高温泥浆降温措施及冷却降温系统调研与分析
发布网友
发布时间：2022-04-30 17:45
共1个回答
热心网友
时间：2022-06-28 15:30
在中高温地热井和深部钻井（又称HT/HP 钻井）中，井底温度高，返回地面的泥浆温度也将大幅度提高。如*羊八井地热井，泥浆出孔温度达到沸腾状态，莫深1井泥浆出孔时温度也比较高。当地面泥浆温度大于75℃ 时，不但会烫伤钻井平台操作人员，同时井场会被雾气笼罩，将影响施工作业，带来严重的安全隐患。所以必须对返回地面的钻井泥浆进行及时的冷却处理，保证泥浆再次入孔具有较低的温度。
8.4.1 HT/HP钻井中泥浆冷却技术现状
目前，在HT/HP钻井中，对高温泥浆的冷却处理一般采取的措施有如下几种：
1）自然蒸发冷却。由于井内泥浆返回地面的温度高于环境温度，泥浆沿泥浆槽流动时会冷却而自然降温，利用该现象，通过加长泥浆槽的长度，延长泥浆循环路线的措施，可以在一定程度上达到冷却泥浆的目的。这种方法一般应用在钻井泥浆流量不大、返回泥浆温度不高（低于55℃），进出井温差不大（小于5℃）的情况下。
2）低温固体传导冷却。向泥浆池中投放低温固体，比如冰块，冰块主要通过热传导方式来冷却泥浆，这种方法一般用于水基泥浆的冷却，在返回地面泥浆温度不高、进出井温差不大的情况下采用。
3）泥浆冷却装置强制冷却。当返回泥浆温度较高，进出井温差过大时，需采用泥浆冷却装置强制冷却。
8.4.1.1 国外技术现状
日本在地热田钻井中，通常采用的冷却装置有两种：一种是采用大功率风扇，安装在振动筛旁；另一种是使用泥浆冷却塔，一般竖立在泥浆池中。冷却塔与风扇冷却泥浆的基本原理都是利用空气和泥浆直接接触，通过蒸发作用带走泥浆中的热量，冷却介质为空气，受大气温度的影响很大。美国、荷兰及新加坡等一些公司设计的泥浆冷却系统在地热和油气钻井中也得到了广泛的应用，表8.8列举了几个比较典型的钻井泥浆冷却系统。
表8.8 典型高温钻井泥浆冷去系统
几个典型钻井泥浆冷却系统的基本原理如下。
1）泥浆从泥浆池或泥浆箱中由泥浆泵抽吸进板式换热器，与冷却剂进行换热，冷却剂为冷水或海水，如马来西亚的COE Limited公司和新加坡的Lynsk公司研发的钻井泥浆冷却系统（图8.22）。
图8.22 Lynsk公司和COE Limited公司钻井泥浆冷却系统原理图
2）泥浆从泥浆池或泥浆箱中泵进喷淋式换热器，冷水（或海水）直接喷射泥浆管束，风扇不断鼓入空气，气水混合加强泥浆的冷却效果，如美国Drillcool Inc.研制的泥浆冷却系统（图8.23）。
3）泥浆冷却系统采用2个板式换热器，泥浆在主换热器中，通过与乙二醇/水溶液换热冷却，乙二醇/水溶液吸收泥浆热量后，返回第二个换热器中，将热量传递给海水，如荷兰Task Environmental Services研发的海用钻井泥浆冷却系统。
4）泥浆从泥浆池或泥浆箱中泵进板式换热器，通过乙二醇/水溶液换热，乙二醇/水溶液吸收泥浆热量后，进入散热器风冷。如荷兰Task Environmental Services公司研发的陆用钻井泥浆冷却系统。
图8.23 美国Drillcool公司钻井泥浆冷却原理图
8.4.1.2 国内技术现状
在我国HT/HP钻井中，如羊八井热田地热钻井中，在30～40m深处温度就可超过140～160℃，进出井泥浆温度差可达5～20℃，且热流量也高，数百米深的井泥浆带出的热量可达100万大卡/h，加长泥浆循环槽，一般只能降温1～2℃，因此，采用专用泥浆散热设备，在散热量为100万大卡/h以上，经散热器泥浆温度可降低10～20℃，在散热器出口处泥浆温度达到60～70℃。
1）*羊八井ZK-2井，泥浆出口温度达到沸腾状态（当地水的沸点小于90℃），施工现场采取的技术措施是：在泥浆罐中排布冷水管，通过水循环冷却泥浆。可能由于排管较少，泥浆温度只降低8～9℃，水资源浪费很大。
2）高杭等（2007）提出了一种适合于HT/HP钻井中高温泥浆冷却的设计概念，基本原理（图8.24）是：泥浆冷却系统主要由2个板式热交换器、冷却器管线、强迫风冷（或水冷）总成组成，这种泥浆冷却系统的特点是2个板式热交换器设计在泥浆罐两侧，冷却介质与泥浆换热后，返回至强迫风冷（或水冷）总成通过风冷（或水冷）实现冷却介质的冷却。
图8.24 钻井泥浆冷却系统原理图
3）吉林大学赵江鹏等人研究的新型钻井泥浆冷却系统，该钻井泥浆冷却系统能够实现钻井泥浆的快速冷却。钻井泥浆冷却系统的工作原理见图8.25。
图8.25 钻井泥浆冷却系统原理图
使用钻井泥浆冷却系统时，主要工作流程如下。
制冷载冷剂。打开阀（3）、（6），启动制冷机组（1）和制冷机组泵（2），通过制冷机组（1）将载冷剂箱（4）中载冷剂制冷至-15℃（具体温度数值根据实际情况而定）。
冷却泥浆。打开阀（5）、（8），启动泥浆输送泵（15）和载冷剂箱泵（9），载冷剂与泥浆在同轴泥浆对流换热器（12）中逆流换热，将泥浆快速冷却，从而将泥浆池（17）中泥浆温度迅速降低，并维持在低温范围内。同时，实时监测系统几个关键点（7）、（10）、（11）、（13）、（14）、（16）、（19）、（20）处温度，根据检测的温度情况可及时调整系统相关的参数，以保证系统正常运行。
钻井泥浆冷却系统主要由载冷剂制冷部分、泥浆冷却部分和温度监测部分组成，见图8.26。
图8.26 钻井泥浆冷却系统组成
其中，载冷剂制冷部分主要由制冷机组、制冷机组泵和载冷剂箱等组成；泥浆冷却部分主要由载冷剂箱泵、同轴泥浆对流换热器和泥浆输送泵等组成；温度检测部分主要由巡检仪和温度传感器组成。
8.4.2 冷却设备各部分结构理论设计计算
（1）泥浆冷却设备所需的有效功率
科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（中册）
式中：ρ1为泥浆的密度；G1为泥浆的流量；C1为泥浆的比热；t1′为泥浆制冷前的温度；t1″为泥浆制冷后的温度。
鉴于中间热交换效率和高原等地区气候条件所造成的不可避免的热损失，应该选用较大功率的制冷机组。
（2）热换器的选择及设计计算
由于在钻井过程中，被冷却介质泥浆属于不洁净的物质，所选热换设备应属于不易于结垢或者易于清洗除垢，冷却器采用套管式换热器，内管内流动被冷却介质，管间环隙流动冷却介质，采用法兰连接形式，方便清垢，全程采用逆流换热。
出口温度计算：根据热平衡方程，Q1=Q2，其中Q1为泥浆制冷释放的热量，Q2为制冷剂制冷泥浆所需要的制冷量。
科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（中册）
式中：G2为制冷剂流量；C2为制冷剂的比热；ρ2为制冷剂的密度；t2′为制冷剂进口温度。
根据式（8.12）、（8.13）可以计算出冷却剂出口温度t2″。
8.4.3 冷却技术分析与总结
对三种冷却方式加以分析，可以发现：自然蒸发冷却与低温固体传导冷却均适用于钻井泥浆流量不大、返回泥浆温度不太高（低于55℃），进出井温差不大（小于5℃）的情况下。而超深井科学钻探，钻井液出孔温度会比较高，出入孔温差可能会相差几十度，在此情况下上述两种冷却方式只能是辅助作用，主要还要靠制冷器强制制冷。目前制冷器强制制冷有两种方式，一是采用热交换方式，如采用喷淋器、板式热交换，将采用大量的冷却水，如果现场位于水资源丰富的地方，可采用此种方式。但我们认为，最好采用制冷剂强制制冷，可以设计制作低温冷冻房等，目前吉林大学已制作了超低温实验室，可以作为借鉴。
