伊拉克哈法亞油田全流程密閉工藝應用研究

張國棟 周靖偉 李陽 潘永強

1中國石油工程建設有限公司北京設計分公司

2中國石油招標中心新疆分中心

3克拉瑪依市富城能源集團有限公司

伊拉克哈法亞油田位于伊拉克米桑省，巴士拉市以北180 km，首都巴格達西南400 km，油田合同區域面積達288 km2。油田地質儲量160×108bbl，可采儲量約60×108bbl，是伊拉克七大巨型油田之一。2009 年12 月，中國石油以作業者身份，攜手法國道達爾公司和馬來西亞石油公司組成聯合作業體，與伊拉克政府簽署了為期20 年的《哈法亞油田開發生產服務合同》，為中國石油建設中東油氣合作區奠定了堅實的資源基礎。哈法亞項目一期5×106t/a 地面產能建設工程在2012 年6 月順利投產[1]，被伊拉克政府認定為速度最快、執行最好的項目。之后在短短的6 年時間內，相繼投產二期10×106t/a 地面產能工程和三期20×106t/a 的地面產能工程，項目建設投資高達170億美元，其中地面工程投資約90 億美元。三期工程一次性建成10×106t/a 重油集中處理站，規模之大國內外罕見，被伊拉克政府譽為“Perfect”（完美）工程[2]。

哈法亞油田油氣物性條件惡劣，屬重質、高硫高、鹽油田，原油API度為19～22 ℃，原油中總硫含量高達4.64%（質量分數），伴生氣中H2S含量約0.56%（摩爾分數），CO2含量3.84%（摩爾分數），采出水總礦化度高達21×104mg/L，其中Cl-濃度16×104mg/L。開發合同要求外輸原油處理指標苛刻，處理合格原油含鹽濃度≤28.5 mg/L，含水率0.2%～0.4%，雷特蒸氣壓≤69 kPa，H2S 濃度≤50 mg/L。惡劣的油氣物性及苛刻指標，對油氣集輸處理工藝、設備及材料選擇等帶來了挑戰。面對這一系列難題，各期工程分別從油氣集輸、原油處理、天然氣處理、原油外輸、天然氣外輸、污水處理、注水、供水、發電、輸配電、儀表控制、通信和投資概算等方面進行了充分的研究論證，在滾動開發的總體開發方案下進行持續優化創新，在國內已有集輸、處理系統工藝流程基礎上，通過研發新型集輸工藝，實現全流程密閉輸送，依托數字化管理系統，進一步實現了人員優化和簡化。

1 全流程密閉工藝研究

全流程密閉是指油氣井流物從井口經過集輸系統到集中處理站處理和外輸的全過程不開口，形成油田集輸站場全過程的密閉系統。實現這種流程采用的重要技術環節是油氣密閉集輸工藝、原油密閉處理工藝，同時也配有天然氣凈化處理及輕烴回收工藝。

伊拉克哈法亞油田集輸及處理工藝以數字化技術為手段，通過研發應用新工藝、新技術、新設備，優化簡化地面流程，使用先進的自控技術和完善的安全保護措施，形成了系列化的集輸站場全密閉輸送技術。目前伴生氣集中增壓后主要輸送給附近的電廠進行發電，油田內規劃的天然氣處理廠正在建設中。

1.1 站外集輸系統

（1）充分利用地層能量，采用油氣混輸工藝。優化大型站場布站方式，不設脫水站及轉油站[3]，將傳統的三級布站轉變為一級半布站，采用選井站加計量站的技術方案（圖1），相鄰2～3個叢式井平臺產量就近集中計量，通過大口徑干管集中混輸至各集中處理站，實現全線密閉管輸，方便生產和安全管理。

圖1 一級半布站流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the process of one and a half stage station arrangement

（2）應用高凝、高黏、高油氣比復雜油田集輸系統動態模擬技術[4]，對長距離、大口徑、復雜地貌下的油氣混輸過程進行仿真模擬。采用OLGA軟件對混輸管道及進站分離器進行動態建模（圖2），針對性優化進站分離器段塞流捕集效果并改進儀表控制措施，解決油氣混輸過程中不穩定流動問題，實現長距離、大管徑輸送，降低工程投資，提高輸送效率。

圖2 動態模擬分析段塞流對進站分離器的影響Fig.2 Influence of slug flow on the inlet separator analyzed by dynamic simulation

（3）合理優化站外設計壓力等級分界。將站外管線設計壓力控制在300磅級可承受范圍，并設置了完整的溫度、壓力、電氣監測、調節和超壓保護措施，可實現正常運行狀態下連續、平穩輸油，事故狀態下本質安全和緊急關停。計量站設置閉排系統兼做應急緩沖罐，杜絕開式流程，減少碳排放。

（4）計量站采用數控多通閥自動選井計量技術，與計量分離器相結合實現遠程自動選井計量（圖3），并實現站場無人值守。計量后的原油和伴生氣重新混合注入生產匯管，實現連續自動計量，大大減少現場運維人員數量，為自然條件惡劣、社會政治環境復雜地區的海外油田安全、連續生產提供保障。

圖3 無人值守計量站示意圖Fig.3 Schematic diagram of unmanned metering station

1.2 集中處理站

（1）針對高硫、重質、高黏原油特性，原油處理系統采用二級油氣分離、二級加熱、二段脫水、脫鹽和一級原油穩定處理工藝（圖4），保證了苛刻的原油外輸指標。與國內常規處理工藝相比，采用全密閉兩級電脫水、脫鹽技術[5]，取代了大罐沉降脫水技術，避免了沉降罐呼吸損耗。三期工程創新開發了交直流復合電脫水、智能響應深度電脫鹽技術，電脫裝置單臺重油處理能力可達3×106t/a，實現重質原油處理后含水率≤0.2%，含鹽濃度≤28.5 mg/L，首創采用電脫水、電脫鹽自循環摻水工藝[6]，提高電脫水、脫鹽效率，節約摻水消耗50%，遠超國內、外同類原油處理指標要求。

圖4 原油處理系統工藝流程圖Fig.4 Process flow diagram of crude oil treatment system

（2）研發高硫、重質原油脫硫穩定技術。哈法亞油田伴生氣中H2S 含量高達0.56%，處理后原油中H2S 含量≤50 mg/L，雷特蒸氣壓≤69 kPa，目前國內油田還沒有比較成熟的可借鑒的高含H2S原油穩定處理工藝，因此開展了高硫、重質原油脫硫穩定技術研究。在有效利用原油脫水溫度的基礎上，結合雷特蒸氣壓、投資、原油收率以及壓縮機穩定運行等各方面的因素，確定了重質原油采用微正壓穩定工藝[7]，原油脫H2S 采用閃蒸脫H2S 處理工藝。掌握了穩定脫硫工藝邊界條件，穩定后原油雷特蒸氣壓低于當地大氣壓的70%，滿足浮頂罐儲存要求，有效降低了中心處理站內的能耗。

（3）全面開展集輸及處理系統全密閉流程研究。主要措施包括原油儲罐、不合格油罐、撇油罐、閉排系統采用甜氣罐頂密封技術，火炬系統采用甜氣吹掃工藝，全站實現密閉取樣、密閉排放等工藝，打造零排放的綠色油田。圖5為項目采用的罐頂甜氣密封系統原理圖。生產系統在開停工、維檢修過程中帶壓排放的油氣混合物排放至附近的排污管線，最終輸至密閉排放系統，系統根據收集液量自動打回處理系統重新處理，實現整個集中處理站投產后無有害氣體排放，可有效保護環境，保障人員安全。

圖5 儲罐罐頂密封技術工藝流程示意圖Fig.5 Schematic diagram of storage tank top sealing technology process flow

（4）污水處理系統處理規模大，最高達20×104bbl/d，處理量1 320 m3/h。油田采出水介質惡劣，Cl-濃度高達13×104mg/L，總溶解固體（TDS）濃度高達19×104mg/L，測試pH 值5.1，密度1 140 kg/cm3，H2S 濃度50 mg/L。采出水經處理后回注地層，注水水質指標含油濃度≤10 mg/L，懸浮物濃度≤10 mg/L，粒徑中值≤8 μ m，含氧量≤20 ppb（1 ppb=10-9）。針對以上苛刻條件，創新開發了超濾膜過濾技術[8]、原水脫氧、全系統密閉隔氧技術和高效大型氣浮除油技術，并形成適用于哈法亞油田的采出水處理工藝包，不僅有利于實現油田增產穩產目標，還實現了含油污水零排放，減少環境污染。

（5）研發油田高硫伴生氣直燃發電技術。伊拉克當地柴油品質差且價格昂貴，伴生氣資源豐富，但天然氣處理廠投資巨大。為避免多余伴生氣火炬放空，造成資源的極度浪費，項目前期在天然氣處理廠建成前采用含硫伴生氣用于油田自備電站發電，研究開發了燃氣輪機電站天然氣處理橇，采用旋風和聚結合成式高效過濾器以及溫度和流量自動雙元控制的直接式加熱器技術，開創了油田高硫伴生氣直燃發電的先例。

（6）針對伊拉克自然及社會環境惡劣，全面建立了哈法亞油田數字化管理系統。油田采用覆蓋全流程的3級自動化管控體系：井口設置RTU，站內采用PCS+SIS+F&G 系統，最上層采用SCADA 系統，實現了油田全方位自動監控、運行狀態實時顯示、安全風險等級自動識別、地面系統故障報警及自動控制等功能于一體的油田自動控制系統。依托先進的數字化技術，構建了覆蓋所有設備從設計，采購、生產、投運、運維、報廢的全生命周期的油田設備管理數據中心[9]；同時將生產設施管理系統[10]與地理信息GIS 系統和無人機測繪相結合，掌握設備設施的地理分布，以及油田管網的地理走向。將設備管理與人員追蹤相結合，可以隨時追蹤現場設備管理人員的工作地點和工作軌跡，解決現場的突發情況。

2 應用效果

通過對哈法亞油田全系統密閉工藝進行研究，應用一系列實用創效的油田新工藝，油氣集輸及處理水平得到大幅提升。

（1）實現了油氣集輸與油氣處理全過程安全輸送，有效地減少了油氣的損耗量，降低了對自然環境的污染。工程自2012年6月投產以來，各系統已安全平穩運行近9年時間，無任何安全環保事故。

（2）攻克了伊拉克哈法亞油田高硫、高鹽工況下原油處理關鍵技術難題，形成了中東地區油田單列300×104t/a油氣處理工藝包[11]，可應對于中東地區油田規模大、產量高、原油物性復雜、產品指標高等挑戰，滿足低風險、高產值、快速、高質、高效開發的要求[12]。

（3）密閉輸送工藝在海外油氣集輸系統中的全面應用，是我國石油工業的一大進步。其控制過程自動化程度高，設備利用率高，輸送成本低，經濟效益高，是未來發展的一大趨勢，可以廣泛應用于中東及全球同類油田的開發，為高效、穩定、安全開發類似海外大型油田打下了堅實的理論基礎和技術支撐。

3 經濟效益

（1）地面總體布局實現了優化，站場層級和管網形式得以簡化。大口徑干管集中混輸至各集中處理站，提高了系統運行效率，節省地面投資0.8 億美元。選井站與計量站合并，采用多通閥自動選井計量技術實現站外無人值守，節省年操作運行費用20%以上。

（2）通過采用全流程密閉輸送工藝，實現了最大程度降低能耗的目的。充分利用地層能量，將原油進站壓力合理提高到1.1 MPa，天然氣處理廠建成前可顯著提高原油收率，油田高峰產量時原油外輸量提高23×104t/a，每年增加收入1.16 億美元，同時減少天然氣壓縮機投資2 200萬美元。

（3）通過采取儲罐罐頂密封、全站密閉取樣、密閉排放、污水處理密閉隔氧等一系列措施，油氣呼吸損耗降低50%以上，排污廢液再循環處理，伴生資源得到充分利用，站場安全環保無異味。

（4）通過采用油田伴生氣直燃發電技術，哈法亞油田一期、二期電站運行穩定，建設工期短，在天然氣處理廠建設前實現了燃氣發電，100 MW 電站節約燃料費用1.12億美元/a，節省前期投資3 069萬美元。

（5）通過數字化油田建設，實現了生產和管理的高度自動化、數字化、可視化和部分智能化，提高了勞動生產效率，降低了員工勞動強度，3座集中處理站定員約100 人，折合百萬噸產能定員僅5人，遠優于國際先進水平。

4 示范效應

（1）通過一系列密閉工藝改進措施，實現了站場安全、環保和節能減排，有效降低了地面建設投資及操作運行費用。

（2）形成了成套的工藝包并經過現場驗證，為中石油在海外大型油田的開發提供了強有力的技術保障和支持，推動了國家“一帶一路”戰略的實施。

（3）哈法亞項目設計力助中國石油在伊拉克戰后荒漠上短時間崛起了一座高標準、高質量、高水平的現代化超巨型綠色油田。中國石油哈法亞項目不僅成為中石油在伊拉克與其他國際大石油公司同臺競技的一面旗幟，還受到了伊拉克政府和中東人民的高度認可。

（4）哈法亞油田開發建設以來，給當地承包商帶來了超過10 億美元的商機，給項目所在地米桑省提供了6萬多個就業機會，有效帶動了米桑省的經濟提升。

5 結語

通過密閉輸送工藝的不斷改進與優化，將各項新技術及綜合性研究成果融入到中國在海外油氣集輸及處理系統的實踐應用中，實現其輸送效率的最大化，有效降低工程投資及操作運行費用，為建設清潔、和諧、綠色、低碳的國際化一流油田樹立了典范。哈法亞在中東創造的代表“中國創新”、“中國速度”、“中國質量”的品牌工程，提高了中國在中東地區和國際知名公司心中的整體形象，彰顯了中國的大國實力，對提高中國石油競爭力，開拓國際石油工程市場具有重要意義。