酸化壓裂液罐研制

周長英，陳福年，李光春，江濤，張玉樹，赫存玲

（1.吐哈油田公司機械廠，新疆 哈密839009；2.吐哈油田哈密物業管理公司，新疆 哈密839009；3.吐哈油田公司溫米采油廠，新疆 鄯善838202；4.江漢機械研究所，武漢430024）

0 引 言

酸化壓裂液罐是酸化壓裂作業過程中用于儲存和配置酸化壓裂液的地面裝置，可以在地面進行酸化壓裂液的配置和短暫儲存。早期由于油井淺，地下情況簡單，作業工藝簡單，對酸化壓裂液要求不高。一般采用普通鋼制儲罐，內涂防腐涂料的結構形式。由于酸化壓裂液用量少，酸化壓裂液在儲罐中停留時間短，添加緩蝕劑基本能滿足現場作業要求。但隨著井下情況越來越復雜，油井越來越深，單井酸化壓裂液的用量越來越大（塔河油田單井酸化壓裂液用量已經達到3 000~4 000 m3水平），油井對酸化壓裂液成分要求越來越高，普通儲罐已經無法滿足酸化壓裂的要求。目前各油田采用較多的是內襯玻璃鋼的鋼制酸化壓裂液罐，能有效防止罐體腐蝕，重要的是能有效控制酸化壓裂液中鐵離子濃度，防止在地層中出現鐵質沉淀而污染地層。本文就玻璃鋼內襯酸化壓裂液罐的設計及制造工藝進行研究，滿足酸化壓裂作業的現場使用要求。

酸化壓裂液罐是油井酸化壓裂作業過程中用于儲存和配置酸化壓裂液的地面裝置，可以在地面進行酸化壓裂液的配置和短暫儲存。隨著井下情況越來越復雜，油井越來越深，單井酸化壓裂液的用量越來越大。同時由于酸化壓裂工藝的不斷改進，人們對地層的認識越來越清晰，對酸化壓裂過程中酸化壓裂液中鐵離子對地層的傷害機理認識逐步加深。因此，必須嚴格控制酸化壓裂液中鐵離子濃度，滿足酸化壓裂作業工藝的要求。

酸化壓裂液中鐵離子主要來源于：酸化壓裂液對儲罐及其附件的腐蝕、酸化壓力液溶蝕作業管道鐵銹和地層中含鐵礦物所產生的鐵離子。由于酸化壓力液溶蝕作業管道鐵銹和地層中含鐵礦物所產生的鐵離子對于固定的井來說物理方法是很難控制和改變的。而最容易控制的就是酸化壓裂液對儲罐及其附件的腐蝕產生的鐵離子。因此，對酸化壓裂液罐采用合理的防腐方案和防腐工藝是控制酸化壓裂液中鐵離子濃度的有效方法。

吐哈油田公司機械廠有多年的油田用工程罐的設計制造經驗，研制過儲油罐、泥漿罐、修井作業用工程罐、拖載式工程罐、普通酸化壓裂液罐等。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 專用防腐涂料防腐等防腐措施。滿足了不同時期、不同使用條件下油田對工程罐的需求。

吐哈油田公司機械廠在2005 年研制過普通酸化壓裂液罐，內防腐采用特種環氧涂料防腐工藝?；緷M足當時普通酸化壓裂作業使用要求。但儲罐腐蝕嚴重，無法滿足大型酸化壓裂的要求。2010 年吐哈油田井下技術作業公司塔里木分公司為了滿足在塔河油區進行大型酸化壓裂要求，需要定制15 個60 m3酸化壓裂液罐，要求罐內壁采用內襯玻璃鋼防腐，避免金屬材料與酸液直接接觸，有效控制酸化壓裂液罐中液體的鐵離子濃度。為此，針對用戶的需求開展了內襯玻璃鋼防腐酸化壓裂液罐的研究。

1 結構設計

井下技術作業公司塔里木分公司于2010 年4 月提出配套15 個60 m3酸化壓裂液罐的需求，提出的要求：環境溫度為-35~+50℃，使用情況惡劣；設計制造具備結構先進，工作可靠、移動方便、無滲漏、無變形，對環境無污染，對人員健康無傷害的基本條件；罐體內壁做8 層玻璃鋼防腐，要求耐鹽酸30%、氫氟酸5%；罐體外表面進行三個層次涂料（底漆、中間漆和面漆）的噴涂，總涂層厚度不小于0.3 mm；罐體底板采用前后造斜設計，前端設置收液槽，便于將罐內液體放凈，并方便清洗。

1）罐體外形尺寸的確定。井下公司要求配備的酸化壓裂液罐的容量為60 m3。綜合考慮運輸和方便現場計量：設計罐體寬度為3 000 mm，長度為10 000 mm，由于底盤采用造斜結構，需要增加罐體的整體高度來滿足容量的要求，考慮材料尺寸罐體高度設計為2 000 mm，罐頂采用100mm 型鋼制作，使罐體部分高度增加到2 100 mm，滿足了罐體容量的要求?？紤]強度和剛度底盤選用250mm型鋼。最終確定罐體部分最大外形尺寸為10000mm×3 000 mm×2 100 mm。整罐最大外形尺寸為10 800 mm×3 250 mm×2 950 mm（圖1）。

圖1 酸化壓裂液罐外形結構

2）造斜底盤的設計［1］。底盤是酸化壓裂液罐的承重部件，同時是罐體底板造斜和罐壁焊接的基準，是主要的承力、受力構件。由于酸化壓裂液罐裝滿液體的重量達到60t，加上罐體自重13t，總重高達73t，全部需要底盤來進行承受。因此，底盤的強度和剛度是酸化壓裂液罐正常使用的重要保證。由于底盤直接與地面接觸，只要地面強度足夠，罐體重量將直接傳遞到地面。因此，底盤自身不會發生撓曲變形，底盤主梁進行常規類比設計即可，設計選用250 mm 工字鋼作為主梁。如果全底盤材料均選用250 mm 型材，則所有拉筋在使用中均不存在撓曲變形，設計較為簡單方便。但全部采用250 mm 型材將使罐體自重較大，不利于搬遷和運輸。因此，除主梁和外側橫梁采用250 mm 工字鋼外，其余橫梁采用160 mm 和250 mm 槽鋼間隔布置，裙邊采用100mm 角鋼的設計。由于裙邊與罐壁瓦楞板焊接成一個整體，強度和剛度均不存在問題。因此，只需要對中間160 mm 橫梁進行校核即可，同時橫梁間距還直接影響罐體底板的撓曲變形。

初步設計中間7 道橫梁，間距1 230 mm，其中4 道為160 mm 槽鋼。用Pro/E 對橫梁和罐體底板進行校核，如圖2、圖3，從分析結果中得出，采用該結構形式，橫梁和底板上的最大變形為3.67 mm，橫梁和底板上的最大應力為146 MPa，滿足設計和使用要求，該結構設計合理。

為了保證將罐內殘液全部放凈，收液槽必須低于罐體底板。因此，將收液槽設計在底盤上。為了保證起吊可靠，方便現場操作，起吊裝置設計在底盤上。罐體底板造斜根據吸液管尺寸和現場實際使用經驗設計，采用前后罐體底板落差150 mm 造斜結構（圖4）。

圖2 橫梁和底板形變分析結果

圖3 橫梁和底板強度校核結果

圖4 底盤結構示意圖

3）瓦楞罐壁的設計［5-6］。罐體外形尺寸已經設定，只需要對罐壁結構形式進行設計。為了防止使用中罐壁變形，一般設計成平板內部加強筋的結構，該結構內部防腐困難，易形成缺陷。經過結構和工藝性對比，決定采用瓦楞罐壁結構，利用瓦楞作為加強筋，提高罐壁剛性。

由于酸化壓裂液罐使用環境惡劣，考慮安全、使用壽命和實際材料情況等因素，材料采用δ8 mm 的Q235B 鋼板壓制成瓦楞形狀，瓦楞間距800 mm。瓦楞設計成型后用Pro/E 進行強度和剛度驗算（圖5、圖6）。

從分析結果中得出，該結構尺寸瓦楞板上的最大變形為5.5 mm，最大應力為330 MPa，該應力出現在瓦楞尖角兩端應力集中處，瓦楞中間應力集中處最大不超過200 MPa，瓦楞板其它部位應力均在100 MPa 以下。在局部應力集中處會出現塑性強化，不會造成破壞。根據實踐經驗和理論數據綜合分析，該結構設計滿足實際使用要求，該結構設計合理（圖7）。

4）不銹鋼攪拌器的設計［2-4］。根據井下情況不同，酸化壓裂液中需要添加不同的化學物質，如表面活性劑、稠化劑等，由于不同化學物質的化學及物理性質差異大，相互間混合困難，只有通過強力的物理攪拌進行混合，才能滿足使用要求。因此，攪拌器在酸化壓裂液配置過程中作用不可替代。由于攪拌器攪拌軸長期浸泡在酸化壓裂液中，且與液體間形成高速流動，相同的材料腐蝕速度較相對流動速度慢的罐壁要快得多。因此，攪拌器的耐腐蝕要求比罐壁要高得多。同時由于酸化壓裂液中難溶物質大部分漂浮在液體表面，和鉆井液的情況完全相反，直接用泥漿攪拌器代替酸化壓裂液攪拌器不能完全達到酸化壓裂液的攪拌要求。因此，需要根據酸化壓裂液的攪拌特點設計新結構的攪拌器。為了滿足耐腐蝕的要求，新結構攪拌器的攪拌軸全部選用了1Cr18Ni12Mo3Ti 不銹鋼材料（由于供貨周期等原因，最后選用的不銹鋼材料是316L，相當于00Cr17Ni14Mo2）。然后對攪拌軸浸入液體部分進行玻璃鋼內襯防腐。

圖5 瓦楞板形變分析結果

圖6 瓦楞板強度校核結果

圖7 瓦楞罐體結構示意圖

為了提高液體表面的攪動效果，同時還要保證底部液體的攪拌效果，將攪拌葉輪的位置相對于泥漿攪拌器上移了200 mm（圖8）。

5）出液管線的設計。酸化壓裂液罐出液管線是將配置好的酸化壓裂液排出，以及將酸化壓裂液罐中殘液排凈的裝置。由于酸化壓裂液價格高、腐蝕性強、環境影響大，希望能盡量將罐中的液體全部泵入井內，減少對環境的影響。同時在清罐時能將罐中殘液全部放凈，減少對罐體的不必要腐蝕。因此，出液管線的管口應盡量低。

設計出液管線管口低于收液槽底板，利用泵吸罐內液體時，能將剩余液體控制在0.1 m3以下，大大提高了酸化壓裂液的利用率。清洗罐時能將罐內殘液全部放凈，滿足現場使用要求。由于出液管線長期浸泡在酸化壓裂液中，管線及附件腐蝕嚴重，如果在使用中出現腐蝕損壞而造成酸化壓裂液滲漏，將嚴重影響酸化壓裂作業的正常工作，還可能造成嚴重污染事故。因此，出液管線設計成了雙不銹鋼蝶閥控制的結構形式（圖9）。

圖8 不銹鋼攪拌器結構示意圖

圖9 出液管線結構示意圖

2 防腐研究

由于罐體要求耐鹽酸30%、氫氟酸5%，如果采用普通防腐措施，無法保證罐體壽命，同時也無法控制酸化壓裂液中的鐵離子濃度。因此，必須采用內襯玻璃鋼防腐工藝，以滿足酸化壓裂工藝的要求。

1）酸化壓裂中鐵離子對地層傷害［9-10］。

酸化壓裂液中鐵主要以二價鐵離子和三價鐵離子的形式存在。酸化壓裂液進入地層后酸液與地層發生反應，隨著時間的推移，酸化壓裂液的pH 值會逐步升高。隨著pH 值的逐步升高，酸化壓裂液中的鐵離子可以水化沉淀或與儲層內部物質反應產生沉淀。這些沉淀如果集聚在井眼附近，就會導致產量下降，影響酸化壓裂的效果。

引起堵塞的主要是三價鐵離子產生的沉淀，如鐵離子與儲層中的硫化氫反應可生成硫和氫氧化鐵沉淀：2Fe3++H2S→S↓+2Fe2++2H+；Fe3++3H2O→Fe（OH）3↓+3H+。

此外，二價鐵離子與硫化氫反應也會生成沉淀：Fe2++H2S→FeS↓+2H+。

鐵化物以酸渣形式的膠體沉淀，既可堵塞儲層，又是一種乳化穩定劑，促使瀝青質、膠質堵塞儲層。從而在酸化壓裂過程中或酸化壓裂完成后產生新的儲層傷害。

2）玻璃鋼內襯防腐工藝研究［3，7，8］。

酸化壓裂液中鐵離子主要來源于酸化壓裂液對儲罐及其附件的腐蝕、酸化壓力液溶蝕作業管道鐵銹和地層中含鐵礦物所產生的鐵離子。由于酸化壓力液溶蝕作業管道鐵銹和地層中含鐵礦物所產生的鐵離子，對于確定的井來說物理方法是很難控制和改變的。而最容易控制的就是酸化壓裂液對儲罐及其附件的腐蝕產生的鐵離子。因此，對酸化壓裂液罐采用合理的防腐方案和防腐工藝，是控制酸化壓裂液中鐵離子濃度的有效方法。

隨著技術的發展，鋼制儲罐內襯玻璃鋼防腐技術達到比較高的水平：玻璃鋼內襯鋼制儲罐既具有鋼制儲罐剛性好，適用于頻繁搬遷和野外作業的要求，又具有良好的耐腐蝕性能的特點，特別適用于酸化壓裂液罐的使用要求。因此，決定對罐體與酸化壓裂液直接接觸部分和攪拌器攪拌軸進行內襯玻璃鋼防腐。

制定合適的內襯玻璃鋼防腐工藝是保證酸化壓裂液罐滿足使用要求的關鍵。經過反復研究和論證，與專業防腐公司多次的技術交流，決定采用以下內襯玻璃鋼防腐工藝：鋼材表面打磨除銹→涂底層樹脂→填料樹脂、玻纖布→填料樹脂、玻纖布→填料樹脂、玻纖布→填料樹脂、玻纖布→打磨檢修→涂一層凈樹脂。

罐體內襯玻璃鋼技術要求：a.采用8 層玻璃鋼防腐，即使用0.1 mm 玻纖布8 層或0.2 mm 玻纖布4 層。b.表面噴砂或拋丸除銹達到GB/T8923 標準規定的Sa2.5 級；或采用手工方法除銹，質量不低于GB/T8923 標準規定的St3 級。c.采用的填料樹脂必須滿足耐鹽酸31%、氫氟酸5%的要求。d.玻纖布采用無堿玻纖布，性能和規定符合JC/T281《無堿玻璃纖維無捻粗紗布》的規定。e.罐內轉角處用膩子刮成慢坡或做成圓弧，坡腳大于15 mm。f.玻纖布采用對接式連續鋪貼法制作，搭接寬度≥50 mm，轉角處搭接寬度≥150 mm。g.轉角處較其它地方增貼兩層玻纖布，搭接寬度≥150 mm。h.外觀色澤均勻，表面平整光滑，無其它雜物和外露玻纖布；無針孔、氣泡、起鼓、裂紋、脫層、發白等現象。

3 關鍵技術

在酸化壓裂液罐的設計和制作過程中，重點進行了以下幾方面的技術研究：1）造斜底盤的結構設計。方便罐體清洗；合理布置拉筋，在保證罐體底板合理剛度的條件下，減輕底盤的重量。2）收液槽和低排液管的設計。減少酸化壓裂液罐中液體殘留量，提高了酸化壓裂液的使用率，方便罐體的清洗。3）不銹鋼攪拌器的設計。提高攪拌器的耐腐蝕性能，增強了攪拌器對酸化壓裂液的攪拌效果。4）玻璃鋼內襯防腐的研究。解決酸化壓裂液中由于儲罐腐蝕造成的溶液中鐵離子濃度升高而造成地層傷害的問題。

4 現場應用

從2004 年開始試驗，前期制作5 個罐采用表面噴涂海洋漆進行防腐工藝，使用過程中發現防腐蝕性能無法達到設計要求，加上鐵離子析出，造成液體中鐵離子濃度升高，影響酸化壓裂效果。

2006 年根據現場要求進行論證，酸化壓裂液罐改用玻璃鋼內襯防腐工藝，一次制作20 個60 m3酸化壓裂液罐，嚴格按照防腐工藝進行施工和驗收，保證內襯玻璃鋼的附著力和表面防腐性能。并在吐哈油田井下塔里木分公司現場進行應用，防腐效果優良，滿足大型酸化壓裂對溶液的化學性能要求，提高罐體使用壽命。

20 個酸化壓裂液罐交付使用后，通過回訪調查，用戶對罐體防腐性能、清洗能力、保證壓裂液化學性能等方面非常滿意，為現場大型酸化壓裂提供了設備保障。平均每個罐內襯玻璃鋼壽命在3a 以上，由于罐體剛性好，抗變形能力強，間接提高了玻璃鋼內襯的使用壽命。酸化壓裂液罐中液體殘留量少于100L，大大提高了溶液的使用率，同時降低殘液的處理費用。罐體的清洗方便，一般只需要用清水進行直接沖洗就可以將罐內壁清洗干凈，人不用每次都進入罐內進行清洗，提高了安全性，降低清罐勞動強度，減少污水排放。

5 結 論

通過酸化壓裂液罐的研制，滿足了修井作業現場大型酸化壓裂作業的需求，提高了酸化壓裂液罐的耐腐蝕性能，有效控制了酸化壓裂液在儲罐中的鐵離子濃度，降低了酸化壓裂后由于鐵質沉淀而造成的底層傷害風險。不銹鋼攪拌器的設計，提高了攪拌軸的耐腐蝕性能，使不銹鋼攪拌器更加適用于對酸化壓裂液的攪拌，提高了攪拌效果。造斜底盤、雙不銹鋼蝶閥出液管線和收液槽的組合設計，提高了系統的安全性和酸化壓裂液的利用率，使酸化壓裂液罐的現場清理更加方便快捷。玻璃鋼內襯防腐的選擇和內襯玻璃鋼防腐技術及工藝研究，提高了工程罐整體防腐水平，有效解決了酸化壓裂液罐的腐蝕問題。

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