加拿大油砂井場地面設施模塊化技術研究

姚恒洋 高銘志 張 吉 王振伍 張若楠

海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451

0 前言

油砂或油砂瀝青是重要的非常規油氣資源之一。加拿大油砂資源總量為1 764～1 790億桶,占世界油砂資源總量的85%,中國海洋石油、中國石化和中國石油在加拿大的油砂可采儲量高達69.3億桶。加拿大油砂由石英砂、泥土、水、瀝青和少量的礦物質組成,其中瀝青占10%～15%[1-6]。加拿大油砂瀝青主要集中在阿爾伯塔省(Alberta)北部[6]。加拿大阿爾伯塔省北部高寒地區,人口稀少、環境惡劣、勞動力匱乏、開發成本高成為困擾油砂工程開發的主要難題,加拿大最大的油砂企業SU公司2016年油砂單桶成本仍維持在60加元/桶左右[7]。

蒸汽輔助重力驅油(SAGD)技術是加拿大油砂工業最主要的開采技術[8-10],SAGD地面工程設施一般采用分布式布置,一個中心處理廠同時管轄多個井場。中心處理廠將井場輸送的乳濁液處理轉化為可銷售的重質原油并通過管道輸送至終端,從乳濁液分離出的生產水將被處理并重新產生蒸汽輸送到井場注入到油藏。每個井場一般包括8～12對井,分別為生產井和蒸汽井,運行4～5 a進入衰退期,需要投入新的井場來維持中心處理廠的產能。

在當前低油價背景下,不適于投資建設新中心處理廠,應利用已有中心處理廠增加轄區新井場維持產能方面降本增效[10-13]。因此本文選取井場地面設施為研究對象,從如何利用中國制造角度,對油砂井場地面設施展開模塊化技術研究,幫助中國的石油公司在加拿大礦區維持產能,降低井場開發成本。

1 油砂井場地面設施組成及特點

1.1 工藝流程分析

SAGD技術是通過流體熱對流與熱傳導相結合,以蒸汽作為加熱介質,依靠原油的重力作用進行開發的熱采技術[14-16]。

SAGD井場工藝流程見圖1。由圖1可見，每口生產井配套有1口蒸汽井,下方示意為生產油井,上方示意為蒸汽井。在靠近油層底部打1口水平井作為生產井,在水平井上方打1口井作為注蒸汽井,來自中心處理廠的高壓蒸汽經過管匯分配蒸汽注入到蒸汽井的水平段,蒸汽依靠超覆作用向油層頂部上升,加熱油層中的原油,原油靠重力作用泄到下部的生產井,然后通過電潛泵對井下原油進行增壓,在井場內計量后經生產管匯匯總外輸。

圖1 SAGD井場工藝流程圖Fig.1 Process flowchart of SAGD well

井場分為井口區和管匯區,井口區主要為每對井進行物料控制,管匯區為進出井場物料控制。物料包括高壓蒸汽、覆蓋氣、生產乳濁液和生產氣,管匯包括高壓蒸汽分配管匯、覆蓋氣分配管匯、啟動管匯、生產氣收集管匯和生產乳狀液收集管匯。

從圖1還可知,壓力體系的建立主要依靠輸入的高壓蒸汽和輸出電潛泵,不同井場的壓力體系差異取決于井場與中心處理廠的距離。經調研，一般井場與中心處理廠距離控制在5 km范圍內,每個井場約8～12對井。井場工藝流程具有井對工藝相似、井場間工藝相似的特點,從工藝角度上所有井場可根據總體布置情況進行標準化和模塊化設計。

1.2 地面設施國產化可行性分析

井場地面設施主要包括管道、工藝閥門，以及控制儀表及配套的電氣儀表間設備、結構鋼材等。地面設施需要滿足項目所在地加拿大政府及標準協會的相關要求,通過對法律、法規的解讀,調研中國廠商制造能力確定模塊國產化策略[17]，國產化可行性分析見表1[18-19]。

表1 國產化可行性分析表

井場地面設施各類物資經國產化分析,確定除電儀類物資外，其余均具備中國生產實施條件。

1)管線:中國廠商具備生產ASME管線能力,可以實現中國生產。

2)工藝管閥件:中國廠商具備生產CRN注冊的工藝管閥件,可以實現中國生產。

3)控制儀表:國外品牌中國制造廠商部分產品具備CRN/CSA要求,經過價格分析確定中國制造模塊所需品類采用進口。

4)電儀控制間:大型電氣設備因受CSA限制及運輸邊界要求,整體采用加拿大模塊化建造。

5)電儀散料:中國境內可以采購具備CSA要求的電儀散料,滿足中國模塊建造所需散料。

6)鋼結構:經調研，中國國標鋼材可以滿足加拿大鋼結構要求,采用中國生產替代方案。

2 運輸條件要求

運輸限制尺寸需要考慮模塊運輸路線的凈空、最小轉彎半徑、道路載荷強度三方面影響因素,通過對多條路線運輸限制尺寸和費用分析,選擇加拿大魯伯特王子港登陸最為經濟,該路線因穿越加拿大BC省境內落基山脈尺寸受限,因此該尺寸為約束性條件。經過路況勘察,確定井場模塊化設計運輸邊界條件,見表2。

表2 井場模塊化設計運輸邊界條件表

根據表2運輸邊界條件的限制,可以采取小模塊從中國運輸到加拿大AB省埃德蒙頓,然后進行二次組裝再運輸至項目現場,使麥克默里堡油砂現場工作量最小化。

3 小型標準模塊快速拼接技術

3.1 快速拼接技術原理

根據井場工藝流程分析,對井場區按照功能進行物理單元切分,利用相似原理將單元提取為標準化模塊,系列化井場構建原理見式(1)。

Si(n1,n2,n3,p1,p2,lj)=(n1+n2)W1(p1,p2,l1)+

W2(p1,p2,l1)+

n3W3(p1,p2,l1)+

W4(p1,p2,l2)+

W5(p1,p2,l2)…

(1)

式中:Si為標準化井場模塊集合,kg;Wi為不同類型的標準化模塊(W1為井口模塊,W2為管匯模塊,W3為管廊模塊,W4為電氣模塊(布置電氣設備及空氣壓縮機),W5為井口控制模塊)；p1為蒸汽壓力,kPa;p2為生產乳狀液輸送壓力,kPa;n1、n2分別為井場雙側井口模塊數量,個;n3為管廊模塊數量，個；lj為模塊邊界尺寸(長×寬×高)和重量限制條件(l1為中國制造,l2為本土制造),m和kg。

p1、p2、lj為約束條件,當p1、p2、lj參數范圍確定,模塊n1和n2滿足限定條件,可確定某一標準化井場模塊集合Si。

3.2 快速拼接技術設計方案

3.2.1 常規標準化井場限定條件

根據對常規井場工藝條件、運輸條件、國產化條件要求確定常規標準系列井場S1的限定適用條件:8≤井對數量≤12,即8

3.2.2 標準化模塊設計

依據限定條件對標準化模塊井口模塊W1、管匯模塊W2、管廊模塊W3、電氣模塊W4、井口控制模塊W5進行標準化模塊設計,其中井口模塊W1、管匯模塊W2、管廊模塊W3需滿足加拿大BC省運輸邊界條件限制,電氣模塊W4、井口控制模塊W5需滿足加拿大AB省運輸尺寸限制。

12對井3D標準化井場總體布置見圖2。包括兩側各6組井對模塊,中部及井對模塊上部為中間管廊模塊,2對模塊和1個管廊模塊構成二次組裝模塊,其他分別為公用模塊、井口控制模塊、電氣模塊。9對井和11對井在標準化井場基礎上分別調整井對模塊數和井口控制模塊數。

圖2 3D標準化井場總體布置圖Fig.2 3D drawing of standardized wellpad

模塊設計尺寸和重量信息見表3。其中管廊模塊和井口模塊在到達加拿大埃德蒙頓進行二次組裝形成大模塊2W1W3-1,從表3可以看出各模塊滿足運輸邊界要求。標準系列井場S1設計可滿足常規8～12對井規模井場,可覆蓋目標石油公司90%的井場開發業務。

表3 模塊信息表

3.2.3 模塊化實施要點

1)模塊內的閥組、管道、托架進行合理布置滿足操作、維修、維護需求。

2)為降低項目現場的施工工作量,模塊間一般采用法蘭連接,并且模塊間無過渡連接段,因此需要施工建造方保證管口的定位精度[20]。

井場模塊管道一般為DN500及以下,管道預制時尺寸偏差應符合美國管道制造協會標準PFI ES-3《預制管件精度公差》的要求,長度尺寸偏差不允許累計,其中DN250及以下管道長度和直線性尺寸偏差不應超過±3.2 mm,DN300～DN900管道不得超過±4.8 mm。

將每個模塊作為獨立單元,測量前首先選取模塊基準點,然后將模塊所有外接管口作為關鍵管口,每個關鍵管口的測量須基于基準點的坐標進行測量,偏差不能超過上述偏差要求。

試壓前根據施工場地空間允許情況盡可能進行模塊試連接,進一步保證項目現場的模塊組裝順利。

3.2.4 模塊內部管道運輸固定

根據應力分析情況模塊內有些管道是固定釋放的狀態,在運輸過程中要考慮其軸向、徑向和垂向固定,保證管道在運輸過程中的安全。

為滿足運輸要求,設計了壓板式固定裝置。該裝置將管道的管鞋與模塊底部結構梁通過螺栓固定,限定軸向移動、徑向移動和上下移動。

壓板式固定裝置結構見圖3。軸向移動擋塊、徑向移動擋塊和垂向移動擋塊通過焊接拼接為固定裝置上部壓板。通過螺栓將上部壓板、中部墊板和底部壓板緊固在一起,限定了管鞋的六自由度,起到管道固定作用。

圖3 壓板式固定裝置Fig.3 Flate fixation device

4 技術應用

中國某海外油砂礦區新增3個井場,分別為9對井、11對井和12對井,利用本文提出的快速拼接技術進行設計、建造,實現了一次設計多次使用的目標,產品標準化制造,模塊按照本文所提策略成功實施,部分井場相關模塊已達到機械完工狀態,某井場機械完工現場情況見圖4。該項目的實施極大降低了現場安裝工作量,現場工作量前移及中國制造成本優勢為項目節省約25%的工程建設成本。

圖4 某井場機械完工照片Fig.4 Photo of wellpad machinery completion

5 結論

本文以SAGD油砂井場為研究對象,分析了井場內裝置國產化的可行性,提出了小型單元化模塊快速拼接技術方法,滿足井場工藝要求和運輸條件,給出了油砂井場模塊化、標準化地面工程具體實施方案,實現了標準化設計,可形成系列化、產品化制造,實現了中國的石油公司在加拿大油砂開采降本增效的目的,為中國制造走進北美油砂市場提供有力的技術支持。