CN111692781A - 正辛烷在对钻具进行冷却的制冷循环中作为制冷剂的应用 - Google Patents

正辛烷在对钻具进行冷却的制冷循环中作为制冷剂的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了正辛烷在对钻具进行冷却的制冷循环中作为制冷剂的应用。目前在石油开采作业中采用高压冷却液对钻具进行冷却，施工和运行难度均较大，无法实现长时间高效运行。本发明采用制冷循环对石油开采钻具进行冷却，制冷循环采用蒸汽压缩式制冷循环，制冷循环利用高速流动的钻井液进行驱动，采用正辛烷作为制冷剂。本发明采用正辛烷作为制冷循环工质，应用在150℃～250℃高温温区的制冷循环中，填补了对石油开采钻具进行冷却的技术空缺，满足了如石油钻井随钻仪器等场景的制冷需要。

Description

正辛烷在对钻具进行冷却的制冷循环中作为制冷剂的应用
技术领域
本发明属于石油开采技术领域，具体是在石油开采作业中的对钻具的冷却，涉及了正辛烷在对钻具进行冷却的制冷循环中作为制冷剂的应用。
背景技术
在石油开采作业中，需要利用石油钻井设备从地面开始沿设计轨道钻穿多套地层到达地下数千米深的预定油气层。地球的平均地温梯度为3℃/100m，即从地表开始每深入100米，温度会提高约3摄氏度。以7000～8000m的深井为例，井底温度可达200～250℃。在钻井设备运行过程中，钻具中通过的钻井液受地层温度影响，温度往往高达200℃左右。在钻具结构中，外部为内径较大的钻铤，内部为抗压筒，抗压筒外部有隔热涂层，内部为探管，探管支架上放置随钻仪器。钻井液由钻铤和抗压筒之间的间隙自上而下通过，再从钻铤外部向上回流。随钻电子设备一般安装在钻头附近位置，而钻头正常工作需要大量钻井液润滑钻头，由于探管上的随钻仪器工作温度一般不能超过175℃，而钻井液的温度则高达200℃左右。在这种情况下，若不采取一些措施，则会导致钻具中探管等仪器因长期处于过高工作温度下而损坏、无法正常运行。目前，行业中解决此问题的方法主要有两种：一种是定期更换钻具中的探管等随钻电子元器件，但是这种方法成本过高；另一种是利用高压冷却液(一般是高压水)对钻具中的随钻仪器进行冷却，高压冷却液从地面通过管道运输到地下数千米的的钻头附近，施工和运行难度均较大，存在技术上的困难并且运行成本较高，无法实现长时间高效运行。
可使用一种处于150℃～250℃特殊温区的制冷循环装置安装于钻具附近，利用钻井液的高速流动驱动涡轮，利用涡轮的转动提供驱动力对气体进行加压，即可实现井下不通电实现制冷。
制冷循环装置通过制冷剂完成热力循环。制冷剂在低温下吸取被冷却物体的热量，然后在较高温度下转移给冷却水或空气。在蒸气压缩式制冷机中，使用在常温或较低温度下能液化的工质为制冷剂，如氟利昂(饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物)，共沸混合工质(由两种氟利昂按一定比例混合而成的共沸溶液)、碳氢化合物(丙烷、乙烯等)、氨等；在气体压缩式制冷机中，使用气体制冷剂，如空气、氢气、氦气等，这些气体在制冷循环中始终为气态；在吸收式制冷机中，使用由吸收剂和制冷剂组成的二元溶液作为工质，如氨和水、溴化锂和水等；蒸汽喷射式制冷机用水作为制冷剂。制冷剂的主要技术指标有饱和蒸气压强、比热、粘度、导热系数、表面张力等。
1960年以后，人们对非共沸混合工质的应用进行了大量的试验研究，并已将其用于天然气的液化和分离等方面。应用非共沸混合工质单级压缩可得到很低的蒸发温度，且可增加制冷量，减少功耗。它的性质直接关系到制冷装置的制冷效果、经济性、安全性及运行管理，因而对制冷剂性质要求的了解是不容忽视的。传统工业及生活中较常见的工作介质是部分卤代烃(尤其是氯氟烃)，但由于它们会造成臭氧层空洞而逐渐被淘汰。其他应用较广的工作介质有氨气、二氧化硫和甲烷等。
对于制冷剂，其性能要求包括：(1)具有优良的热力学特性，以便能在给定的温度区域内运行时有较高的循环效率。具体要求为：临界温度高于冷凝温度、与冷凝温度对应的饱和压力不要太高、标准沸点较低、流体比热容小、绝热指数低、单位容积制热量较大等；(2)具有优良的热物理性能，具体要求为：较高的传热系数、较低的粘度及较小的密度；(3)具有良好的化学稳定性，要求工质在高温下具有良好的化学稳定性，保证在最高工作温度下工质不发生分解；(4)与润滑油有良好互溶性；(5)安全性工质应无毒、无刺激性、无燃烧性及爆炸性；(6)有良好的电气绝缘性；(7)经济性要求工质低廉，易于获得。
发明内容
本发明的目的就是提供一种方法实现对石油开采作业中的钻具进行冷却，具体是正辛烷在对钻具进行冷却的制冷循环中作为制冷剂的应用。
正辛烷(n-Octane，分子式C8H18)的外观与性状为无色透明液体，主要用作溶剂汽油、工业用汽油的成分，以及用作印刷油墨溶剂、涂料用溶剂的稀释剂、丁基橡胶用溶剂以及烯烃聚合等有机反应的溶剂，或用作溶剂及色谱分析标准物质，也用于有机合成。
正辛烷在常压下沸点为125.6℃，在150℃～250℃下处于过热蒸汽状态，并且正辛烷为有机高分子，具有无极性，无导电性和腐蚀性，用作制冷循环工质能够使系统长时间高效运行。另外，正辛烷绝热膨胀后的焓差值较高，达到100000J/kg，适合做此高温循环的制冷剂。
正辛烷具体物理特性包括：熔点-56.8℃、沸点125～127℃、相对密度0.703g/ml、临界温度296℃、临界压力2.49MPa、黏度0.5466mPa·s(20℃)、黏度0.5151mPa·s(25℃)、表面张力22.6dyne/cm。
正辛烷的蒸发热41.512kJ/mol(25℃)，溶化热20.754kJ/mol，液体生成热-250.12kJ·mol，气体生成热-208.59kJ·mol，比热容(理想液体，25℃,定压)1.65kJ/(kg·K)，比热容(液体，25℃，101.3kPa)2.23kJ/(kg·K)，热导率(20℃)131.047Mw/(m·K)，热导率(30℃)128.250Mw/(m·K)。
此外，正辛烷的气相标准声称热(焓)-208.5kJ/mol、气相标准熵467.35J/mol·K、气相标准生成自由能16.6kJ/mol、气相标准热熔187.78J/mol·K，液相标准声称热(焓)-250.04kJ/mol、液相标准熵361.12J/mol·K、液相标准生成自由能6.32kJ/mol、液相标准热熔255.68J/mol·K。正辛烷红外图谱如图1所示。
由此可见，将正辛烷作为150℃～250℃温区制冷循环的制冷剂，在该温区内正辛烷处于过热蒸汽状态，且其本身沸点较低，在该温区内有较强的制冷潜力。正辛烷的比热容、密度、黏度较小，符合用作制冷剂的要求。
以正辛烷作为工质，采用蒸汽压缩式制冷循环，该制冷循环包括压缩机、冷凝器、膨胀机构、蒸发器、涡轮、隔热筒。压缩机的出口连接冷凝器的进口，冷凝器的出口连接膨胀机构的进口，膨胀机构的出口连接蒸发器的进口，蒸发器的出口连接压缩机的进口，构成供制冷剂循环的制冷剂回路。涡轮与压缩机同轴，高速流动的钻井液驱动涡轮转动，涡轮驱动压缩机工作。蒸发器和需要冷却的抗压筒以及随钻仪器设置在隔热筒内，冷凝器设置在钻铤与隔热筒之间。膨胀机构为膨胀阀或毛细管。
本发明采用正辛烷作为制冷循环工质，应用在150℃～250℃高温温区的制冷循环中，填补了对石油开采钻具进行冷却的技术空缺，满足了如石油钻井随钻仪器等场景的制冷需要。
附图说明
图1为正辛烷红外图谱；
图2为本发明具体实施方式中的制冷循环装置示意图；
图3为正辛烷工质理论循环的T-s图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述地实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部地实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示，用于对石油开采钻具进行冷却的制冷循环装置，采用蒸汽压缩式制冷循环，该制冷循环包括压缩机1、冷凝器2、膨胀机构3、蒸发器4、涡轮5、隔热筒6。压缩机1的出口连接冷凝器2的进口，冷凝器2的出口连接膨胀机构3的进口，膨胀机构3的出口连接蒸发器4的进口，蒸发器4的出口连接压缩机1的进口，构成供制冷剂循环的制冷剂回路。涡轮5与压缩机1同轴，高速流动的钻井液驱动涡轮5转动(图中涡轮5上下箭头为钻井液的流向)，涡轮5驱动压缩机1工作。蒸发器4和需要冷却的抗压筒7以及随钻仪器设置在隔热筒6内，冷凝器2设置在钻铤与隔热筒之间。膨胀机构3为膨胀阀或毛细管。该制冷循环采用正辛烷作为制冷循环工质。
图2中，制冷剂回路的箭头表示制冷剂正辛烷的走向。压缩机1对吸入的制冷剂蒸汽进行压缩，使制冷剂蒸汽成为高温高压的气体的状态并排出。冷凝器2作为制冷剂与钻井液进行热交换的液体热交换器。冷凝器2将压缩机1排出的高温气体制冷剂的热量释放到钻井液中，制冷剂在冷凝器2的出口达到高压液体状态。膨胀机构3使得流出冷凝器2的制冷剂膨胀减压变为低温低压的气体液体混合状态。蒸发器4为了获得冷却对象与制冷剂的热交换而维持在设定温度，而使在系统回路中流动的液态制冷剂蒸发而成为气体状的制冷剂。蒸发器4中制冷剂吸热蒸发而气化。在蒸发器4中，冷却对象通过与制冷剂的热交换而被冷却。
该制冷循环装置以正辛烷作为制冷剂。正辛烷工质在高温区制冷循环中的理论循环过程如附图3所示。
该循环的压缩机输入功率：
Figure BDA0002478808210000041
该循环的制冷量
Figure BDA0002478808210000042
该循环的制冷系数
Figure BDA0002478808210000043
其中，
Figure BDA0002478808210000044
为工质流量，单位kg/s；h1表示压缩机入口处的气体状态的工质比焓，h2表示压缩机出口处的气体状态的工质比焓，h4表示膨胀机构出口处的气液混合物的工质比焓。
在正辛烷流量
Figure BDA0002478808210000045
为0.026kg/s的条件下，理论计算可以获得271.8W的制冷量，需要输入压缩机的功率为544.0W，理论制冷系数COP为0.4996。
由表格1～9，可见压缩机吸气温度从150℃变化到190℃导致的系统制冷量271.8W到512.6W变化：
表1
T(℃) h(J/kg) P(Pa) s(J/kg-K)
150 355273 107000 883.2
250 564348 1.05E+06 1181
213 250733 1.05E+06 563.3
150 250733 586.3
q_cool(W) <u>271.8</u>
表2
T(℃) h(J/kg) P(Pa) s(J/kg-K)
155 366516 107000 909.6
250 564348 1.05E+06 1181
213 250733 1.05E+06 563.3
150 250733 586.3
q_cool(W) <u>301.0</u>
表3
T(℃) h(J/kg) P(Pa) s(J/kg-K)
160 377855 107000 936.0
250 564348 1.05E+06 1181
213 250733 1.05E+06 563.3
150 250733 586.3
q_cool(W) <u>330.5</u>
表4
T(℃) h(J/kg) P(Pa) s(J/kg-K)
165 389290 107000 962.2
250 564348 1.05E+06 1181
213 250733 1.05E+06 563.3
150 250733 586.3
q_cool(W) <u>360.0</u>
表5
T(℃) h(J/kg) P(Pa) s(J/kg-K)
170 400821 107000 988.4
250 564348 1.05E+06 1181
213 250733 1.05E+06 563.3
150 250733 586.3
q_cool(W) <u>390.0</u>
表6
T(℃) h(J/kg) P(Pa) s(J/kg-K)
175 412448 107000 1014
250 564348 1.05E+06 1181
213 250733 1.05E+06 563.3
150 250733 586.3
q_cool(W) <u>420.5</u>
表7
T(℃) h(J/kg) P(Pa) s(J/kg-K)
180 424170 107000 1040
250 564348 1.05E+06 1181
213 250733 1.05E+06 563.3
150 250733 586.3
q_cool(W) <u>450.9</u>
表8
T(℃) h(J/kg) P(Pa) s(J/kg-K)
185 435988 107000 1066
250 564348 1.05E+06 1181
213 250733 1.05E+06 563.3
150 250733 586.3
q_cool(W) <u>481.7</u>
表9
T(℃) h(J/kg) P(Pa) s(J/kg-K)
190 447901 107000 1092
250 564348 1.05E+06 1181
213 250733 1.05E+06 563.3
150 250733 586.3
q_cool(W) <u>512.6</u>
由表格10～17，可见冷凝温度从213℃变化到180℃导致的系统制冷量271.8W到529.9W变化：
表10
T(℃) h(J/kg) P(Pa) s(J/kg-K)
150 355273 107000 883.2
250 564348 1.05E+06 1181
213 250733 1.05E+06 563.3
150 250733 586.3
q_cool(W) <u>271.8</u>
表11
T(℃) h(J/kg) P(Pa) s(J/kg-K)
150 355273 107000 883.2
250 564348 1.05E+06 1181
208 235247 1.05E+06 531.3
150 235247 559.3
q_cool(W) <u>312</u>
表12
T(℃) h(J/kg) P(Pa) s(J/kg-K)
150 355273 107000 883.2
250 564348 1.05E+06 1181
205 226037 1.05E+06 512.1
150 226037 539.1
q_cool(W) <u>336</u>
表13
T(℃) h(J/kg) P(Pa) s(J/kg-K)
150 355273 107000 883.2
250 564348 1.05E+06 1181
200 210819 1.05E+06 480.1
150 210819 503.1
q_cool(W) <u>375.6</u>
表14
T(℃) h(J/kg) P(Pa) s(J/kg-K)
150 355273 107000 883.2
250 564348 1.05E+06 1181
195 195757 1.05E+06 448.1
150 195757 467.1
q_cool(W) <u>414.7</u>
表15
T(℃) h(J/kg) P(Pa) s(J/kg-K)
150 355273 107000 883.2
250 564348 1.05E+06 1181
190 180845 1.05E+06 416.0
150 180845 435.0
q_cool(W) <u>453.5</u>
表16
T(℃) h(J/kg) P(Pa) s(J/kg-K)
150 355273 107000 883.2
250 564348 1.05E+06 1181
185 166077 1.05E+06 384.0
150 166077 399.5
q_cool(W) <u>491.9</u>
表17
T(℃) h(J/kg) P(Pa) s(J/kg-K)
150 355273 107000 883.2
250 564348 1.05E+06 1181
180 151450 1.05E+06 351.9
150 151450 366.4
q_cool(W) <u>529.9</u>
在本实施方式的制冷循环中，适用的温区为150℃～250℃，在制冷剂回路6中循环的制冷剂是正辛烷，正辛烷工质在常压下的沸点为125.6℃，在150℃～250℃下处于过热蒸汽状态，能够满足该温区下的制冷需要。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.正辛烷在对钻具进行冷却的制冷循环中作为制冷剂的应用。
2.如权利要求1所述的正辛烷作为制冷剂的应用，其特征在于：所述制冷循环为蒸汽压缩式制冷循环。
3.如权利要求1所述的正辛烷作为制冷剂的应用，其特征在于：所述制冷循环利用高速流动的钻井液进行驱动。
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