深冻土层地区注水管道埋深技术经济性研究

曲 虎，刘 静，邵艳波，张迎芳，付莹莹，杨 志

(中国石油工程建设有限公司华北分公司，任丘 河北,062552)

油田目前运行的大部分注水管道采用冻土层以下埋深和不保温的建设方式，主要是为避免冬季在冻土层以上敷设时的管道介质凝结[1-3]。但对于北方的一些高寒地区，冻土层深度高达3 m以上，采用冻土层以下敷设时，由于土方量和施工作业带宽度的增加，造成管线建设费用增加，同时也给管线更换和维抢修带来了很大的困难[4-5]。

本文以25 MPa设计压力的注水管道为研究对象，通过对不同规格、保温厚度和埋深的管道建设费用进行对比，确定注水管道采用冻土层以上敷设和保温建设方式的经济可行性。

1 注水管道地上敷设技术可行性

以某高寒地区油田一条D 60×7注水管道为例，埋深3.0 m处地温为0 ℃，在埋深1.5 m处地温为-3.5 ℃，注水量为80 m3/d，出站温度为30 ℃，管线长度为3 km，分别计算注水管道在埋深3.0 m处不保温和埋深1.5 m处保温10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm时的沿程温降及停输温降至0 ℃的时间，采用PIPESIM流体模拟软件进行计算，计算结果见图1～图2。

图1 不同保温厚度和埋深条件下的管道温降曲线

图2 不同保温厚度条件下管道的停输时间曲线

由图1所示，不保温管道虽在地温较高的冻土层以下敷设，但由于没有保温层，流体向土壤中散热很快，流体温降趋势较大；保温管道虽在地温较低的冻土层以上敷设，但有保温层相隔，流体散热较慢，温降趋势较小[6]。

根据图2所示，在保温厚度10 mm以上时，停输时间≥7 d，满足一般生产中断时的维抢修时间(维抢修时间根据造成停输的原因而定，一般为1～3 d要求，因此，注水管道采用冻土层以上敷设+保温的方式具有技术可行性[7]。

2 注水管道地上敷设经济可行性

2.1 计算公式

线路管沟按人工开挖考虑，管沟开挖示意见图3。沟底宽度、沟面宽度、土方体积及施工作业带宽度计算分别见式(1)～式(4)[8-10]，考虑管沟一侧的施工作业带内车辆通行、管线堆放及焊接，管沟非土堆一侧的作业带应大于等于5 m。

图3 管沟开挖横截面示意图

(1)沟底宽度

b=D+K

(1)

式中B——沟底宽度/m；

D——钢管的结构外径(包括防腐、保温层的厚度)/m；

K——沟底加宽裕量/m，按照GB 50819-2013《油气田集输管道施工规范》中表5.2.6选取，本文中按照0.5 m考虑；

(2)沟面宽度

(2)

式中B——沟底宽度/m；

h——管沟深度/m；

tanθ——边坡比，边坡比按照SY 4204-2016《石油天然气建设工程施工质量验收规范 油气田集输管道工程》，本文中按照1∶0.67考虑；

(3)土方体积

(3)

式中V——管沟土方/m3；

L——管沟长度/m；

(4)作业带宽度

LX=2BX+6

(4)

式中LX——埋深Xm管道的作业带宽度/m；

BX——埋深Xm管道的沟面宽度/m；

2.2 计算结果

根据式(1)～式(4)计算的不同管径的管道在不保温、不同埋深时的土方和作业带结果见表1。D 60×7注水管道在不同埋深和保温厚度条件下的土方及作业带计算结果见表2。

表1 不保温管道不同埋深的土方和作业带计算表

表2 保温管道不同埋深的土方和作业带计算表

2.3 结果分析

管道建设费用包括管材及施工费用和施工作业带的临赔费用，对注水压力为25 MPa下D 60×7、D 89×10、D 114×14三种规格的注水管线进行费用分析，分析结果见表3～表5。

表3 D 60×7注水管线不同埋深和保温厚度的建设费用估算表/万元

由表4可以看出，对于D 89×10的注水管道，当冻土层>1.8 m时，不保温管道的建设费用高于保温30 mm的管道的建设费用；当冻土层>2.1 m时，不保温管道的建设费用高于保温40 mm的管道的建设费用；当冻土层>2.4 m时，不保温管道的建设费用高于保温60 mm的管道的建设费用；当冻土层>2.7 m时，不保温管道的建设费用高于保温80 mm的管道的建设费用。

表4 D 89×10注水管线不同埋深和保温厚度的建设费用估算表/万元

表5 D 114×14注水管线不同埋深和保温厚度的建设费用估算表/万元

由表3可以看出，管道建设费用随着管道埋深和保温厚度的增加而增大，设定保温管道基础埋深为1.5 m；对于D 60×7的注水管道，当冻土层>1.8 m时，不保温管道的建设费用高于保温30 mm的管道的建设费用；当冻土层>2.1 m时，不保温管道的建设费用高于保温40 mm的管道的建设费用；当冻土层>2.4 m时，不保温管道的建设费用高于保温60 mm的管道的建设费用；当冻土层>2.7 m时，不保温管道的建设费用高于保温80 mm的管道的建设费用。

图4 不同管径注水管线在不同保温厚度时的费用比曲线

由图4可以看出，同一种管径的注水管道在埋深一定时，费用占比随着保温厚度的增加而增大；在埋深和保温厚度一定时，费用占比随着管径的增大而减小，说明在埋深和保温厚度一定时，管径越大，保温厚度对管道建设费用的影响越小。

3 结论

为了研究注水管道的埋深经济性，文中对不同管径规格的注水管道在不同埋深、不同保温厚度条件下的管线安装费用、土方费用、保温费用、临赔费用进行计算，从而得出不同条件下的管线可比投资。

通过研究可知，对于D 60～D 159之间的注水管道，当冻土层≤1.8 m时，推荐采用冻土层以下埋深和不保温的建设方式，当冻土层>1.8 m时，推荐采用冻土层以上敷设和保温的建设方式。