加拿大油砂井場(chǎng)地面設(shè)施模塊化技術(shù)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(guī)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(guó)海洋石油、中國(guó)石化和中國(guó)石油在加拿大的油砂可采儲(chǔ)量高達(dá)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(zhì)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(qū),人口稀少、環(huán)境惡劣、勞動(dòng)力匱乏、開發(fā)成本高成為困擾油砂工程開發(fā)的主要難題,加拿大最大的油砂企業(yè)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(qū)油(SAGD)技術(shù)是加拿大油砂工業(yè)最主要的開采技術(shù)[8-10],SAGD地面工程設(shè)施一般采用分布式布置,一個(gè)中心處理廠同時(shí)管轄多個(gè)井場(chǎng)。中心處理廠將井場(chǎng)輸送的乳濁液處理轉(zhuǎn)化為可銷售的重質(zhì)原油并通過管道輸送至終端,從乳濁液分離出的生產(chǎn)水將被處理并重新產(chǎn)生蒸汽輸送到井場(chǎng)注入到油藏。每個(gè)井場(chǎng)一般包括8～12對(duì)井,分別為生產(chǎn)井和蒸汽井,運(yùn)行4～5 a進(jìn)入衰退期,需要投入新的井場(chǎng)來維持中心處理廠的產(chǎn)能。

在當(dāng)前低油價(jià)背景下,不適于投資建設(shè)新中心處理廠,應(yīng)利用已有中心處理廠增加轄區(qū)新井場(chǎng)維持產(chǎn)能方面降本增效[10-13]。因此本文選取井場(chǎng)地面設(shè)施為研究對(duì)象,從如何利用中國(guó)制造角度,對(duì)油砂井場(chǎng)地面設(shè)施展開模塊化技術(shù)研究,幫助中國(guó)的石油公司在加拿大礦區(qū)維持產(chǎn)能,降低井場(chǎng)開發(fā)成本。

1 油砂井場(chǎng)地面設(shè)施組成及特點(diǎn)

1.1 工藝流程分析

SAGD技術(shù)是通過流體熱對(duì)流與熱傳導(dǎo)相結(jié)合,以蒸汽作為加熱介質(zhì),依靠原油的重力作用進(jìn)行開發(fā)的熱采技術(shù)[14-16]。

SAGD井場(chǎng)工藝流程見圖1。由圖1可見，每口生產(chǎn)井配套有1口蒸汽井,下方示意為生產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(chǎn)井,然后通過電潛泵對(duì)井下原油進(jìn)行增壓,在井場(chǎng)內(nèi)計(jì)量后經(jīng)生產(chǎn)管匯匯總外輸。

圖1 SAGD井場(chǎng)工藝流程圖Fig.1 Process flowchart of SAGD well

井場(chǎng)分為井口區(qū)和管匯區(qū),井口區(qū)主要為每對(duì)井進(jìn)行物料控制,管匯區(qū)為進(jìn)出井場(chǎng)物料控制。物料包括高壓蒸汽、覆蓋氣、生產(chǎn)乳濁液和生產(chǎn)氣,管匯包括高壓蒸汽分配管匯、覆蓋氣分配管匯、啟動(dòng)管匯、生產(chǎn)氣收集管匯和生產(chǎn)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(chǎng)的壓力體系差異取決于井場(chǎng)與中心處理廠的距離。經(jīng)調(diào)研，一般井場(chǎng)與中心處理廠距離控制在5 km范圍內(nèi),每個(gè)井場(chǎng)約8～12對(duì)井。井場(chǎng)工藝流程具有井對(duì)工藝相似、井場(chǎng)間工藝相似的特點(diǎn),從工藝角度上所有井場(chǎng)可根據(jù)總體布置情況進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)。

1.2 地面設(shè)施國(guó)產(chǎn)化可行性分析

井場(chǎng)地面設(shè)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(shè)備、結(jié)構(gòu)鋼材等。地面設(shè)施需要滿足項(xiàng)目所在地加拿大政府及標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)的相關(guān)要求,通過對(duì)法律、法規(guī)的解讀,調(diào)研中國(guó)廠商制造能力確定模塊國(guó)產(chǎn)化策略[17]，國(guó)產(chǎn)化可行性分析見表1[18-19]。

表1 國(guó)產(chǎn)化可行性分析表

井場(chǎng)地面設(shè)施各類物資經(jīng)國(guó)產(chǎn)化分析,確定除電儀類物資外，其余均具備中國(guó)生產(chǎn)實(shí)施條件。

1)管線:中國(guó)廠商具備生產(chǎn)ASME管線能力,可以實(shí)現(xiàn)中國(guó)生產(chǎn)。

2)工藝管閥件:中國(guó)廠商具備生產(chǎn)CRN注冊(cè)的工藝管閥件,可以實(shí)現(xiàn)中國(guó)生產(chǎn)。

3)控制儀表:國(guó)外品牌中國(guó)制造廠商部分產(chǎn)品具備CRN/CSA要求,經(jīng)過價(jià)格分析確定中國(guó)制造模塊所需品類采用進(jìn)口。

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

5)電儀散料:中國(guó)境內(nèi)可以采購(gòu)具備CSA要求的電儀散料,滿足中國(guó)模塊建造所需散料。

6)鋼結(jié)構(gòu):經(jīng)調(diào)研，中國(guó)國(guó)標(biāo)鋼材可以滿足加拿大鋼結(jié)構(gòu)要求,采用中國(guó)生產(chǎn)替代方案。

2 運(yùn)輸條件要求

運(yùn)輸限制尺寸需要考慮模塊運(yùn)輸路線的凈空、最小轉(zhuǎn)彎半徑、道路載荷強(qiáng)度三方面影響因素,通過對(duì)多條路線運(yùn)輸限制尺寸和費(fèi)用分析,選擇加拿大魯伯特王子港登陸最為經(jīng)濟(jì),該路線因穿越加拿大BC省境內(nèi)落基山脈尺寸受限,因此該尺寸為約束性條件。經(jīng)過路況勘察,確定井場(chǎng)模塊化設(shè)計(jì)運(yùn)輸邊界條件,見表2。

表2 井場(chǎng)模塊化設(shè)計(jì)運(yùn)輸邊界條件表

根據(jù)表2運(yùn)輸邊界條件的限制,可以采取小模塊從中國(guó)運(yùn)輸?shù)郊幽么驛B省埃德蒙頓,然后進(jìn)行二次組裝再運(yùn)輸至項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng),使麥克默里堡油砂現(xiàn)場(chǎng)工作量最小化。

3 小型標(biāo)準(zhǔn)模塊快速拼接技術(shù)

3.1 快速拼接技術(shù)原理

根據(jù)井場(chǎng)工藝流程分析,對(duì)井場(chǎng)區(qū)按照功能進(jìn)行物理單元切分,利用相似原理將單元提取為標(biāo)準(zhǔn)化模塊,系列化井場(chǎng)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)化井場(chǎng)模塊集合,kg;Wi為不同類型的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備及空氣壓縮機(jī)),W5為井口控制模塊)；p1為蒸汽壓力,kPa;p2為生產(chǎn)乳狀液輸送壓力,kPa;n1、n2分別為井場(chǎng)雙側(cè)井口模塊數(shù)量,個(gè);n3為管廊模塊數(shù)量，個(gè)；lj為模塊邊界尺寸(長(zhǎng)×寬×高)和重量限制條件(l1為中國(guó)制造,l2為本土制造),m和kg。

p1、p2、lj為約束條件,當(dāng)p1、p2、lj參數(shù)范圍確定,模塊n1和n2滿足限定條件,可確定某一標(biāo)準(zhǔn)化井場(chǎng)模塊集合Si。

3.2 快速拼接技術(shù)設(shè)計(jì)方案

3.2.1 常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)化井場(chǎng)限定條件

根據(jù)對(duì)常規(guī)井場(chǎng)工藝條件、運(yùn)輸條件、國(guó)產(chǎn)化條件要求確定常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)系列井場(chǎng)S1的限定適用條件:8≤井對(duì)數(shù)量≤12,即8

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)

依據(jù)限定條件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì),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(yùn)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(yùn)輸尺寸限制。

12對(duì)井3D標(biāo)準(zhǔn)化井場(chǎng)總體布置見圖2。包括兩側(cè)各6組井對(duì)模塊,中部及井對(duì)模塊上部為中間管廊模塊,2對(duì)模塊和1個(gè)管廊模塊構(gòu)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(duì)井和11對(duì)井在標(biāo)準(zhǔn)化井場(chǎng)基礎(chǔ)上分別調(diào)整井對(duì)模塊數(shù)和井口控制模塊數(shù)。

圖2 3D標(biāo)準(zhǔn)化井場(chǎng)總體布置圖Fig.2 3D drawing of standardized wellpad

模塊設(shè)計(jì)尺寸和重量信息見表3。其中管廊模塊和井口模塊在到達(dá)加拿大埃德蒙頓進(jìn)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(yùn)輸邊界要求。標(biāo)準(zhǔn)系列井場(chǎng)S1設(shè)計(jì)可滿足常規(guī)8～12對(duì)井規(guī)模井場(chǎng),可覆蓋目標(biāo)石油公司90%的井場(chǎng)開發(fā)業(yè)務(wù)。

表3 模塊信息表

3.2.3 模塊化實(shí)施要點(diǎn)

1)模塊內(nèi)的閥組、管道、托架進(jìn)行合理布置滿足操作、維修、維護(hù)需求。

2)為降低項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)模塊管道一般為DN500及以下,管道預(yù)制時(shí)尺寸偏差應(yīng)符合美國(guó)管道制造協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)PFI ES-3《預(yù)制管件精度公差》的要求,長(zhǎng)度尺寸偏差不允許累計(jì),其中DN250及以下管道長(zhǎng)度和直線性尺寸偏差不應(yīng)超過±3.2 mm,DN300～DN900管道不得超過±4.8 mm。

將每個(gè)模塊作為獨(dú)立單元,測(cè)量前首先選取模塊基準(zhǔn)點(diǎn),然后將模塊所有外接管口作為關(guān)鍵管口,每個(gè)關(guān)鍵管口的測(cè)量須基于基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量,偏差不能超過上述偏差要求。

試壓前根據(jù)施工場(chǎng)地空間允許情況盡可能進(jìn)行模塊試連接,進(jìn)一步保證項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的模塊組裝順利。

3.2.4 模塊內(nèi)部管道運(yùn)輸固定

根據(jù)應(yīng)力分析情況模塊內(nèi)有些管道是固定釋放的狀態(tài),在運(yùn)輸過程中要考慮其軸向、徑向和垂向固定,保證管道在運(yùn)輸過程中的安全。

為滿足運(yùn)輸要求,設(shè)計(jì)了壓板式固定裝置。該裝置將管道的管鞋與模塊底部結(jié)構(gòu)梁通過螺栓固定,限定軸向移動(dòng)、徑向移動(dòng)和上下移動(dòng)。

壓板式固定裝置結(jié)構(gòu)見圖3。軸向移動(dòng)擋塊、徑向移動(dòng)擋塊和垂向移動(dòng)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(shù)應(yīng)用

中國(guó)某海外油砂礦區(qū)新增3個(gè)井場(chǎng),分別為9對(duì)井、11對(duì)井和12對(duì)井,利用本文提出的快速拼接技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造,實(shí)現(xiàn)了一次設(shè)計(jì)多次使用的目標(biāo),產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化制造,模塊按照本文所提策略成功實(shí)施,部分井場(chǎng)相關(guān)模塊已達(dá)到機(jī)械完工狀態(tài),某井場(chǎng)機(jī)械完工現(xiàn)場(chǎng)情況見圖4。該項(xiàng)目的實(shí)施極大降低了現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量,現(xiàn)場(chǎng)工作量前移及中國(guó)制造成本優(yōu)勢(shì)為項(xiàng)目節(jié)省約25%的工程建設(shè)成本。

圖4 某井場(chǎng)機(jī)械完工照片F(xiàn)ig.4 Photo of wellpad machinery completion

5 結(jié)論

本文以SAGD油砂井場(chǎng)為研究對(duì)象,分析了井場(chǎng)內(nèi)裝置國(guó)產(chǎn)化的可行性,提出了小型單元化模塊快速拼接技術(shù)方法,滿足井場(chǎng)工藝要求和運(yùn)輸條件,給出了油砂井場(chǎng)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化地面工程具體實(shí)施方案,實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),可形成系列化、產(chǎn)品化制造,實(shí)現(xiàn)了中國(guó)的石油公司在加拿大油砂開采降本增效的目的,為中國(guó)制造走進(jìn)北美油砂市場(chǎng)提供有力的技術(shù)支持。