淺談鉆井液冷卻技術(shù)現(xiàn)狀與前景

李秋萍 張建軍 梁帥 趙小葵 單代維

1. 西南油氣田重慶氣礦工藝研究所 重慶 400000 2.四川宏華石油設(shè)備有限公司 四川 廣漢 618300 3.川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司 重慶 400000

隨著能源需求的增加和石油鉆井技術(shù)發(fā)展，深井、超深井、高溫高壓井已成為鉆井工業(yè)發(fā)展的重要方向；在深井、超深井鉆井過程中，每100m地溫梯度為3℃左右，以6000～7000m井深為例，井底溫度可達(dá)180～210℃或更高，而當(dāng)井深超過10000m時(shí)，井底溫度在300℃以上[1]。地層溫度升高會(huì)使鉆井液出現(xiàn)高溫降解、高溫交聯(lián)、高溫解吸附等現(xiàn)象[2]，如果不及時(shí)冷卻，將嚴(yán)重影響鉆井液性能和井下工具使用壽命，甚至造成井內(nèi)事故，威脅鉆井作業(yè)安全和人員安全。

目前，鉆井液冷卻設(shè)備一般設(shè)置在鉆井液凈化處理（篩分、除氣、除砂、除泥）之后，即鉆井液凈化設(shè)備需要處理剛從井口返出的高溫鉆井液，高溫鉆井液會(huì)對(duì)鉆井液凈化設(shè)備的使用壽命產(chǎn)生不利影響，還會(huì)對(duì)操作人員造成安全威脅；因此，需要一種設(shè)置在鉆井液凈化設(shè)備之前的冷卻系統(tǒng)，使鉆井液在進(jìn)入凈化處理設(shè)備之前就被冷卻至安全溫度，以保障凈化設(shè)備的使用壽命和操作人員的作業(yè)安全。

1 鉆井液冷卻解決方案

1.1 鉆井液冷卻技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前鉆井過程中對(duì)鉆井液的冷卻一般采用自然冷卻、低溫介質(zhì)混合冷卻、冷卻裝置冷卻等方式[3]。

1.2 自然冷卻

從井口返回的鉆井液經(jīng)開式井口溢流管、分流箱等進(jìn)行振動(dòng)篩、鉆井液篩分時(shí)與空氣進(jìn)行熱交換而自然冷卻降溫，鉆井液存儲(chǔ)在鉆井罐中時(shí)也可以自然冷卻，這種冷卻方式受環(huán)境氣候條件影響大，一般應(yīng)用于鉆井液處理量不大，溫度不高的情況。

1.3 低溫介質(zhì)混合冷卻

當(dāng)鉆井液溫度過高時(shí)向鉆井液罐內(nèi)投入低溫固體或液體，通過攪拌混合來降低鉆井液的溫度；由于經(jīng)濟(jì)性原因一般應(yīng)用于低溫水源充足的水基鉆井液。

1.4 冷卻裝置冷卻

從井口返回的鉆井液溫度太高，采用前面二種方式冷卻不適合時(shí)，可以采用冷卻裝置強(qiáng)制冷卻，冷卻裝置常采用風(fēng)冷、噴淋、交互式熱交換。

風(fēng)冷是振動(dòng)篩旁邊安裝大功率的風(fēng)扇，在振動(dòng)篩篩分時(shí)通過風(fēng)力帶走熱量從而進(jìn)行冷卻降溫。

噴淋是將致冷劑或冷卻水直接噴淋在鉆井液管上，使致冷劑或冷卻水帶走熱量從而使鉆井液冷卻降溫。

交互式熱交換是采用熱交換器進(jìn)行熱交換，將高溫鉆井液與致冷劑或冷卻水在熱交換器內(nèi)進(jìn)行熱交換，從而實(shí)現(xiàn)鉆井液冷卻。

2 鉆井液冷卻解決方案

針對(duì)現(xiàn)有鉆井液冷卻設(shè)備設(shè)置在鉆井液凈化處理設(shè)備之后，無法解決高溫鉆井液對(duì)凈化設(shè)備使用壽命和操作人員作業(yè)安全產(chǎn)生不利影響的技術(shù)缺陷，在鉆井液凈化處理設(shè)備前端，通過四級(jí)冷卻達(dá)到快速冷卻鉆井液的效果，使鉆井液在進(jìn)入凈化處理設(shè)備之前就被冷卻至安全溫度；這樣能夠延長(zhǎng)凈化設(shè)備的使用壽命，提高操作人員的作業(yè)安全。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，提供了以下技術(shù)方案：

案一：

如圖1所示，鉆井液冷卻系統(tǒng)，包括連接井口7的井口溢流管1、連接井口溢流管1的分流箱2、連接分流箱2的振動(dòng)篩3和連接振動(dòng)篩3的泥漿罐4，井口溢流管1和分流箱2的外壁套均設(shè)有換熱隔層11，振動(dòng)篩側(cè)配套有風(fēng)機(jī)31，泥漿罐4連接有冷卻裝置5；換熱隔層11用于冷卻井口溢流管1和分流箱2中的鉆井液，風(fēng)機(jī)31用于冷卻振動(dòng)篩3中的鉆井液，冷卻裝置5用于冷卻泥漿罐4中的鉆井液以及用于向換熱隔層11中循環(huán)注入冷卻液51。

圖1 圖1鉆井液冷卻解決方案一

圖2 鉆井液冷卻解決方案二

圖3 鉆井液冷卻解決方案二

泥漿罐4配套有閥門三41，閥門三41用于調(diào)節(jié)從冷卻裝置5流向泥漿罐4的鉆井液流量。

分流箱2的底部連接有輔助冷卻管21，輔助冷卻管21的另一端連接冷卻裝置5，其用于將冷卻后的鉆井液注入分流箱2，以降低分流箱2中的鉆井液溫度；輔助冷卻管路21配套有閥門四22，閥門四22用于調(diào)節(jié)從冷卻裝置5流向分流箱2的鉆井液流量。

實(shí)現(xiàn)四級(jí)冷卻，一級(jí)冷卻：井口溢流管1外壁套設(shè)的換熱隔層11通過換熱原理帶走井口溢流管1內(nèi)高溫鉆井液的熱量，實(shí)現(xiàn)一級(jí)冷卻；二級(jí)冷卻：分流箱2外壁套設(shè)的換熱隔層11通過換熱原理帶走分流箱2內(nèi)高溫鉆井液的熱量，實(shí)現(xiàn)二級(jí)冷卻；三級(jí)冷卻：使用風(fēng)機(jī)31對(duì)振動(dòng)篩3的篩面吹風(fēng)，帶走篩面上高溫鉆井液的熱量，實(shí)現(xiàn)三級(jí)冷卻；四級(jí)冷卻：冷卻裝置5帶走泥漿罐4中鉆井液的熱量，實(shí)現(xiàn)四級(jí)冷卻。

方案二：

從井口返回的鉆井液經(jīng)過井口喇叭口1流入井口溢流管2，通過溫度傳感器18檢測(cè)鉆井液的溫度，當(dāng)鉆井液的溫度超過預(yù)設(shè)溫度時(shí)，開啟冷卻混合器14，打開閥門三16和泵三17，使冷卻單元的低溫鉆井液通過管線三進(jìn)入冷卻混合器14，低溫鉆井液從低溫鉆井液接口進(jìn)入內(nèi)套一、內(nèi)套二和外套內(nèi)壁形成的環(huán)形空間內(nèi)，使得低溫鉆井液呈噴射狀與高溫鉆井液混合，從而有效降低高溫鉆井液的溫度，降溫并混合后的鉆井液通過井口喇叭口進(jìn)入井口溢流管，流過流量傳感器時(shí)進(jìn)行鉆井液流量的檢測(cè)，通過調(diào)整低溫鉆井液的流量來控制進(jìn)入分流箱的總體鉆井液流量，降溫并混合后的鉆井液從井口溢流管2進(jìn)入分流箱3，之后進(jìn)入凈化設(shè)備進(jìn)行凈化，通過散熱風(fēng)機(jī)，對(duì)振動(dòng)篩篩面的鉆井液進(jìn)行吹風(fēng)降溫處理，進(jìn)行二次降溫，使鉆井液溫度進(jìn)一步降低，凈化后的鉆井液進(jìn)入鉆井液罐6，從鉆井液罐6進(jìn)入冷卻單位7，進(jìn)行三次降溫，進(jìn)入冷卻單元的鉆井液通過和冷卻介質(zhì)進(jìn)行熱交換以達(dá)到降溫冷卻的效果。

3 結(jié)束語

地層溫度升高會(huì)使鉆井液出現(xiàn)高溫降解、高溫交聯(lián)、高溫解吸附等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響鉆井液性能和井下工具使用壽命，甚至造成井內(nèi)事故，威脅鉆井作業(yè)安全和人員安全，在鉆井作業(yè)中及時(shí)將鉆井液冷卻至適合的溫度是非常必要的。

鉆井液冷卻在國(guó)內(nèi)主要運(yùn)用在凈化完成后泥漿泵泵入井底前，在凈化設(shè)備前進(jìn)行冷卻的研究很少，為了提高操作人員的作業(yè)安全性，建議盡快進(jìn)行此類研究。