CN110284845A - 一种钻井液强制冷却装置及低温循环钻井方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钻井液强制冷却装置及低温循环钻井方法，一种钻井液强制冷却装置，包括载冷剂冷却系统和对流换热系统组成，载冷剂冷却系统与对流换热系统串联在装置中，一种钻井液强制冷却装置的低温循环钻井方法，采用了上述钻井液强制冷却装置将钻井液的入井温度控制在40℃～50℃之间，包括钻井液冷却循环和载冷剂冷却循环，本发明的钻井技术可解决井下超高温造成的钻井液循环温度超过井下工具的耐温极限的技术瓶颈，通过降低钻井液的入井温度，可有效降低钻井液循环温度，提高井下工具的工作寿命，是高温井安全、高效钻井的有效手段，也是钻井作业往更深发展的关键技术。本发明涉及的工艺与装备可独立运行，不会影响常规钻井作业。
Description
技术领域
本发明涉及勘探钻井领域，特别涉及一种钻井液强制冷却装置及低温循环钻井方法。
背景技术
随着能源需求的增加，深部地热资源(干热岩)与油气资源等的钻井工作量日益增加，高温钻井技术已成为钻井行业发展的制约因素。在地热钻井、超深井钻井过程中，地层温度随深度增加而升高，井底温度可达240℃～260℃或更高，地层温度升高将引起钻井液循环温度升高，循环温度可能达到180℃～200℃，钻井液中有机添加剂会逐渐降解、失效，同时还引起黏土钝化，造成钻井液性能恶化。高温不但影响钻井液性能，还影响井下工具(螺杆钻具、MWD、自动垂直钻进系统等)的使用寿命，钻井液、钻井机具的耐高温性能面临更为严峻的考验。此外，过高的泥浆温度会烫伤钻井平台操作人员，存在安全隐患。目前采用的技术措施是将耐高温材料应用于钻井液体系与钻具制造材料中，企图突破“高温”瓶颈，相应的研究难度、研发成本呈指数增加。
如图4所示，以干热岩、深部地热等典型高温井来说：在钻井过程中，地层温度随深度增加而升高，如L1所示，4000m处的井底温度可能达到250℃，根据前期施工经验，当井底温度达到250℃时，在常规模式下，钻井液从地表至井底的温度变化曲线如L2所示，地表入井温度约为80℃，钻井液自上而下过程中与环状间隙的钻井液进行热交换，到达井底的温度约为190℃，钻井液从井底沿环状间隙返至地表过程的温度变化如L3所示，返回地表的温度约为90℃，从钻井液循环温度曲线L2和L3可以看出，井下工具工作的最高温度要达到190℃，超过了一般井下工具耐温150℃的极限，造成井下工具无法工作或寿命极短的问题，所以急需一种钻井液强制冷却装置及低温循环钻井方法，从而降低钻井液的入井温度，将入井温度稳定在40℃～50℃，在低温循环模式下，钻井液从地表至井底的温度变化如L4所示，预测到达井底的温度约为140℃～150℃；钻井液从井底沿环状间隙返至地表过程的温度变化如L5所示，返回地表的温度约为60℃；从钻井液循环温度曲线L4和L5可以看出，井下工具工作的最高温度不超过150℃，没有超过井下工具的耐温极限，井下工具可正常安全高效工作，有效的解决了高温钻井技术难题。
发明内容
本发明的目的是要解决上述背景技术中所提出的问题，而提供一种钻井液强制冷却装置及低温循环钻井方法。
一种钻井液强制冷却装置，包括载冷剂冷却系统和对流换热系统组成，载冷剂冷却系统与对流换热系统串联在装置中；
所述载冷剂冷却系统包括冷却塔、冷水机组、载冷剂箱、控制反馈单元、冷却水循环泵和冷冻水循环泵，冷却塔通过冷却水循环泵与载冷剂箱相连通，冷水机组通过冷冻水循环泵与载冷剂箱相连通，控制反馈单元设置在载冷剂箱上；
所述对流换热系统包括换热器、钻井液罐、载冷剂循环泵、钻井液循环泵和钻井泵，换热器通过钻井液循环泵与钻井液罐相连通，换热器通过载冷剂循环泵与载冷剂箱相连通，钻井液罐通过钻井泵与井下相连通；
所述冷却塔采用逆流封闭式循环，运行过程中不需要补充冷却水，冷却水不与空气直接接触，冷却水出水温度25℃～30℃；
所述冷水机组选用风冷式冷水机组，采用空气作为冷媒，机组运行不受环境温度与水源条件的影响，冷冻水出水温度8℃～12℃；
所述换热器选用双头可拆式不锈钢螺旋板式换热器；
一种钻井液强制冷却装置的低温循环钻井方法，采用了上述钻井液强制冷却装置将钻井液的入井温度控制在40℃～50℃之间，包括钻井液冷却循环和载冷剂冷却循环两大步骤：
一、钻井液冷却循环
1)将钻井泵与钻杆内冷却管连接，构成冷却回路；
2)开启钻井液循环，使钻井液在钻机的冷却循环系统中循环开来；
3)开启钻机，钻机开始钻探，随着钻机的运行，钻井液温度升高，高温钻井液循环回，钻井液罐内，钻井液罐内的钻井液温度升高，当钻井液罐内的钻井液温度高于50℃时，控制反馈单元启动钻井液循环泵和载冷剂循环泵；
4)高温钻井液经钻井液循环泵泵出，进入换热器内，与载冷剂进行热交换，所用载冷剂为20％～30％的乙二醇水溶液，然后经热交换后的钻井液回到钻井液罐内，继续进入井下冷却循环；
5)载冷剂首先由载冷剂循环泵从载冷剂箱内泵出，载冷剂进入换热器内与钻井液进行热交换，然后回到载冷剂箱内；
6)当钻井液罐内的钻井液温度低于40℃时，控制反馈单元关闭钻井液循环泵与载冷剂循环泵；
二、载冷剂冷却循环
1)升温后的载冷剂从换热器回到载冷剂箱内；
2)控制反馈单元对外界温度、内部载冷剂的温度和钻井液温度进行监测，当载冷剂箱内的载冷剂温度高于40℃时，控制反馈单元启动冷却水循环泵，冷却水在冷却水循环泵的作用下由冷却塔进入载冷剂箱内，与载冷剂进行热交换，然后高温冷却水再回到冷却塔内进行降温，继续循环；
3)当控制反馈单元测得外界环境温度高于25℃时，单靠冷却塔的冷却水循环无法满足对载冷剂的冷却时，控制反馈单元启动冷冻水循环泵，冷水机组内的冷冻水在冷冻水循环泵的作用下进入载冷剂箱内与载冷剂进行热交换，对载冷剂进行二级降温，然后高温冷却水再回到冷水机组内进行降温，继续循环，这样就增强了对载冷剂的冷却效果；
4)当控制反馈单元测得载冷剂的温度低于30℃时，控制反馈单元关闭冷却水循环泵和冷冻水循环泵。
本发明的有益效果：
本发明的钻井技术可解决井下超高温造成的钻井液循环温度超过井下工具的耐温极限的技术瓶颈，通过降低钻井液的入井温度，可有效降低钻井液循环温度，提高井下工具的工作寿命，是高温井安全、高效钻井的有效手段，也是钻井作业往更深发展的关键技术。本发明涉及的工艺与装备可独立运行，不会影响常规钻井作业。
附图说明
图1是本发明钻井液强制冷却装置的系统组成与工作原理示意图；
图2是本发明螺旋板式换热器循环示意图；
图3是本发明螺旋板式换热器剖面示意图；
图4是本发明低温循环钻井与常规钻井模式下钻井液循环温度变化曲线。
1、载冷剂冷却系统，2、对流换热系统，11、冷却塔，12、冷水机组，13、载冷剂箱，14、控制反馈单元，111、冷却水循环泵，121、冷冻水循环泵，21、换热器，22、钻井液罐，211、载冷剂循环泵，221、钻井液循环泵，222、钻井泵，L1、地层温度随深度增加曲线，L2、钻井液从地表至井底的温度变化曲线，L3、钻井液从井底沿环状间隙返至地表过程的温度变化曲线，L4、低温循环模式下钻井液从地表至井底的温度变化曲线，L5、低温循环模式下钻井液从井底沿环状间隙返至地表过程的温度变化曲线，A1、钻井液入口，A2、钻井液出口，B1、载冷剂入口，B2、载冷剂出口。
具体实施方式
请参阅图1图2、和图3所示，一种钻井液强制冷却装置，包括载冷剂冷却系统1和对流换热系统2组成，载冷剂冷却系统1与对流换热系统2串联在装置中；
所述载冷剂冷却系统1包括冷却塔11、冷水机组12、载冷剂箱13、控制反馈单元14、冷却水循环泵111和冷冻水循环泵121，冷却塔11通过冷却水循环泵111与载冷剂箱13相连通，冷水机组12通过冷冻水循环泵121与载冷剂箱13相连通，控制反馈单元14设置在载冷剂箱13上；
所述对流换热系统2包括换热器21、钻井液罐22、载冷剂循环泵211、钻井液循环泵221和钻井泵222，换热器21通过钻井液循环泵221与钻井液罐22相连通，换热器21通过载冷剂循环泵211与载冷剂箱13相连通，钻井液罐22通过钻井泵222与井下相连通；
所述冷却塔11采用逆流封闭式循环，运行过程中不需要补充冷却水，冷却水不与空气直接接触，冷却水出水温度25℃～30℃；
所述冷水机组12选用风冷式冷水机组，采用空气作为冷媒，机组运行不受环境温度与水源条件的影响，冷冻水出水温度8℃～12℃；
所述换热器21选用双头可拆式不锈钢螺旋板式换热器；
一种钻井液强制冷却装置的低温循环钻井方法，采用了上述钻井液强制冷却装置将钻井液的入井温度控制在40℃～50℃之间，包括钻井液冷却循环和载冷剂冷却循环两大步骤：
一、钻井液冷却循环
1)将钻井泵222与钻杆内冷却管连接，构成冷却回路；
2)开启钻井液循环，使钻井液在钻机的冷却循环系统中循环开来；
3)开启钻机，钻机开始钻探，随着钻机的运行，钻井液温度升高，高温钻井液循环回，钻井液罐22内，钻井液罐22内的钻井液温度升高，当钻井液罐22内的钻井液温度高于50℃时，控制反馈单元14启动钻井液循环泵221和载冷剂循环泵211；
4)高温钻井液经钻井液循环泵221泵出，进入换热器21内，与载冷剂进行热交换，所用载冷剂为20％～30％的乙二醇水溶液，然后经热交换后的钻井液回到钻井液罐22内，继续进入井下冷却循环；
5)载冷剂首先由载冷剂循环泵211从载冷剂箱13内泵出，载冷剂进入换热器21内与钻井液进行热交换，然后回到载冷剂箱13内；
6)当钻井液罐22内的钻井液温度低于40℃时，控制反馈单元14关闭钻井液循环泵221与载冷剂循环泵211；
二、载冷剂冷却循环
1)升温后的载冷剂从换热器21回到载冷剂箱13内；
2)控制反馈单元14对外界温度、内部载冷剂的温度和钻井液温度进行监测，当载冷剂箱13内的载冷剂温度高于40℃时，控制反馈单元14启动冷却水循环泵111，冷却水在冷却水循环泵111的作用下由冷却塔11进入载冷剂箱13内，与载冷剂进行热交换，然后高温冷却水再回到冷却塔11内进行降温，继续循环；
3)当控制反馈单元14测得外界环境温度高于25℃时，单靠冷却塔11的冷却水循环无法满足对载冷剂的冷却时，控制反馈单元14启动冷冻水循环泵121，冷水机组12内的冷冻水在冷冻水循环泵121的作用下进入载冷剂箱13内与载冷剂进行热交换，对载冷剂进行二级降温，然后高温冷却水再回到冷水机组12内进行降温，继续循环，这样就增强了对载冷剂的冷却效果；
4)当控制反馈单元14测得载冷剂的温度低于30℃时，控制反馈单元14关闭冷却水循环泵111和冷冻水循环泵121。
Claims (5)
1.一种钻井液强制冷却装置，其特征在于：包括载冷剂冷却系统(1)和对流换热系统(2)组成，载冷剂冷却系统(1)与对流换热系统(2)串联在装置中；
所述载冷剂冷却系统(1)包括冷却塔(11)、冷水机组(12)、载冷剂箱(13)、控制反馈单元(14)、冷却水循环泵(111)和冷冻水循环泵(121)，冷却塔(11)通过冷却水循环泵(111)与载冷剂箱(13)相连通，冷水机组(12)通过冷冻水循环泵(121)与载冷剂箱(13)相连通，控制反馈单元(14)设置在载冷剂箱(13)上；
所述对流换热系统(2)包括换热器(21)、钻井液罐(22)、载冷剂循环泵(211)、钻井液循环泵(221)和钻井泵(222)，换热器(21)通过钻井液循环泵(221)与钻井液罐(22)相连通，换热器(21)通过载冷剂循环泵(211)与载冷剂箱(13)相连通，钻井液罐(22)通过钻井泵(222)与井下相连通。
2.根据权利要求1所述一种钻井液强制冷却装置，其特征在于：所述冷却塔(11)采用逆流封闭式循环，运行过程中不需要补充冷却水，冷却水不与空气直接接触，冷却水出水温度25℃～30℃。
3.根据权利要求1所述一种钻井液强制冷却装置，其特征在于：所述冷水机组(12)选用风冷式冷水机组，采用空气作为冷媒，机组运行不受环境温度与水源条件的影响，冷冻水出水温度8℃～12℃。
4.根据权利要求1所述一种钻井液强制冷却装置，其特征在于：所述换热器(21)选用双头可拆式不锈钢螺旋板式换热器。
5.一种钻井液强制冷却装置的低温循环钻井方法，其特征在于：采用了上述钻井液强制冷却装置将钻井液的入井温度控制在40℃～50℃之间，包括钻井液冷却循环和载冷剂冷却循环两大步骤：
一、钻井液冷却循环
1)将钻井泵钻井泵(222)与钻杆内冷却管连接，构成冷却回路；
2)开启钻井液循环，使钻井液在钻机的冷却循环系统中循环开来；
3)开启钻机，钻机开始钻探，随着钻机的运行，钻井液温度升高，高温钻井液循环回，钻井液罐(22)内，钻井液罐(22)内的钻井液温度升高，当钻井液罐(22)内的钻井液温度高于50℃时，控制反馈单元(14)启动钻井液循环泵(221)和载冷剂循环泵(211)；
4)高温钻井液经钻井液循环泵(221)泵出，进入换热器(21)内，与载冷剂进行热交换，所用载冷剂为20％～30％的乙二醇水溶液，然后经热交换后的钻井液回到钻井液罐(22)内，继续进入井下冷却循环；
5)载冷剂首先由载冷剂循环泵(211)从载冷剂箱(13)内泵出，载冷剂进入换热器(21)内与钻井液进行热交换，然后回到载冷剂箱(13)内；
6)当钻井液罐(22)内的钻井液温度低于40℃时，控制反馈单元(14)关闭钻井液循环泵(221)与载冷剂循环泵(211)；
二、载冷剂冷却循环
1)升温后的载冷剂从换热器(21)回到载冷剂箱(13)内；
2)控制反馈单元(14)对外界温度、内部载冷剂的温度和钻井液温度进行监测，当载冷剂箱(13)内的载冷剂温度高于40℃时，控制反馈单元(14)启动冷却水循环泵(111)，冷却水在冷却水循环泵(111)的作用下由冷却塔(11)进入载冷剂箱(13)内，与载冷剂进行热交换，然后高温冷却水再回到冷却塔(11)内进行降温，继续循环；
3)当控制反馈单元(14)测得外界环境温度高于25℃时，单靠冷却塔(11)的冷却水循环无法满足对载冷剂的冷却时，控制反馈单元(14)启动冷冻水循环泵(121)，冷水机组(12)内的冷冻水在冷冻水循环泵(121)的作用下进入载冷剂箱(13)内与载冷剂进行热交换，对载冷剂进行二级降温，然后高温冷却水再回到冷水机组(12)内进行降温，继续循环，这样就增强了对载冷剂的冷却效果；
4)当控制反馈单元(14)测得载冷剂的温度低于30℃时，控制反馈单元(14)关闭冷却水循环泵(111)和冷冻水循环泵(121)。
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