伊拉克哈法亚油田全流程密闭工艺应用研究

张国栋 周靖伟 李阳 潘永强

1中国石油工程建设有限公司北京设计分公司

2中国石油招标中心新疆分中心

3克拉玛依市富城能源集团有限公司

伊拉克哈法亚油田位于伊拉克米桑省，巴士拉市以北180 km，首都巴格达西南400 km，油田合同区域面积达288 km2。油田地质储量160×108bbl，可采储量约60×108bbl，是伊拉克七大巨型油田之一。2009 年12 月，中国石油以作业者身份，携手法国道达尔公司和马来西亚石油公司组成联合作业体，与伊拉克政府签署了为期20 年的《哈法亚油田开发生产服务合同》，为中国石油建设中东油气合作区奠定了坚实的资源基础。哈法亚项目一期5×106t/a 地面产能建设工程在2012 年6 月顺利投产[1]，被伊拉克政府认定为速度最快、执行最好的项目。之后在短短的6 年时间内，相继投产二期10×106t/a 地面产能工程和三期20×106t/a 的地面产能工程，项目建设投资高达170亿美元，其中地面工程投资约90 亿美元。三期工程一次性建成10×106t/a 重油集中处理站，规模之大国内外罕见，被伊拉克政府誉为“Perfect”（完美）工程[2]。

哈法亚油田油气物性条件恶劣，属重质、高硫高、盐油田，原油API度为19～22 ℃，原油中总硫含量高达4.64%（质量分数），伴生气中H2S含量约0.56%（摩尔分数），CO2含量3.84%（摩尔分数），采出水总矿化度高达21×104mg/L，其中Cl-浓度16×104mg/L。开发合同要求外输原油处理指标苛刻，处理合格原油含盐浓度≤28.5 mg/L，含水率0.2%～0.4%，雷特蒸气压≤69 kPa，H2S 浓度≤50 mg/L。恶劣的油气物性及苛刻指标，对油气集输处理工艺、设备及材料选择等带来了挑战。面对这一系列难题，各期工程分别从油气集输、原油处理、天然气处理、原油外输、天然气外输、污水处理、注水、供水、发电、输配电、仪表控制、通信和投资概算等方面进行了充分的研究论证，在滚动开发的总体开发方案下进行持续优化创新，在国内已有集输、处理系统工艺流程基础上，通过研发新型集输工艺，实现全流程密闭输送，依托数字化管理系统，进一步实现了人员优化和简化。

1 全流程密闭工艺研究

全流程密闭是指油气井流物从井口经过集输系统到集中处理站处理和外输的全过程不开口，形成油田集输站场全过程的密闭系统。实现这种流程采用的重要技术环节是油气密闭集输工艺、原油密闭处理工艺，同时也配有天然气净化处理及轻烃回收工艺。

伊拉克哈法亚油田集输及处理工艺以数字化技术为手段，通过研发应用新工艺、新技术、新设备，优化简化地面流程，使用先进的自控技术和完善的安全保护措施，形成了系列化的集输站场全密闭输送技术。目前伴生气集中增压后主要输送给附近的电厂进行发电，油田内规划的天然气处理厂正在建设中。

1.1 站外集输系统

（1）充分利用地层能量，采用油气混输工艺。优化大型站场布站方式，不设脱水站及转油站[3]，将传统的三级布站转变为一级半布站，采用选井站加计量站的技术方案（图1），相邻2～3个丛式井平台产量就近集中计量，通过大口径干管集中混输至各集中处理站，实现全线密闭管输，方便生产和安全管理。

图1 一级半布站流程示意图Fig.1 Schematic diagram of the process of one and a half stage station arrangement

（2）应用高凝、高黏、高油气比复杂油田集输系统动态模拟技术[4]，对长距离、大口径、复杂地貌下的油气混输过程进行仿真模拟。采用OLGA软件对混输管道及进站分离器进行动态建模（图2），针对性优化进站分离器段塞流捕集效果并改进仪表控制措施，解决油气混输过程中不稳定流动问题，实现长距离、大管径输送，降低工程投资，提高输送效率。

图2 动态模拟分析段塞流对进站分离器的影响Fig.2 Influence of slug flow on the inlet separator analyzed by dynamic simulation

（3）合理优化站外设计压力等级分界。将站外管线设计压力控制在300磅级可承受范围，并设置了完整的温度、压力、电气监测、调节和超压保护措施，可实现正常运行状态下连续、平稳输油，事故状态下本质安全和紧急关停。计量站设置闭排系统兼做应急缓冲罐，杜绝开式流程，减少碳排放。

（4）计量站采用数控多通阀自动选井计量技术，与计量分离器相结合实现远程自动选井计量（图3），并实现站场无人值守。计量后的原油和伴生气重新混合注入生产汇管，实现连续自动计量，大大减少现场运维人员数量，为自然条件恶劣、社会政治环境复杂地区的海外油田安全、连续生产提供保障。

图3 无人值守计量站示意图Fig.3 Schematic diagram of unmanned metering station

1.2 集中处理站

（1）针对高硫、重质、高黏原油特性，原油处理系统采用二级油气分离、二级加热、二段脱水、脱盐和一级原油稳定处理工艺（图4），保证了苛刻的原油外输指标。与国内常规处理工艺相比，采用全密闭两级电脱水、脱盐技术[5]，取代了大罐沉降脱水技术，避免了沉降罐呼吸损耗。三期工程创新开发了交直流复合电脱水、智能响应深度电脱盐技术，电脱装置单台重油处理能力可达3×106t/a，实现重质原油处理后含水率≤0.2%，含盐浓度≤28.5 mg/L，首创采用电脱水、电脱盐自循环掺水工艺[6]，提高电脱水、脱盐效率，节约掺水消耗50%，远超国内、外同类原油处理指标要求。

图4 原油处理系统工艺流程图Fig.4 Process flow diagram of crude oil treatment system

（2）研发高硫、重质原油脱硫稳定技术。哈法亚油田伴生气中H2S 含量高达0.56%，处理后原油中H2S 含量≤50 mg/L，雷特蒸气压≤69 kPa，目前国内油田还没有比较成熟的可借鉴的高含H2S原油稳定处理工艺，因此开展了高硫、重质原油脱硫稳定技术研究。在有效利用原油脱水温度的基础上，结合雷特蒸气压、投资、原油收率以及压缩机稳定运行等各方面的因素，确定了重质原油采用微正压稳定工艺[7]，原油脱H2S 采用闪蒸脱H2S 处理工艺。掌握了稳定脱硫工艺边界条件，稳定后原油雷特蒸气压低于当地大气压的70%，满足浮顶罐储存要求，有效降低了中心处理站内的能耗。

（3）全面开展集输及处理系统全密闭流程研究。主要措施包括原油储罐、不合格油罐、撇油罐、闭排系统采用甜气罐顶密封技术，火炬系统采用甜气吹扫工艺，全站实现密闭取样、密闭排放等工艺，打造零排放的绿色油田。图5为项目采用的罐顶甜气密封系统原理图。生产系统在开停工、维检修过程中带压排放的油气混合物排放至附近的排污管线，最终输至密闭排放系统，系统根据收集液量自动打回处理系统重新处理，实现整个集中处理站投产后无有害气体排放，可有效保护环境，保障人员安全。

图5 储罐罐顶密封技术工艺流程示意图Fig.5 Schematic diagram of storage tank top sealing technology process flow

（4）污水处理系统处理规模大，最高达20×104bbl/d，处理量1 320 m3/h。油田采出水介质恶劣，Cl-浓度高达13×104mg/L，总溶解固体（TDS）浓度高达19×104mg/L，测试pH 值5.1，密度1 140 kg/cm3，H2S 浓度50 mg/L。采出水经处理后回注地层，注水水质指标含油浓度≤10 mg/L，悬浮物浓度≤10 mg/L，粒径中值≤8 μ m，含氧量≤20 ppb（1 ppb=10-9）。针对以上苛刻条件，创新开发了超滤膜过滤技术[8]、原水脱氧、全系统密闭隔氧技术和高效大型气浮除油技术，并形成适用于哈法亚油田的采出水处理工艺包，不仅有利于实现油田增产稳产目标，还实现了含油污水零排放，减少环境污染。

（5）研发油田高硫伴生气直燃发电技术。伊拉克当地柴油品质差且价格昂贵，伴生气资源丰富，但天然气处理厂投资巨大。为避免多余伴生气火炬放空，造成资源的极度浪费，项目前期在天然气处理厂建成前采用含硫伴生气用于油田自备电站发电，研究开发了燃气轮机电站天然气处理橇，采用旋风和聚结合成式高效过滤器以及温度和流量自动双元控制的直接式加热器技术，开创了油田高硫伴生气直燃发电的先例。

（6）针对伊拉克自然及社会环境恶劣，全面建立了哈法亚油田数字化管理系统。油田采用覆盖全流程的3级自动化管控体系：井口设置RTU，站内采用PCS+SIS+F&G 系统，最上层采用SCADA 系统，实现了油田全方位自动监控、运行状态实时显示、安全风险等级自动识别、地面系统故障报警及自动控制等功能于一体的油田自动控制系统。依托先进的数字化技术，构建了覆盖所有设备从设计，采购、生产、投运、运维、报废的全生命周期的油田设备管理数据中心[9]；同时将生产设施管理系统[10]与地理信息GIS 系统和无人机测绘相结合，掌握设备设施的地理分布，以及油田管网的地理走向。将设备管理与人员追踪相结合，可以随时追踪现场设备管理人员的工作地点和工作轨迹，解决现场的突发情况。

2 应用效果

通过对哈法亚油田全系统密闭工艺进行研究，应用一系列实用创效的油田新工艺，油气集输及处理水平得到大幅提升。

（1）实现了油气集输与油气处理全过程安全输送，有效地减少了油气的损耗量，降低了对自然环境的污染。工程自2012年6月投产以来，各系统已安全平稳运行近9年时间，无任何安全环保事故。

（2）攻克了伊拉克哈法亚油田高硫、高盐工况下原油处理关键技术难题，形成了中东地区油田单列300×104t/a油气处理工艺包[11]，可应对于中东地区油田规模大、产量高、原油物性复杂、产品指标高等挑战，满足低风险、高产值、快速、高质、高效开发的要求[12]。

（3）密闭输送工艺在海外油气集输系统中的全面应用，是我国石油工业的一大进步。其控制过程自动化程度高，设备利用率高，输送成本低，经济效益高，是未来发展的一大趋势，可以广泛应用于中东及全球同类油田的开发，为高效、稳定、安全开发类似海外大型油田打下了坚实的理论基础和技术支撑。

3 经济效益

（1）地面总体布局实现了优化，站场层级和管网形式得以简化。大口径干管集中混输至各集中处理站，提高了系统运行效率，节省地面投资0.8 亿美元。选井站与计量站合并，采用多通阀自动选井计量技术实现站外无人值守，节省年操作运行费用20%以上。

（2）通过采用全流程密闭输送工艺，实现了最大程度降低能耗的目的。充分利用地层能量，将原油进站压力合理提高到1.1 MPa，天然气处理厂建成前可显著提高原油收率，油田高峰产量时原油外输量提高23×104t/a，每年增加收入1.16 亿美元，同时减少天然气压缩机投资2 200万美元。

（3）通过采取储罐罐顶密封、全站密闭取样、密闭排放、污水处理密闭隔氧等一系列措施，油气呼吸损耗降低50%以上，排污废液再循环处理，伴生资源得到充分利用，站场安全环保无异味。

（4）通过采用油田伴生气直燃发电技术，哈法亚油田一期、二期电站运行稳定，建设工期短，在天然气处理厂建设前实现了燃气发电，100 MW 电站节约燃料费用1.12亿美元/a，节省前期投资3 069万美元。

（5）通过数字化油田建设，实现了生产和管理的高度自动化、数字化、可视化和部分智能化，提高了劳动生产效率，降低了员工劳动强度，3座集中处理站定员约100 人，折合百万吨产能定员仅5人，远优于国际先进水平。

4 示范效应

（1）通过一系列密闭工艺改进措施，实现了站场安全、环保和节能减排，有效降低了地面建设投资及操作运行费用。

（2）形成了成套的工艺包并经过现场验证，为中石油在海外大型油田的开发提供了强有力的技术保障和支持，推动了国家“一带一路”战略的实施。

（3）哈法亚项目设计力助中国石油在伊拉克战后荒漠上短时间崛起了一座高标准、高质量、高水平的现代化超巨型绿色油田。中国石油哈法亚项目不仅成为中石油在伊拉克与其他国际大石油公司同台竞技的一面旗帜，还受到了伊拉克政府和中东人民的高度认可。

（4）哈法亚油田开发建设以来，给当地承包商带来了超过10 亿美元的商机，给项目所在地米桑省提供了6万多个就业机会，有效带动了米桑省的经济提升。

5 结语

通过密闭输送工艺的不断改进与优化，将各项新技术及综合性研究成果融入到中国在海外油气集输及处理系统的实践应用中，实现其输送效率的最大化，有效降低工程投资及操作运行费用，为建设清洁、和谐、绿色、低碳的国际化一流油田树立了典范。哈法亚在中东创造的代表“中国创新”、“中国速度”、“中国质量”的品牌工程，提高了中国在中东地区和国际知名公司心中的整体形象，彰显了中国的大国实力，对提高中国石油竞争力，开拓国际石油工程市场具有重要意义。