茹瑞英

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

油田投入開發(fā)后， 隨著開采時(shí)間的增長， 油層本身能量將不斷地被消耗， 致使油層壓力不斷下降， 地下原油大量脫氣， 粘度增加， 油井產(chǎn)量大大減少， 甚至?xí)娡．a(chǎn)， 造成地下殘留大量死油采不出來。 為了彌補(bǔ)原油采出后所造成的地下虧空，保持或提高油層壓力， 實(shí)現(xiàn)油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)， 并獲得較高的采收率， 必須對油田進(jìn)行注水。

中東地區(qū)某油田注水項(xiàng)目， 注水規(guī)模大， 單井注水量大， 井口壓力較大， 注水井?dāng)?shù)量多且分散。注水水源采用處理后的采出水和深層地下水。 含油污水和地下水礦化度均很高， 達(dá)到200 000 mg／L 以上； 水溫高， 達(dá)到60 ～85 ℃。 且該地區(qū)地下水位較淺， 土壤對管道外腐蝕性影響較大。 經(jīng)過嚴(yán)格的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)對比， 該項(xiàng)目首次創(chuàng)新性采用了既耐高溫又耐高壓的玻璃鋼管， 即站外注水系統(tǒng)的注水干線和單井注水管線埋地管道采用了玻璃鋼管， 基于玻璃鋼管良好的耐腐蝕性能和電熱絕緣性能， 很好地解決了內(nèi)外防腐的問題， 且經(jīng)濟(jì)性較好。

1 項(xiàng)目概況

中東地區(qū)某油田地面建設(shè)有3 座中心處理站，各中心處理站分別建有含油污水處理系統(tǒng)以及注水罐和喂水泵。 中心處理站外建有5 座增壓注水泵站和配水閥組， 注水總規(guī)模最終將達(dá)到120 萬桶／d（注： 1 桶=0.159 m3）。 注水工藝流程為各中心處理站處理后的采出水流入注水罐， 通過喂水泵提升至注水干管， 然后分別輸送至5 座增壓注水泵站和注水閥組。 地層水作為注水的補(bǔ)充水源， 經(jīng)水源井電潛泵提升輸送至增壓注水泵站。 經(jīng)調(diào)節(jié)和計(jì)量后的水通過單井管線分散至各個(gè)注水井口后注入地層。 注水流程見圖1。 本項(xiàng)目注水系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力達(dá)60 萬桶／d， 管線總長約181 km， 其中4 MPa 的8″、12″及20″的管線總長45 km， 16 MPa 的6″管線長約106 km（注： 1″=2.54 cm）。 玻璃鋼管道埋深1.2 m，敷設(shè)沿線多為農(nóng)田、 荒地地貌， 部分為沼澤地帶，中間穿越油田內(nèi)道路及灌溉溝渠、 河流。

圖1 注水系統(tǒng)流程Fig. 1 Flow of water injection system

2 工藝設(shè)計(jì)

工藝設(shè)計(jì)主要包括設(shè)計(jì)參數(shù)及控制要求的確定［1］， 管道壁厚的初步計(jì)算［2］， 研究流體瞬變過程引起的管路壓力變化， 分析管路水錘壓力變化規(guī)律， 從而確定管路最大壓力及發(fā)生位置， 推薦防水錘措施， 確保管道系統(tǒng)的安全。

2.1 主要參考標(biāo)準(zhǔn)

項(xiàng)目在執(zhí)行過程中， 玻璃鋼管道的設(shè)計(jì)主要遵循以下標(biāo)準(zhǔn)： API 15LR—2001（第7 版）《低壓玻璃纖維管線管和管件》； API 15HR—2001（第3 版）《高壓玻璃纖維管線管規(guī)范》； ISO 14692—2 ∶2002（E）（2005 年版）《石油天然氣工業(yè)玻璃纖維增強(qiáng)塑料管 質(zhì)量與制造》； ISO 14692—3 ∶2002（E）（2005年版）《石油天然氣工業(yè)玻璃纖維增強(qiáng)塑料管 系統(tǒng)設(shè)計(jì)》； AWWA M45（第3 版）《玻璃纖維管設(shè)計(jì)》；AWWA C950—2007《玻璃纖維壓力管》。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

注水系統(tǒng)玻璃鋼管應(yīng)用的工況如下： 操作溫度為15 ～85 ℃； 設(shè)計(jì)溫度為100 ℃； 操作壓力為2.0 ～14.8 MPa（G）； 設(shè)計(jì)壓力為4″ 和16 MPa（G）；注水井?dāng)?shù)為61 口。

2.3 壁厚計(jì)算

式中： Pi為內(nèi)壓， MPa（G）； D 為管道內(nèi)徑，mm； tr為最小結(jié)構(gòu)壁厚， mm； t1為內(nèi)襯層厚度，mm； t2為表層厚度， mm； t 為最小總壁厚， mm；f2為設(shè)計(jì)系數(shù)， 取值0.67； f3為設(shè)計(jì)系 數(shù)， 取值0.85； S 為靜水壓設(shè)計(jì)應(yīng)力， MPa（G）； LTHS 為長期靜水壓力， MPa（G）； SS為0.975 倍的長期靜水壓力， MPa（G）。

玻璃鋼的實(shí)際壁厚是由供貨商根據(jù)設(shè)計(jì)壓力、管徑、 溫度、 荷載、 埋深等因素綜合考慮后確定，不同的供貨商同等工況下壁厚略有差異， 本項(xiàng)目管道壁厚參見表1。

表1 地下安裝玻璃管道壁厚Tab. 1 Wall thickness of underground GRE pipe installation

2.4 水力模擬分析

為保證注水系統(tǒng)各注水井流量和井口壓力滿足要求， 通常應(yīng)對注水系統(tǒng)進(jìn)行水力模擬分析， 包括穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)模擬分析， 模擬在啟泵、 停泵、 關(guān)閥等工況下管路是否發(fā)生水錘。 本項(xiàng)目采用PIPENET V1.9 軟件進(jìn)行水力模擬分析， 由分析結(jié)果可知，在穩(wěn)態(tài)工況下各注水井口的流量和壓力能滿足要求； 在瞬態(tài)工況之關(guān)閉注水泵吸水匯管切斷閥時(shí)，注水泵站入口注水干管會(huì)有超壓發(fā)生， 推薦設(shè)置水錘泄壓閥。

3 管道設(shè)計(jì)

管道專業(yè)設(shè)計(jì)主要包括管道路由的選擇、 勘察測量要求的提出、 穿越方式的設(shè)計(jì)、 線路水工保護(hù)設(shè)計(jì)、 連接方式的確認(rèn)、 應(yīng)力分析等。 玻璃鋼管道施工常用的連接方式［3-6］包括：

（1） 螺紋連接： 適用于低、 中、 高壓玻璃鋼材質(zhì)的管道之間或管道與管件之間的常規(guī)連接；

（2） 膠粘劑連接： 適用于低、 中、 高壓玻璃鋼材質(zhì)的管道之間或管道與管件之間的常規(guī)連接；

（3） 法蘭連接： 適用于低、 中、 高壓玻璃鋼管道與金屬管道或鋼質(zhì)閥門的連接；

（4） 轉(zhuǎn)換接頭連接： 適用于低、 中、 高壓玻璃鋼管道與金屬管道的連接；

（5） 橡膠密封圈鎖鍵連接： 適用于低壓玻璃鋼管道與同材質(zhì)管道或管件的連接。

3.1 連接方式

本項(xiàng)目結(jié)合工程的現(xiàn)場實(shí)際情況、 施工人員水平及玻璃鋼管廠商的建議， 采用了以下幾種連接方式。

（1） 螺紋加膠粘劑連接。 玻璃鋼管道與玻璃鋼管道、 玻璃鋼管道與玻璃鋼管件連接采用螺紋加膠粘劑連接， 如圖2 所示。

圖2 螺紋加膠粘劑連接Fig. 2 Thread with adhesive joint

（2） 螺紋加膠粘劑手糊抱纏連接。 中高壓玻璃鋼管道穿越段、 大角度彎頭處管道或管件連接宜采用螺紋加膠粘劑后外部再手糊抱纏［6］， 以降低泄漏風(fēng)險(xiǎn)， 如圖3 所示。

圖3 螺紋加膠粘劑手糊抱纏連接Fig. 3 Thread with adhesive joint and overlay

（3） 法蘭連接。 玻璃鋼管道與金屬管道或鋼質(zhì)閥門連接時(shí)采用法蘭連接， 圖4 所示為玻璃鋼管道與鋼質(zhì)閥門的連接示意。 由于玻璃鋼法蘭的厚度比標(biāo)準(zhǔn)金屬法蘭的厚度較厚， 注意螺栓、 螺母的長度選擇， 埋地管道連接處還要設(shè)置法蘭井， 以免螺栓、 螺母長時(shí)間埋地銹蝕。

圖4 法蘭連接Fig. 4 Flanged joint

（4） 轉(zhuǎn)換接頭連接。 玻璃鋼管道與金屬管道連接時(shí)采用轉(zhuǎn)換接頭［6］， 如圖5 所示。 本項(xiàng)目使用的轉(zhuǎn)換接頭為特制雙相鋼材質(zhì)， 一端與金屬管道焊接， 另一端與玻璃鋼管道螺紋加膠粘結(jié)， 使用效果較好。

圖5 轉(zhuǎn)換接頭連接Fig. 5 Adaptor joint

3.2 管道應(yīng)力分析

管道現(xiàn)場勘查測量、 路由布置及管道的縱斷面圖完成后， 管道工程師將對管道進(jìn)行應(yīng)力分析。 應(yīng)力分析計(jì)算采用CAESAR-Π 軟件搭建模型， 以管材、 介質(zhì)、 土壤等參數(shù)作為設(shè)計(jì)輸入， 分析在各種工況下由于內(nèi)部壓力、 系統(tǒng)溫度、 彎曲等綜合影響作用于注水管道系統(tǒng)的應(yīng)力、 位移、 力和力矩， 對管道的布置提出優(yōu)化建議， 如是否需要設(shè)置止推座以及止推座受力大小等。 本項(xiàng)目經(jīng)過管道應(yīng)力分析后， 建議在彎頭、 三通、 穿越處設(shè)置止推座， 并將止推座受力大小提供給土建專業(yè)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。

4 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

（1） 膠粘劑的固化時(shí)間。 膠粘劑變硬固化時(shí)間的長短取決于膠粘劑類型與環(huán)境溫度。 加熱可使固化時(shí)間縮短。 當(dāng)周圍溫度低于23 ℃時(shí)， 建議使用加熱帶或加熱包進(jìn)行固化， 以保證粘接質(zhì)量。

（2） 現(xiàn)場螺紋的安裝。 當(dāng)現(xiàn)場管道的安裝長度小于整根管道長度時(shí)， 需要在現(xiàn)場將管道切割成需要的長度， 用錐度磨削機(jī)把管子端部打磨成規(guī)定的錐度， 然后將供貨商提供的現(xiàn)場螺紋套在錐面上。施工時(shí)要注意現(xiàn)場螺紋的內(nèi)錐面應(yīng)與管端的錐面貼合而不過緊， 不可把現(xiàn)場螺紋強(qiáng)行套到錐面上。 管子的端面應(yīng)比現(xiàn)場螺紋的端面短6 mm 或與之平齊。 如果管子的端面超過現(xiàn)場螺紋端面， 應(yīng)將管子的端頭切短， 一般比現(xiàn)場螺紋端面最多短6 mm。然后再重新試裝， 檢查是否達(dá)到要求。

（3） 管道穿（跨）越。 管道布置沿線有河流、 溝渠、 道路等穿跨越， 穿越方式如下： 穿越大型河流采用定向鉆， 且穿越處管道材質(zhì)由玻璃鋼轉(zhuǎn)換成雙相不銹鋼； 穿越小溝渠和道路采用大開挖或預(yù)埋箱涵， 并設(shè)鋼套管［7］， 鋼套管應(yīng)設(shè)陰極保護(hù)。 建議箱涵或套管適當(dāng)考慮未來的預(yù)留， 以減少后期開挖工作量。

（4） 水泵出口管道連接。 為了減少水泵振動(dòng)可能給下游地下玻璃鋼管接頭處帶來的滲漏風(fēng)險(xiǎn)， 水泵出口金屬管線與地下玻璃鋼連接的第1 處彎頭宜采用金屬材質(zhì)， 本項(xiàng)目埋地第1 處彎頭采用了雙相鋼并外纏手糊玻璃鋼。

5 結(jié)語

玻璃鋼管道相比同類工況下應(yīng)用的雙相鋼管，具有重量輕、 耐腐蝕、 流體阻力小、 價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。 與此同時(shí)， 玻璃鋼管道對設(shè)計(jì)、 施工要求比鋼管要求高， 特別需注意設(shè)計(jì)與現(xiàn)場的結(jié)合， 加強(qiáng)施工環(huán)節(jié)管理， 從管溝夯實(shí)、 管道連接到水壓試驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)都要做好質(zhì)量控制， 以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的應(yīng)用效果。 本項(xiàng)目注水系統(tǒng)第一階段的玻璃鋼注水管道于2018 年初投產(chǎn)， 運(yùn)行情況良好。 目前處于擴(kuò)建期。 玻璃鋼管道在本項(xiàng)目注水系統(tǒng)的成功應(yīng)用可為類似項(xiàng)目提供參考借鑒。