深凍土層地區注水管道埋深技術經濟性研究

曲 虎，劉 靜，邵艷波，張迎芳，付瑩瑩，楊 志

(中國石油工程建設有限公司華北分公司，任丘 河北,062552)

油田目前運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方式，主要是為避免冬季在凍土層以上敷設時的管道介質凝結[1-3]。但對于北方的一些高寒地區，凍土層深度高達3 m以上，采用凍土層以下敷設時，由于土方量和施工作業帶寬度的增加，造成管線建設費用增加，同時也給管線更換和維搶修帶來了很大的困難[4-5]。

本文以25 MPa設計壓力的注水管道為研究對象，通過對不同規格、保溫厚度和埋深的管道建設費用進行對比，確定注水管道采用凍土層以上敷設和保溫建設方式的經濟可行性。

1 注水管道地上敷設技術可行性

以某高寒地區油田一條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 ℃，管線長度為3 km，分別計算注水管道在埋深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時的沿程溫降及停輸溫降至0 ℃的時間，采用PIPESIM流體模擬軟件進行計算，計算結果見圖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，但由于沒有保溫層，流體向土壤中散熱很快，流體溫降趨勢較大；保溫管道雖在地溫較低的凍土層以上敷設，但有保溫層相隔，流體散熱較慢，溫降趨勢較小[6]。

根據圖2所示，在保溫厚度10 mm以上時，停輸時間≥7 d，滿足一般生產中斷時的維搶修時間(維搶修時間根據造成停輸的原因而定，一般為1～3 d要求，因此，注水管道采用凍土層以上敷設+保溫的方式具有技術可行性[7]。

2 注水管道地上敷設經濟可行性

2.1 計算公式

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帶寬度計算分別見式(1)～式(4)[8-10]，考慮管溝一側的施工作業帶內車輛通行、管線堆放及焊接，管溝非土堆一側的作業帶應大于等于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——鋼管的結構外徑(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《石油天然氣建設工程施工質量驗收規范 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——管溝長度/m；

(4)作業帶寬度

LX=2BX+6

(4)

式中LX——埋深Xm管道的作業帶寬度/m；

BX——埋深Xm管道的溝面寬度/m；

2.2 計算結果

根據式(1)～式(4)計算的不同管徑的管道在不保溫、不同埋深時的土方和作業帶結果見表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帶計算結果見表2。

表1 不保溫管道不同埋深的土方和作業帶計算表

表2 保溫管道不同埋深的土方和作業帶計算表

2.3 結果分析

管道建設費用包括管材及施工費用和施工作業帶的臨賠費用，對注水壓力為25 MPa下D 60×7、D 89×10、D 114×14三種規格的注水管線進行費用分析，分析結果見表3～表5。

表3 D 60×7注水管線不同埋深和保溫厚度的建設費用估算表/萬元

由表4可以看出，對于D 89×10的注水管道，當凍土層>1.8 m時，不保溫管道的建設費用高于保溫30 mm的管道的建設費用；當凍土層>2.1 m時，不保溫管道的建設費用高于保溫40 mm的管道的建設費用；當凍土層>2.4 m時，不保溫管道的建設費用高于保溫60 mm的管道的建設費用；當凍土層>2.7 m時，不保溫管道的建設費用高于保溫80 mm的管道的建設費用。

表4 D 89×10注水管線不同埋深和保溫厚度的建設費用估算表/萬元

表5 D 114×14注水管線不同埋深和保溫厚度的建設費用估算表/萬元

由表3可以看出，管道建設費用隨著管道埋深和保溫厚度的增加而增大，設定保溫管道基礎埋深為1.5 m；對于D 60×7的注水管道，當凍土層>1.8 m時，不保溫管道的建設費用高于保溫30 mm的管道的建設費用；當凍土層>2.1 m時，不保溫管道的建設費用高于保溫40 mm的管道的建設費用；當凍土層>2.4 m時，不保溫管道的建設費用高于保溫60 mm的管道的建設費用；當凍土層>2.7 m時，不保溫管道的建設費用高于保溫80 mm的管道的建設費用。

圖4 不同管徑注水管線在不同保溫厚度時的費用比曲線

由圖4可以看出，同一種管徑的注水管道在埋深一定時，費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，費用占比隨著管徑的增大而減小，說明在埋深和保溫厚度一定時，管徑越大，保溫厚度對管道建設費用的影響越小。

3 結論

為了研究注水管道的埋深經濟性，文中對不同管徑規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用、土方費用、保溫費用、臨賠費用進行計算，從而得出不同條件下的管線可比投資。

通過研究可知，對于D 60～D 159之間的注水管道，當凍土層≤1.8 m時，推薦采用凍土層以下埋深和不保溫的建設方式，當凍土層>1.8 m時，推薦采用凍土層以上敷設和保溫的建設方式。