酸化压裂液罐研制

周长英，陈福年，李光春，江涛，张玉树，赫存玲

（1.吐哈油田公司机械厂，新疆 哈密839009；2.吐哈油田哈密物业管理公司，新疆 哈密839009；3.吐哈油田公司温米采油厂，新疆 鄯善838202；4.江汉机械研究所，武汉430024）

0 引 言

酸化压裂液罐是酸化压裂作业过程中用于储存和配置酸化压裂液的地面装置，可以在地面进行酸化压裂液的配置和短暂储存。早期由于油井浅，地下情况简单，作业工艺简单，对酸化压裂液要求不高。一般采用普通钢制储罐，内涂防腐涂料的结构形式。由于酸化压裂液用量少，酸化压裂液在储罐中停留时间短，添加缓蚀剂基本能满足现场作业要求。但随着井下情况越来越复杂，油井越来越深，单井酸化压裂液的用量越来越大（塔河油田单井酸化压裂液用量已经达到3 000~4 000 m3水平），油井对酸化压裂液成分要求越来越高，普通储罐已经无法满足酸化压裂的要求。目前各油田采用较多的是内衬玻璃钢的钢制酸化压裂液罐，能有效防止罐体腐蚀，重要的是能有效控制酸化压裂液中铁离子浓度，防止在地层中出现铁质沉淀而污染地层。本文就玻璃钢内衬酸化压裂液罐的设计及制造工艺进行研究，满足酸化压裂作业的现场使用要求。

酸化压裂液罐是油井酸化压裂作业过程中用于储存和配置酸化压裂液的地面装置，可以在地面进行酸化压裂液的配置和短暂储存。随着井下情况越来越复杂，油井越来越深，单井酸化压裂液的用量越来越大。同时由于酸化压裂工艺的不断改进，人们对地层的认识越来越清晰，对酸化压裂过程中酸化压裂液中铁离子对地层的伤害机理认识逐步加深。因此，必须严格控制酸化压裂液中铁离子浓度，满足酸化压裂作业工艺的要求。

酸化压裂液中铁离子主要来源于：酸化压裂液对储罐及其附件的腐蚀、酸化压力液溶蚀作业管道铁锈和地层中含铁矿物所产生的铁离子。由于酸化压力液溶蚀作业管道铁锈和地层中含铁矿物所产生的铁离子对于固定的井来说物理方法是很难控制和改变的。而最容易控制的就是酸化压裂液对储罐及其附件的腐蚀产生的铁离子。因此，对酸化压裂液罐采用合理的防腐方案和防腐工艺是控制酸化压裂液中铁离子浓度的有效方法。

吐哈油田公司机械厂有多年的油田用工程罐的设计制造经验，研制过储油罐、泥浆罐、修井作业用工程罐、拖载式工程罐、普通酸化压裂液罐等。防腐主要有普通防腐涂料防腐、海洋油漆防腐和耐油田污油污水的HT515 专用防腐涂料防腐等防腐措施。满足了不同时期、不同使用条件下油田对工程罐的需求。

吐哈油田公司机械厂在2005 年研制过普通酸化压裂液罐，内防腐采用特种环氧涂料防腐工艺。基本满足当时普通酸化压裂作业使用要求。但储罐腐蚀严重，无法满足大型酸化压裂的要求。2010 年吐哈油田井下技术作业公司塔里木分公司为了满足在塔河油区进行大型酸化压裂要求，需要定制15 个60 m3酸化压裂液罐，要求罐内壁采用内衬玻璃钢防腐，避免金属材料与酸液直接接触，有效控制酸化压裂液罐中液体的铁离子浓度。为此，针对用户的需求开展了内衬玻璃钢防腐酸化压裂液罐的研究。

1 结构设计

井下技术作业公司塔里木分公司于2010 年4 月提出配套15 个60 m3酸化压裂液罐的需求，提出的要求：环境温度为-35~+50℃，使用情况恶劣；设计制造具备结构先进，工作可靠、移动方便、无渗漏、无变形，对环境无污染，对人员健康无伤害的基本条件；罐体内壁做8 层玻璃钢防腐，要求耐盐酸30%、氢氟酸5%；罐体外表面进行三个层次涂料（底漆、中间漆和面漆）的喷涂，总涂层厚度不小于0.3 mm；罐体底板采用前后造斜设计，前端设置收液槽，便于将罐内液体放净，并方便清洗。

1）罐体外形尺寸的确定。井下公司要求配备的酸化压裂液罐的容量为60 m3。综合考虑运输和方便现场计量：设计罐体宽度为3 000 mm，长度为10 000 mm，由于底盘采用造斜结构，需要增加罐体的整体高度来满足容量的要求，考虑材料尺寸罐体高度设计为2 000 mm，罐顶采用100mm 型钢制作，使罐体部分高度增加到2 100 mm，满足了罐体容量的要求。考虑强度和刚度底盘选用250mm型钢。最终确定罐体部分最大外形尺寸为10000mm×3 000 mm×2 100 mm。整罐最大外形尺寸为10 800 mm×3 250 mm×2 950 mm（图1）。

图1 酸化压裂液罐外形结构

2）造斜底盘的设计［1］。底盘是酸化压裂液罐的承重部件，同时是罐体底板造斜和罐壁焊接的基准，是主要的承力、受力构件。由于酸化压裂液罐装满液体的重量达到60t，加上罐体自重13t，总重高达73t，全部需要底盘来进行承受。因此，底盘的强度和刚度是酸化压裂液罐正常使用的重要保证。由于底盘直接与地面接触，只要地面强度足够，罐体重量将直接传递到地面。因此，底盘自身不会发生挠曲变形，底盘主梁进行常规类比设计即可，设计选用250 mm 工字钢作为主梁。如果全底盘材料均选用250 mm 型材，则所有拉筋在使用中均不存在挠曲变形，设计较为简单方便。但全部采用250 mm 型材将使罐体自重较大，不利于搬迁和运输。因此，除主梁和外侧横梁采用250 mm 工字钢外，其余横梁采用160 mm 和250 mm 槽钢间隔布置，裙边采用100mm 角钢的设计。由于裙边与罐壁瓦楞板焊接成一个整体，强度和刚度均不存在问题。因此，只需要对中间160 mm 横梁进行校核即可，同时横梁间距还直接影响罐体底板的挠曲变形。

初步设计中间7 道横梁，间距1 230 mm，其中4 道为160 mm 槽钢。用Pro/E 对横梁和罐体底板进行校核，如图2、图3，从分析结果中得出，采用该结构形式，横梁和底板上的最大变形为3.67 mm，横梁和底板上的最大应力为146 MPa，满足设计和使用要求，该结构设计合理。

为了保证将罐内残液全部放净，收液槽必须低于罐体底板。因此，将收液槽设计在底盘上。为了保证起吊可靠，方便现场操作，起吊装置设计在底盘上。罐体底板造斜根据吸液管尺寸和现场实际使用经验设计，采用前后罐体底板落差150 mm 造斜结构（图4）。

图2 横梁和底板形变分析结果

图3 横梁和底板强度校核结果

图4 底盘结构示意图

3）瓦楞罐壁的设计［5-6］。罐体外形尺寸已经设定，只需要对罐壁结构形式进行设计。为了防止使用中罐壁变形，一般设计成平板内部加强筋的结构，该结构内部防腐困难，易形成缺陷。经过结构和工艺性对比，决定采用瓦楞罐壁结构，利用瓦楞作为加强筋，提高罐壁刚性。

由于酸化压裂液罐使用环境恶劣，考虑安全、使用寿命和实际材料情况等因素，材料采用δ8 mm 的Q235B 钢板压制成瓦楞形状，瓦楞间距800 mm。瓦楞设计成型后用Pro/E 进行强度和刚度验算（图5、图6）。

从分析结果中得出，该结构尺寸瓦楞板上的最大变形为5.5 mm，最大应力为330 MPa，该应力出现在瓦楞尖角两端应力集中处，瓦楞中间应力集中处最大不超过200 MPa，瓦楞板其它部位应力均在100 MPa 以下。在局部应力集中处会出现塑性强化，不会造成破坏。根据实践经验和理论数据综合分析，该结构设计满足实际使用要求，该结构设计合理（图7）。

4）不锈钢搅拌器的设计［2-4］。根据井下情况不同，酸化压裂液中需要添加不同的化学物质，如表面活性剂、稠化剂等，由于不同化学物质的化学及物理性质差异大，相互间混合困难，只有通过强力的物理搅拌进行混合，才能满足使用要求。因此，搅拌器在酸化压裂液配置过程中作用不可替代。由于搅拌器搅拌轴长期浸泡在酸化压裂液中，且与液体间形成高速流动，相同的材料腐蚀速度较相对流动速度慢的罐壁要快得多。因此，搅拌器的耐腐蚀要求比罐壁要高得多。同时由于酸化压裂液中难溶物质大部分漂浮在液体表面，和钻井液的情况完全相反，直接用泥浆搅拌器代替酸化压裂液搅拌器不能完全达到酸化压裂液的搅拌要求。因此，需要根据酸化压裂液的搅拌特点设计新结构的搅拌器。为了满足耐腐蚀的要求，新结构搅拌器的搅拌轴全部选用了1Cr18Ni12Mo3Ti 不锈钢材料（由于供货周期等原因，最后选用的不锈钢材料是316L，相当于00Cr17Ni14Mo2）。然后对搅拌轴浸入液体部分进行玻璃钢内衬防腐。

图5 瓦楞板形变分析结果

图6 瓦楞板强度校核结果

图7 瓦楞罐体结构示意图

为了提高液体表面的搅动效果，同时还要保证底部液体的搅拌效果，将搅拌叶轮的位置相对于泥浆搅拌器上移了200 mm（图8）。

5）出液管线的设计。酸化压裂液罐出液管线是将配置好的酸化压裂液排出，以及将酸化压裂液罐中残液排净的装置。由于酸化压裂液价格高、腐蚀性强、环境影响大，希望能尽量将罐中的液体全部泵入井内，减少对环境的影响。同时在清罐时能将罐中残液全部放净，减少对罐体的不必要腐蚀。因此，出液管线的管口应尽量低。

设计出液管线管口低于收液槽底板，利用泵吸罐内液体时，能将剩余液体控制在0.1 m3以下，大大提高了酸化压裂液的利用率。清洗罐时能将罐内残液全部放净，满足现场使用要求。由于出液管线长期浸泡在酸化压裂液中，管线及附件腐蚀严重，如果在使用中出现腐蚀损坏而造成酸化压裂液渗漏，将严重影响酸化压裂作业的正常工作，还可能造成严重污染事故。因此，出液管线设计成了双不锈钢蝶阀控制的结构形式（图9）。

图8 不锈钢搅拌器结构示意图

图9 出液管线结构示意图

2 防腐研究

由于罐体要求耐盐酸30%、氢氟酸5%，如果采用普通防腐措施，无法保证罐体寿命，同时也无法控制酸化压裂液中的铁离子浓度。因此，必须采用内衬玻璃钢防腐工艺，以满足酸化压裂工艺的要求。

1）酸化压裂中铁离子对地层伤害［9-10］。

酸化压裂液中铁主要以二价铁离子和三价铁离子的形式存在。酸化压裂液进入地层后酸液与地层发生反应，随着时间的推移，酸化压裂液的pH 值会逐步升高。随着pH 值的逐步升高，酸化压裂液中的铁离子可以水化沉淀或与储层内部物质反应产生沉淀。这些沉淀如果集聚在井眼附近，就会导致产量下降，影响酸化压裂的效果。

引起堵塞的主要是三价铁离子产生的沉淀，如铁离子与储层中的硫化氢反应可生成硫和氢氧化铁沉淀：2Fe3++H2S→S↓+2Fe2++2H+；Fe3++3H2O→Fe（OH）3↓+3H+。

此外，二价铁离子与硫化氢反应也会生成沉淀：Fe2++H2S→FeS↓+2H+。

铁化物以酸渣形式的胶体沉淀，既可堵塞储层，又是一种乳化稳定剂，促使沥青质、胶质堵塞储层。从而在酸化压裂过程中或酸化压裂完成后产生新的储层伤害。

2）玻璃钢内衬防腐工艺研究［3，7，8］。

酸化压裂液中铁离子主要来源于酸化压裂液对储罐及其附件的腐蚀、酸化压力液溶蚀作业管道铁锈和地层中含铁矿物所产生的铁离子。由于酸化压力液溶蚀作业管道铁锈和地层中含铁矿物所产生的铁离子，对于确定的井来说物理方法是很难控制和改变的。而最容易控制的就是酸化压裂液对储罐及其附件的腐蚀产生的铁离子。因此，对酸化压裂液罐采用合理的防腐方案和防腐工艺，是控制酸化压裂液中铁离子浓度的有效方法。

随着技术的发展，钢制储罐内衬玻璃钢防腐技术达到比较高的水平：玻璃钢内衬钢制储罐既具有钢制储罐刚性好，适用于频繁搬迁和野外作业的要求，又具有良好的耐腐蚀性能的特点，特别适用于酸化压裂液罐的使用要求。因此，决定对罐体与酸化压裂液直接接触部分和搅拌器搅拌轴进行内衬玻璃钢防腐。

制定合适的内衬玻璃钢防腐工艺是保证酸化压裂液罐满足使用要求的关键。经过反复研究和论证，与专业防腐公司多次的技术交流，决定采用以下内衬玻璃钢防腐工艺：钢材表面打磨除锈→涂底层树脂→填料树脂、玻纤布→填料树脂、玻纤布→填料树脂、玻纤布→填料树脂、玻纤布→打磨检修→涂一层净树脂。

罐体内衬玻璃钢技术要求：a.采用8 层玻璃钢防腐，即使用0.1 mm 玻纤布8 层或0.2 mm 玻纤布4 层。b.表面喷砂或抛丸除锈达到GB/T8923 标准规定的Sa2.5 级；或采用手工方法除锈，质量不低于GB/T8923 标准规定的St3 级。c.采用的填料树脂必须满足耐盐酸31%、氢氟酸5%的要求。d.玻纤布采用无碱玻纤布，性能和规定符合JC/T281《无碱玻璃纤维无捻粗纱布》的规定。e.罐内转角处用腻子刮成慢坡或做成圆弧，坡脚大于15 mm。f.玻纤布采用对接式连续铺贴法制作，搭接宽度≥50 mm，转角处搭接宽度≥150 mm。g.转角处较其它地方增贴两层玻纤布，搭接宽度≥150 mm。h.外观色泽均匀，表面平整光滑，无其它杂物和外露玻纤布；无针孔、气泡、起鼓、裂纹、脱层、发白等现象。

3 关键技术

在酸化压裂液罐的设计和制作过程中，重点进行了以下几方面的技术研究：1）造斜底盘的结构设计。方便罐体清洗；合理布置拉筋，在保证罐体底板合理刚度的条件下，减轻底盘的重量。2）收液槽和低排液管的设计。减少酸化压裂液罐中液体残留量，提高了酸化压裂液的使用率，方便罐体的清洗。3）不锈钢搅拌器的设计。提高搅拌器的耐腐蚀性能，增强了搅拌器对酸化压裂液的搅拌效果。4）玻璃钢内衬防腐的研究。解决酸化压裂液中由于储罐腐蚀造成的溶液中铁离子浓度升高而造成地层伤害的问题。

4 现场应用

从2004 年开始试验，前期制作5 个罐采用表面喷涂海洋漆进行防腐工艺，使用过程中发现防腐蚀性能无法达到设计要求，加上铁离子析出，造成液体中铁离子浓度升高，影响酸化压裂效果。

2006 年根据现场要求进行论证，酸化压裂液罐改用玻璃钢内衬防腐工艺，一次制作20 个60 m3酸化压裂液罐，严格按照防腐工艺进行施工和验收，保证内衬玻璃钢的附着力和表面防腐性能。并在吐哈油田井下塔里木分公司现场进行应用，防腐效果优良，满足大型酸化压裂对溶液的化学性能要求，提高罐体使用寿命。

20 个酸化压裂液罐交付使用后，通过回访调查，用户对罐体防腐性能、清洗能力、保证压裂液化学性能等方面非常满意，为现场大型酸化压裂提供了设备保障。平均每个罐内衬玻璃钢寿命在3a 以上，由于罐体刚性好，抗变形能力强，间接提高了玻璃钢内衬的使用寿命。酸化压裂液罐中液体残留量少于100L，大大提高了溶液的使用率，同时降低残液的处理费用。罐体的清洗方便，一般只需要用清水进行直接冲洗就可以将罐内壁清洗干净，人不用每次都进入罐内进行清洗，提高了安全性，降低清罐劳动强度，减少污水排放。

5 结 论

通过酸化压裂液罐的研制，满足了修井作业现场大型酸化压裂作业的需求，提高了酸化压裂液罐的耐腐蚀性能，有效控制了酸化压裂液在储罐中的铁离子浓度，降低了酸化压裂后由于铁质沉淀而造成的底层伤害风险。不锈钢搅拌器的设计，提高了搅拌轴的耐腐蚀性能，使不锈钢搅拌器更加适用于对酸化压裂液的搅拌，提高了搅拌效果。造斜底盘、双不锈钢蝶阀出液管线和收液槽的组合设计，提高了系统的安全性和酸化压裂液的利用率，使酸化压裂液罐的现场清理更加方便快捷。玻璃钢内衬防腐的选择和内衬玻璃钢防腐技术及工艺研究，提高了工程罐整体防腐水平，有效解决了酸化压裂液罐的腐蚀问题。

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