩(wěn)定砂層下0.6 m。

3 埋地集輸管道防腐措施

油田地質(zhì)勘查資料顯示，沙漠油田地下水位在20～25 m，年降雨量12.2 mm，年蒸發(fā)量3 824 mm。因日照強(qiáng)烈且降水后滲入強(qiáng)，地表基本處于干燥狀態(tài)，遇降水后大部分地表立即干涸，表2為油田土壤含水?dāng)?shù)據(jù)。從表2可以看出，土壤含水率為0.1%～3.1%，平均為1.4%，含水率越低，土壤電阻率越大，腐蝕性越小。表3為油田土壤電阻率，在集輸管道埋深范圍內(nèi)土壤電阻率范圍為209～1 636.9 Ω·m，均值為392.6 Ω·m，腐蝕評(píng)價(jià)為輕微腐蝕。

表2 土壤含水?dāng)?shù)據(jù)

表3 油區(qū)平均土壤電阻率

針對(duì)管道的外部輕微腐蝕環(huán)境，設(shè)計(jì)中集輸管道采用3PE作為外防腐層或采用聚氨酯泡沫夾克保溫防腐，補(bǔ)口采用聚乙烯熱收縮帶。埋地單井管道、集輸支線不設(shè)陰極保護(hù)。集輸干線由于管道的重要性和服役年限長(zhǎng)，采用外加電流陰極保護(hù)，在干線兩端站場(chǎng)采用挖水池加降阻劑的措施，保證外加電流的保護(hù)效果。

油田伴生氣不含硫化氫，產(chǎn)出水含鹽量只有1 695.97 mg/L，二氧化碳含量3.2%，管道腐蝕以CO2腐蝕為主，其腐蝕速率為0.82 mm/a。目前一期工程已經(jīng)投產(chǎn)12年，并未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕狀況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)腐蝕掛片的腐蝕情況，得出實(shí)際腐蝕速率低于0.1 mm/a，因此，根據(jù)一期工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，管道腐蝕余量取2 mm。

4 集輸管道保溫方案確定

集輸管道是否保溫主要考慮環(huán)境溫度、管道長(zhǎng)度、原油凝固點(diǎn)、析蠟點(diǎn)、黏度、壓降和溫降等主要因素。

該油田為多區(qū)塊整裝油田，本工程開(kāi)發(fā)區(qū)塊共36個(gè)。集輸管道均為埋地管道，管道埋深處（1.2 m） 的最低環(huán)境溫度為24℃。單井管道長(zhǎng)度100～5 200 m，集輸支線長(zhǎng)度1 400～9 900 m，集輸干線長(zhǎng)度3 300～72 000 m。油田不同斷塊原油的傾點(diǎn)、析蠟點(diǎn)、凝固點(diǎn)和黏度相差較大。需要對(duì)各區(qū)塊進(jìn)行具體分析，進(jìn)而確定其集輸管道是否需要保溫。

對(duì)于原油凝固點(diǎn)和析蠟點(diǎn)都低于管道環(huán)境溫度的情況，管道運(yùn)行和停輸都不會(huì)出現(xiàn)凝管和結(jié)蠟現(xiàn)象，對(duì)于這類集輸管道，主要考慮管道壓降是否滿足要求。如果壓降滿足要求，就不需要保溫；如果管道壓降過(guò)大，則需要對(duì)管道考慮保溫措施。有時(shí)，在起點(diǎn)還需要設(shè)置原油加熱設(shè)施。

對(duì)于原油凝固點(diǎn)低于管道環(huán)境溫度、析蠟點(diǎn)高于管道環(huán)境溫度的情況，集輸管道是否需要保溫的判斷原則與上述相同。因?yàn)槲鱿烖c(diǎn)高于管道環(huán)境溫度，當(dāng)管道油溫低于析蠟點(diǎn)時(shí)，管道內(nèi)壁會(huì)結(jié)蠟。特別是當(dāng)原油溫度接近凝固點(diǎn)時(shí)，原油析蠟嚴(yán)重，原油黏度值增加較快。因此，對(duì)于凝固點(diǎn)略低于集輸管道環(huán)境溫度的原油，雖然管道不會(huì)因?yàn)橥］敹斐赡?，但也要控制管道末點(diǎn)溫度并確保其高于凝固點(diǎn)3～5℃。

對(duì)于原油凝固點(diǎn)和析蠟點(diǎn)都高于管道環(huán)境溫度的情況，油氣集輸管道需要保溫，管道末點(diǎn)溫度要高于凝固點(diǎn)3～5℃，從而保證管道熱力條件。

5 熱力計(jì)算中的總傳熱系數(shù)選擇

總傳熱系數(shù)是油氣集輸管道熱力計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)，涉及到集輸管道起末點(diǎn)溫度計(jì)算?？倐鳠嵯禂?shù)高，管道溫降快，原油黏度增大，管道壓降增加，不利于管道運(yùn)行[4-5]。對(duì)于沙漠油田埋地保溫和不保溫集輸管道，管道周圍沙土的導(dǎo)熱系數(shù)是管道總傳熱系數(shù)的關(guān)鍵影響因素，管道總傳熱系數(shù)隨著沙土導(dǎo)熱系數(shù)降低而減小。對(duì)于保溫管道，影響總傳熱系數(shù)的關(guān)鍵影響因素還包括保溫層厚度及其導(dǎo)熱系數(shù)。

管道所在埋深處沙土的導(dǎo)熱系數(shù)比較低，為0.433～0.619 W/（m·K），導(dǎo)致管道總傳熱系數(shù)也比較低。表4給出6種規(guī)格管道總傳熱系數(shù)的計(jì)算值和GB 50350—2015《油田油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》中稍濕土壤條件下的參考值[1]。

表4 幾種埋地集輸管道導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算值與參考值

從表4中可以看出，6種規(guī)格管道的總傳熱系數(shù)計(jì)算值均低于規(guī)范參考值。多數(shù)管道總傳熱系數(shù)的計(jì)算值是規(guī)范參考值的二分之一左右。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)收集該油田一條在役12in埋地不保溫集輸管道運(yùn)行參數(shù)，利用蘇霍夫溫降公式反算管道總傳熱系數(shù)為0.8 W/（m2·K），也低于規(guī)范參考值。規(guī)范給出的參考值對(duì)土壤含水影響只考慮稍濕、中等濕度、潮濕和水田及地下水四種工況，沒(méi)有考慮土壤的類型和組成。對(duì)于沙漠油田，規(guī)范推薦的參考值即使選擇稍濕土壤條件，其總傳熱系數(shù)都高于計(jì)算值和反算值，因此在沙漠油田設(shè)計(jì)中不建議直接使用規(guī)范參考值。在沙漠油田集輸管道熱力計(jì)算時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮采用類似集輸管道運(yùn)行數(shù)據(jù)反算的總傳熱系數(shù)。在沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)反算數(shù)據(jù)時(shí)，可以先利用權(quán)威軟件計(jì)算總傳熱系數(shù)，在計(jì)算時(shí)要注意管道周圍沙土導(dǎo)熱系數(shù)的選取，盡可能利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的沙土導(dǎo)熱系數(shù)，然后通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)因素分析，在計(jì)算總傳熱系數(shù)的基礎(chǔ)上考慮一定的富余量。

6 溶氣原油黏度和凝固點(diǎn)

在工程設(shè)計(jì)中，一般把常溫、常壓下脫氣原油黏度和凝固點(diǎn)作為設(shè)計(jì)輸入條件。但是，油氣集輸管道多為油氣混輸管道，原油和天然氣是互溶流體，在集輸管道運(yùn)行壓力和溫度條件下，天然氣中的重組分會(huì)溶于原油中，使工況下原油凝固點(diǎn)和黏度減小，這種原油被稱為溶氣原油[6]。原油黏度的下降對(duì)集輸管道熱力和水力計(jì)算有著直接的影響。

目前油氣集輸管道工藝計(jì)算軟件已經(jīng)考慮了溶氣原油黏度降低問(wèn)題。如果采用手工或自編程序計(jì)算溶氣原油的黏度，可以參考《油氣集輸》第四章第三節(jié)第八部分內(nèi)容計(jì)算[6]。以該油田S區(qū)塊油氣混輸管道為例，S區(qū)塊脫氣原油在操作溫度48℃時(shí)的黏度為48 mPa·s，通過(guò)計(jì)算，在操作壓力2.0 MPa、操作溫度48℃時(shí)，脫氣原油溶解度達(dá)到9.55 m3/m3，原油黏度降到44.3 mPa·s，黏度下降7.6%。由此可見(jiàn)，溶氣原油黏度降低問(wèn)題不能忽略，在油氣集輸管道設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮溶氣原油的黏度降低問(wèn)題，從而保證工藝計(jì)算的準(zhǔn)確性。

原油凝固點(diǎn)除了與原油含蠟量有關(guān)外，還與原油組分有關(guān)，輕烴組分含量增加，凝固點(diǎn)降低。溶氣原油在操作工況下溶入了一部分輕烴組分，因此溶氣原油凝固點(diǎn)低于脫氣原油凝固點(diǎn)。溶氣原油凝固點(diǎn)的計(jì)算目前還沒(méi)有公認(rèn)的計(jì)算方法，無(wú)法進(jìn)行定量分析。但是，在油氣集輸管道工藝設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮溶氣原油凝固點(diǎn)降低問(wèn)題，從而合理確定集輸管道末點(diǎn)溫度。在集輸管道工藝設(shè)計(jì)中，對(duì)于凝固點(diǎn)高于管道環(huán)境溫度的集輸管道，管道末點(diǎn)溫度通常考慮比脫氣原油凝固點(diǎn)高3～5℃?？紤]到溶氣原油凝固點(diǎn)低于脫氣原油凝固點(diǎn)這一現(xiàn)象，建議油氣混輸管道末點(diǎn)溫度高于脫氣原油凝固點(diǎn)3℃即可。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某海外沙漠油田的特點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)施中的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)油氣集輸管道設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了探討。在實(shí)際沙漠油田集輸管道設(shè)計(jì)中，要結(jié)合沙漠油田的實(shí)際情況確定油氣集輸管道的設(shè)計(jì)方案，從而滿足技術(shù)、工藝、經(jīng)濟(jì)和油田安全生產(chǎn)的需要。