CN107435525B - 一种热管式磁制冷钻井冲洗液地下冷却钻具 - Google Patents
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Abstract
一种用于极地冰心、陆地冻土区天然气水合物、海洋天然气水合物、海洋石油钻探、深部大陆钻探的热管式磁制冷地下冲洗液冷却钻具，是由电池舱、磁制冷设备、导流通道、热管换热设备和钻头组成。冲洗液通过电池舱的环状通道流道和磁制冷区域中间液流通道到达下部线圈下方的导流通道，位于电池舱的底部的电池，通过快插式接头与脉冲发生器连接，产生脉冲电流，从而产生电磁场；电池舱的下方是磁制冷区域，由脉冲发生器、上下部线圈、导线、壳体、顺磁性盐储腔、防水隔离层和顺磁性盐类组成；热管式换热器由直热管和螺旋式热管组成，直热管直接插到顺磁性盐储腔内，螺旋式热管将取芯筒缠绕，实现制冷，取芯筒的下方连接钻头。
Description
技术领域
本发明涉及钻井冲洗液冷却领域，特别涉及一种用于极地冰心、陆地冻土区天然气水合物、海洋天然气水合物、海洋石油钻探、深部大陆钻探的热管式磁制冷地下冲洗液冷却钻具。
背景技术
海洋天然气水合物勘探与陆域天然气水合物勘探的取样工作需要对钻孔冲洗液低温制冷，来获得保真的天然气水合物岩心样品；深部石油勘探、大陆科学钻探等钻进深度高、地温梯度大，离不开钻孔冲洗液对钻头的冷却作用。常规的制冷措施是在地表对冲洗液进行低温制冷，但是在地表制冷随着钻进深度的增加，钻孔冲洗液的用量也会增加，随之产生的制冷所消耗的能量也在增加，由于低温钻孔冲洗液在高温低层容易引起地应力分布不均匀导致发生孔内事故，因此采用井下小范围制冷与全控制冷相比，不仅可以节约能源，还可以减少进内事故发生的概率。固体磁性物质（磁性离子构成的系统）在受磁场作用磁化时，系统的磁有序度加强（磁熵减小），对外放出热量；再将其去磁，则磁有序度下降（磁熵增大），又要从外界吸收热量。这种磁性离子系统在磁场施加与除去过程中所出现的热现象称为磁热效应。如果把这样两个绝热去磁引起的吸热过程和绝热磁化引起的放热过程用一个循环连接起来，通过外加磁场，有意识地控制磁惰，就可使得磁性材料不断地从一端吸热而在另一端放热，从而达到制冷的目的。
发明内容
针对大陆与海洋深部钻井地温梯度大、天然气水合物与冰心取样易分解的问题，根据顺磁性材料在交变磁场里吸放热的性质，设计出一种工艺简单、节约能源、节省材料的一种热管式磁制冷地下冲洗液冷却钻具。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于极地冰心、陆地冻土区天然气水合物、海洋天然气水合物、海洋石油钻探、深部大陆钻探的热管式磁制冷地下冲洗液冷却钻具，主要由电池舱、磁制冷设备、导流通道、热管换热设备和钻头组成；其中电池舱设计为环型柱状中空结构，冲洗液通过电池舱的环状通道流道，上部为内螺纹接头，可以与钻杆连接，电池舱内安装有电池，电池的正负极位于电池舱的底部，通过快插式接头与脉冲发生器连接，实现脉冲电流的输出，脉冲电流并不是常规的矩形或简谐波式电流而是通、断式电流，这样就会产生交替存在的电磁场；电池舱的下方是磁制冷区域，由脉冲发生器、上下部线圈、导线、壳体、顺磁性盐储腔、防水隔离层和顺磁性盐类组成，脉冲发生器是连接电池舱与磁制冷区域上部线圈的枢纽，可以将电池输出的直流电流输出为脉冲电流传递给上部线圈，上部线圈与下部线圈均缠绕在线圈轴上，外部由防水密封舱保护，上部线圈和下部线圈通过一根穿过顺磁性盐储腔壳体的金属导体连接，上部线圈与下部线圈的中部设计为顺磁性盐储腔，这样上下部线圈产生的交变磁场可以把顺磁性盐储腔包覆其中，顺磁性盐类填充在顺磁性盐储腔内；磁制冷区域也设计为环型柱状结构，冲洗液通过中间液流通道到达下部线圈下方的导流通道，导流通道将冲洗液分为四个出口输出，进入热管式换热槽内，实现与热管式换热器的换热；热管式换热器由直热管和螺旋式热管组成，直热管直接插到顺磁性盐储腔，螺旋式热管将取芯筒环环缠绕，实现有效制冷，取芯筒的下方连接钻头；
顺磁性盐类填充在磁制冷装置顺磁性盐储腔内，受磁场作用磁化时，系统的磁有序度加强（磁熵减小），对外放出热量；再将其去磁，则磁有序度下降（磁熵增大），又要从外界吸收热量，通过合理设计导线的绕线方式与匝数，使得在正常钻进时，产生的电磁场的方向始终由下部线圈指向上部线圈，采用反循环方式循环钻井冲洗液，这样脉冲发生器输出的脉冲电流，经过多级线圈就会产生交替存在的电磁场，根据脉冲的频率，电磁场交替也会采用相同频率，顺磁性盐类的吸放热也会是相同频率。冲洗液在上部吸收热量返回地表泥浆池；当岩心充满岩心管之后通过卡簧卡断岩心，提钻取心即可；
顺磁性盐类主要有：铁铵矾[NH4Fe(SO4)2•12H2O]、铬钾矾[KCr(SO4)2•12H2O]、硝酸饰镁[Ce2Mg3(NO3)12•14H2O]等。氟利昂主要采用：CH3Cl、CH2F2、CHF3；
热管式换热装置的换热槽设计为凹形，直热管直接插入凹形区域，换热槽与直热管外部的钻孔冲洗液通道保留较长缓冲通道，导流通道设计为厚壁柱状，避免高压流体射入损坏击穿换热槽；冲洗液流入凹形换热槽的水口减小，这样有利于形成湍流，强化换热过程，此外换热槽内冲洗液的出口要适当加大避免对导流区域造成冲击，损坏部件；
热管式换热器选用氟利昂作为循环介质，氟利昂在钻具底部吸收由于钻头切削岩石而产生的热量，之后升华，沿螺旋式热管上升至直热管，由于钻孔冲洗液在导流通道受到较强的来自顺磁性盐类的制冷作用，温度极低，会把氟利昂再次冷却，返回底部螺旋式热管内。
本发明的工作原理和过程：
在地面完成电池舱的更换工作之后，将钻具移动至井口并下入暂停，启动钻井冲洗液循环系统，使得钻井液采用反循环方式流通，待钻具下放至井底正常钻井以后，钻孔冲洗液经过钻头进入取芯筒，在取心筒内与螺旋式热管换热器完成换热。螺旋式热管内的循环介质吸热升华，使得取芯筒可以保持在低温范围内，可以有效保存冰心、天然气水合物取样岩心等。当冲洗液流出取芯筒以后，经过换热槽冲洗液入口进入换热槽，对直热管进行制冷，吸收直热管内循环介质的热量，经过换热槽冲洗液进入导流通道，再进入磁制冷顺磁性盐类储腔的循环通道，由于磁场是交替存在的，所以磁场存在的时候顺磁性盐类会沿磁场方向放出其本身储存的热量，在磁场的末端即上部线圈处被冲洗液携带至地表，而磁场不存在时，由于直热管插入在顺磁性盐储腔内，顺磁性盐类吸收热量，使得热管内的循环介质冷凝，沿直热管降落至螺旋式热管，顺磁性盐类也会吸收来自钻孔冲洗液的热量。这样持续地吸放热过程根据脉冲发生器输出脉冲电流的频率，实现电磁场的交替，进而实现整个吸放热的连续过程。
本发明的有益效果：
该用于海洋天然气水合物、海洋石油钻探、深部大陆钻探、极地冰心与陆地冻土区天然气水合物钻探的热管式磁制冷地下冲洗液冷却钻具，不仅可以作用在以液体为循环介质的钻孔冲洗介质中，还可以作用在以气体为钻孔循环介质的环境下，取心钻进时地效果突出，无污染，针对天然气水合物与冰心的赋存条件，对冰心与天然气水合物的的原生状态扰动小。
附图说明
图1为本发明的的整体结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供了一种热管式磁制冷钻井冲洗液地下冷却钻具, 主要由电池舱2、磁制冷设备10、导流通道15、热管换热设备17和钻头22组成。其中电池舱2设计为环型柱状中空结构，冲洗液通过电池舱2的环状通道流道，上部为内螺纹接头1，可以与钻杆连接，电池舱2内安装有电池3，电池3的正负极位于电池舱的底部，通过快插式接头5与脉冲发生器4连接，实现脉冲电流的输出，脉冲电流并不是常规的矩形或简谐波式电流而是通、断式电流，这样就会产生交替存在的电磁场；电池舱2的下方是磁制冷区域，由脉冲发生器4、上部线圈7、下部线圈13、导线9、壳体10、顺磁性盐储腔11、防水隔离层8和顺磁性盐类12组成，脉冲发生器4是连接电池舱2与磁制冷区域上部线圈7的枢纽，可以将电池3输出的直流电流输出为脉冲电流传递给上部线圈7，上部线圈7与下部线圈13均缠绕在线圈轴6上，外部由防水密封舱14保护，上部线圈7和下部线圈13通过一根穿过顺磁性盐储腔壳体10的金属导体9连接，上部线圈7与下部线圈13的中部设计为顺磁性盐储腔11，这样上部线圈7、下部线圈13产生的交变磁场可以把顺磁性盐储腔11包覆其中，顺磁性盐类12填充在顺磁性盐储腔内11；磁制冷区域也设计为环型柱状结构，冲洗液由下部线圈13下方的导流通道15流入顺磁性盐储腔11的环状通道；热管式换热器由直热管16和螺旋式热管17组成，直热管16直接插到顺磁性盐储腔11内，螺旋式热管17将取芯筒18环环缠绕，实现有效制冷，取芯筒18的下方连接钻头19；
金属导体9的外部设有绝缘层；电池舱2与顺磁性盐储腔壳体10的连接方式为快插锁紧式，在将钻具下入进内之前完成电池舱2的更换工作，为了具有良好的防水性能和可重复使用能力，电池3采用可充电式锂电池，充电接口与电池舱2输出电流接口一致，此外电池2与电池舱3设计为不可拆分结构，避免非专业人员拆卸电池3对钻具造成损坏，也避免电池舱多次拆装造成进水事故影响使用；
顺磁性盐类主要有：铁铵矾[NH4Fe(SO4)2•12H2O]、铬钾矾[KCr(SO4)2•12H2O]、硝酸饰镁[Ce2Mg3(NO3)12•14H2O]等；
在使用该钻具时，一定要边循环钻井冲洗液，边将钻具下入井内，防止顺磁性盐类12吸收热量导致壳体应力分布不均，突然通入常温钻井液而出现裂纹，此外长时间空载使用顺磁性盐储腔11中部的环形液流通道温度低，井内存在液体，如果不流动会导致冻结，影响流通效果。顺磁性盐储腔11上下部的线圈均被密封在线圈防水密封舱14内。
本发明的工作原理和过程：
请参阅图1所示，在地面完成电池舱2的更换工作之后，将钻具移动至井口并下入1m暂停，启动钻井冲洗液循环系统，使得钻井液采用反循环方式流通，待钻具下放至井底正常钻井以后，钻孔冲洗液经过钻头19进入取芯筒18，在取心筒18内与螺旋式热管换热器17完成换热。螺旋式热管17内的循环介质吸热升华，使得取芯筒18可以保持在低温范围内，可以有效保存冰心、天然气水合物取样岩心等。当冲洗液流出取芯筒18以后，经过换热槽冲洗液入口进入换热槽，对直热管16进行制冷，吸收直热管16内循环介质的热量，经过换热槽冲洗液进入导流通道15，再进入磁制冷顺磁性盐类储腔11的循环通道，由于磁场是交替存在的，所以磁场存在的时候顺磁性盐类12会沿磁场方向放出其本身储存的热量，在磁场的末端即上部线圈7处被冲洗液携带至地表，而磁场不存在时，由于直热管16插入在顺磁性盐储腔11内，顺磁性盐类吸收热量，使得热管内的循环介质冷凝，沿直热管16降落至螺旋式热管17，顺磁性盐类12也会吸收来自钻孔冲洗液的热量。这样持续地吸放热过程根据脉冲发生器4输出脉冲电流的频率，实现电磁场的交替，进而实现整个吸放热的连续过程。
Claims (1)
1.一种热管式磁制冷钻井冲洗液地下冷却钻具，其特征在于：是由电池舱（2）、磁制冷设备（10）、导流通道（15）、热管换热设备（17）和钻头（19）组成，电池舱（2）上部为内螺纹接头（1），电池舱（2）内安装有电池（3），通过快插式接头（5）与脉冲发生器（4）连接，实现脉冲电流的输出；电池舱（2）的下方是磁制冷区域，由脉冲发生器（4）、上部线圈（7）、下部线圈（13）、导线（9）、顺磁性盐储腔壳体、顺磁性盐储腔（11）、防水隔离层（8）和顺磁性盐类（12）组成，脉冲发生器（4）是连接电池舱（2）与磁制冷区域上部线圈（7）的枢纽，上部线圈（7）与下部线圈（13）均缠绕在线圈轴（6）上，外部由防水密封舱（14）保护，上部线圈（7）和下部线圈（13）通过一根穿过顺磁性盐储腔壳体的导线（9）连接，上部线圈（7）与下部线圈（13）的中部设计为顺磁性盐储腔（11），顺磁性盐类（12）填充在顺磁性盐储腔（11）内；磁制冷区域也设计为环型柱状结构，冲洗液由下部线圈（13）下方的导流通道（15）流入顺磁性盐储腔（11）的环状通道；热管式换热器下方是取芯筒（18），取芯筒（18）的下方连接钻头（19）；
电池舱（2）设计为环型柱状中空结构，冲洗液通过电池舱（2）的环状通道流通；
脉冲发生器（4）可以将电池（3）输出的直流电流输出为脉冲电流传递给上部线圈（7），脉冲电流并不是常规的矩形或简谐波式电流而是通、断式电流，这样就会产生交替存在的电磁场；上部线圈（7）、下部线圈（13）产生的交变磁场可以把顺磁性盐储腔（11）包覆其中；
金属导体（9）的外部设有绝缘层，电池舱（2）与顺磁性盐储腔壳体的连接方式为快插锁紧式，电池（3）采用可充电式锂电池，充电接口与电池舱（2）输出电流接口一致，此外电池与电池舱（2）设计为不可拆分结构；
热管换热设备（17）的换热槽设计为凹形，直热管（16）直接插入顺磁性盐储腔（11）；
在地面完成电池舱（2）的更换工作之后，将钻具移动至井口并下入1m暂停，启动钻井冲洗液循环系统，使得钻井液采用反循环方式流通，待钻具下放至井底正常钻井以后，钻孔冲洗液经过钻头（19）进入取芯筒（18），在取芯筒（18）内与热管换热设备（17）完成换热，热管换热设备（17）内的循环介质吸热升华，使得取芯筒（18）能保持在低温范围内，能有效保存冰心、天然气水合物取样岩心，当冲洗液流出取芯筒（18）以后，经过换热槽冲洗液入口进入换热槽，对直热管（16）进行制冷，吸收直热管（16）内循环介质的热量，经过换热槽冲洗液进入导流通道（15），再进入磁制冷顺磁性盐类储腔（11）的循环通道，由于磁场是交替存在的，所以磁场存在的时候顺磁性盐类（12）会沿磁场方向放出其本身储存的热量，在磁场的末端即上部线圈（7）处被冲洗液携带至地表，而磁场不存在时，由于直热管（16）插入在顺磁性盐储腔（11）内，顺磁性盐类吸收热量，使得热管内的循环介质冷凝，沿直热管（16）降落至热管换热设备（17），顺磁性盐类（12）也会吸收来自钻孔冲洗液的热量，这样持续地吸放热过程根据脉冲发生器（4）输出脉冲电流的频率，实现电磁场的交替，进而实现整个吸放热的连续过程。
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