加拿大油砂井场地面设施模块化技术研究

姚恒洋 高铭志 张 吉 王振伍 张若楠

海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451

0 前言

油砂或油砂沥青是重要的非常规油气资源之一。加拿大油砂资源总量为1 764～1 790亿桶,占世界油砂资源总量的85%,中国海洋石油、中国石化和中国石油在加拿大的油砂可采储量高达69.3亿桶。加拿大油砂由石英砂、泥土、水、沥青和少量的矿物质组成,其中沥青占10%～15%[1-6]。加拿大油砂沥青主要集中在阿尔伯塔省(Alberta)北部[6]。加拿大阿尔伯塔省北部高寒地区,人口稀少、环境恶劣、劳动力匮乏、开发成本高成为困扰油砂工程开发的主要难题,加拿大最大的油砂企业SU公司2016年油砂单桶成本仍维持在60加元/桶左右[7]。

蒸汽辅助重力驱油(SAGD)技术是加拿大油砂工业最主要的开采技术[8-10],SAGD地面工程设施一般采用分布式布置,一个中心处理厂同时管辖多个井场。中心处理厂将井场输送的乳浊液处理转化为可销售的重质原油并通过管道输送至终端,从乳浊液分离出的生产水将被处理并重新产生蒸汽输送到井场注入到油藏。每个井场一般包括8～12对井,分别为生产井和蒸汽井,运行4～5 a进入衰退期,需要投入新的井场来维持中心处理厂的产能。

在当前低油价背景下,不适于投资建设新中心处理厂,应利用已有中心处理厂增加辖区新井场维持产能方面降本增效[10-13]。因此本文选取井场地面设施为研究对象,从如何利用中国制造角度,对油砂井场地面设施展开模块化技术研究,帮助中国的石油公司在加拿大矿区维持产能,降低井场开发成本。

1 油砂井场地面设施组成及特点

1.1 工艺流程分析

SAGD技术是通过流体热对流与热传导相结合,以蒸汽作为加热介质,依靠原油的重力作用进行开发的热采技术[14-16]。

SAGD井场工艺流程见图1。由图1可见，每口生产井配套有1口蒸汽井,下方示意为生产油井,上方示意为蒸汽井。在靠近油层底部打1口水平井作为生产井,在水平井上方打1口井作为注蒸汽井,来自中心处理厂的高压蒸汽经过管汇分配蒸汽注入到蒸汽井的水平段,蒸汽依靠超覆作用向油层顶部上升,加热油层中的原油,原油靠重力作用泄到下部的生产井,然后通过电潜泵对井下原油进行增压,在井场内计量后经生产管汇汇总外输。

图1 SAGD井场工艺流程图Fig.1 Process flowchart of SAGD well

井场分为井口区和管汇区,井口区主要为每对井进行物料控制,管汇区为进出井场物料控制。物料包括高压蒸汽、覆盖气、生产乳浊液和生产气,管汇包括高压蒸汽分配管汇、覆盖气分配管汇、启动管汇、生产气收集管汇和生产乳状液收集管汇。

从图1还可知,压力体系的建立主要依靠输入的高压蒸汽和输出电潜泵,不同井场的压力体系差异取决于井场与中心处理厂的距离。经调研，一般井场与中心处理厂距离控制在5 km范围内,每个井场约8～12对井。井场工艺流程具有井对工艺相似、井场间工艺相似的特点,从工艺角度上所有井场可根据总体布置情况进行标准化和模块化设计。

1.2 地面设施国产化可行性分析

井场地面设施主要包括管道、工艺阀门，以及控制仪表及配套的电气仪表间设备、结构钢材等。地面设施需要满足项目所在地加拿大政府及标准协会的相关要求,通过对法律、法规的解读,调研中国厂商制造能力确定模块国产化策略[17]，国产化可行性分析见表1[18-19]。

表1 国产化可行性分析表

井场地面设施各类物资经国产化分析,确定除电仪类物资外，其余均具备中国生产实施条件。

1)管线:中国厂商具备生产ASME管线能力,可以实现中国生产。

2)工艺管阀件:中国厂商具备生产CRN注册的工艺管阀件,可以实现中国生产。

3)控制仪表:国外品牌中国制造厂商部分产品具备CRN/CSA要求,经过价格分析确定中国制造模块所需品类采用进口。

4)电仪控制间:大型电气设备因受CSA限制及运输边界要求,整体采用加拿大模块化建造。

5)电仪散料:中国境内可以采购具备CSA要求的电仪散料,满足中国模块建造所需散料。

6)钢结构:经调研，中国国标钢材可以满足加拿大钢结构要求,采用中国生产替代方案。

2 运输条件要求

运输限制尺寸需要考虑模块运输路线的净空、最小转弯半径、道路载荷强度三方面影响因素,通过对多条路线运输限制尺寸和费用分析,选择加拿大鲁伯特王子港登陆最为经济,该路线因穿越加拿大BC省境内落基山脉尺寸受限,因此该尺寸为约束性条件。经过路况勘察,确定井场模块化设计运输边界条件,见表2。

表2 井场模块化设计运输边界条件表

根据表2运输边界条件的限制,可以采取小模块从中国运输到加拿大AB省埃德蒙顿,然后进行二次组装再运输至项目现场,使麦克默里堡油砂现场工作量最小化。

3 小型标准模块快速拼接技术

3.1 快速拼接技术原理

根据井场工艺流程分析,对井场区按照功能进行物理单元切分,利用相似原理将单元提取为标准化模块,系列化井场构建原理见式(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为标准化井场模块集合,kg;Wi为不同类型的标准化模块(W1为井口模块,W2为管汇模块,W3为管廊模块,W4为电气模块(布置电气设备及空气压缩机),W5为井口控制模块)；p1为蒸汽压力,kPa;p2为生产乳状液输送压力,kPa;n1、n2分别为井场双侧井口模块数量,个;n3为管廊模块数量，个；lj为模块边界尺寸(长×宽×高)和重量限制条件(l1为中国制造,l2为本土制造),m和kg。

p1、p2、lj为约束条件,当p1、p2、lj参数范围确定,模块n1和n2满足限定条件,可确定某一标准化井场模块集合Si。

3.2 快速拼接技术设计方案

3.2.1 常规标准化井场限定条件

根据对常规井场工艺条件、运输条件、国产化条件要求确定常规标准系列井场S1的限定适用条件:8≤井对数量≤12,即8

3.2.2 标准化模块设计

依据限定条件对标准化模块井口模块W1、管汇模块W2、管廊模块W3、电气模块W4、井口控制模块W5进行标准化模块设计,其中井口模块W1、管汇模块W2、管廊模块W3需满足加拿大BC省运输边界条件限制,电气模块W4、井口控制模块W5需满足加拿大AB省运输尺寸限制。

12对井3D标准化井场总体布置见图2。包括两侧各6组井对模块,中部及井对模块上部为中间管廊模块,2对模块和1个管廊模块构成二次组装模块,其他分别为公用模块、井口控制模块、电气模块。9对井和11对井在标准化井场基础上分别调整井对模块数和井口控制模块数。

图2 3D标准化井场总体布置图Fig.2 3D drawing of standardized wellpad

模块设计尺寸和重量信息见表3。其中管廊模块和井口模块在到达加拿大埃德蒙顿进行二次组装形成大模块2W1W3-1,从表3可以看出各模块满足运输边界要求。标准系列井场S1设计可满足常规8～12对井规模井场,可覆盖目标石油公司90%的井场开发业务。

表3 模块信息表

3.2.3 模块化实施要点

1)模块内的阀组、管道、托架进行合理布置满足操作、维修、维护需求。

2)为降低项目现场的施工工作量,模块间一般采用法兰连接,并且模块间无过渡连接段,因此需要施工建造方保证管口的定位精度[20]。

井场模块管道一般为DN500及以下,管道预制时尺寸偏差应符合美国管道制造协会标准PFI ES-3《预制管件精度公差》的要求,长度尺寸偏差不允许累计,其中DN250及以下管道长度和直线性尺寸偏差不应超过±3.2 mm,DN300～DN900管道不得超过±4.8 mm。

将每个模块作为独立单元,测量前首先选取模块基准点,然后将模块所有外接管口作为关键管口,每个关键管口的测量须基于基准点的坐标进行测量,偏差不能超过上述偏差要求。

试压前根据施工场地空间允许情况尽可能进行模块试连接,进一步保证项目现场的模块组装顺利。

3.2.4 模块内部管道运输固定

根据应力分析情况模块内有些管道是固定释放的状态,在运输过程中要考虑其轴向、径向和垂向固定,保证管道在运输过程中的安全。

为满足运输要求,设计了压板式固定装置。该装置将管道的管鞋与模块底部结构梁通过螺栓固定,限定轴向移动、径向移动和上下移动。

压板式固定装置结构见图3。轴向移动挡块、径向移动挡块和垂向移动挡块通过焊接拼接为固定装置上部压板。通过螺栓将上部压板、中部垫板和底部压板紧固在一起,限定了管鞋的六自由度,起到管道固定作用。

图3 压板式固定装置Fig.3 Flate fixation device

4 技术应用

中国某海外油砂矿区新增3个井场,分别为9对井、11对井和12对井,利用本文提出的快速拼接技术进行设计、建造,实现了一次设计多次使用的目标,产品标准化制造,模块按照本文所提策略成功实施,部分井场相关模块已达到机械完工状态,某井场机械完工现场情况见图4。该项目的实施极大降低了现场安装工作量,现场工作量前移及中国制造成本优势为项目节省约25%的工程建设成本。

图4 某井场机械完工照片Fig.4 Photo of wellpad machinery completion

5 结论

本文以SAGD油砂井场为研究对象,分析了井场内装置国产化的可行性,提出了小型单元化模块快速拼接技术方法,满足井场工艺要求和运输条件,给出了油砂井场模块化、标准化地面工程具体实施方案,实现了标准化设计,可形成系列化、产品化制造,实现了中国的石油公司在加拿大油砂开采降本增效的目的,为中国制造走进北美油砂市场提供有力的技术支持。