CN113446752A - 钻井液冷却方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻井液冷却方法及系统，涉及钻探领域，解决的技术问题是提供一种对钻井液进行冷却的新方法，目的是降低钻井液循环温度，提高井下工具寿命。本发明的技术方案是：钻井液冷却方法，钻井液与载冷剂进行热交换，钻井液降温后再流回钻井口；载冷剂与溴化锂制冷系统进行热交换降低温度，并形成载冷剂循环管路。溴化锂制冷系统包括蒸发器、吸收器、发生器和冷凝器，向发生器提供输入性热源，稀溴化锂溶液分离出水蒸气并变为浓溴化锂溶液，水蒸气冷凝后形成冷凝水，冷凝水对冷剂进行冷却并汽化，汽化后由浓溴化锂溶液进行吸收，重新得到稀溴化锂溶液并进行循环。本发明采用载冷剂对钻井液进行降温，适用于用于钻井液冷却。

Description

钻井液冷却方法及系统

技术领域

本发明涉及钻探领域，具体是一种通过溴化锂制冷对钻井液进行冷却的方法及系统。

背景技术

在钻井过程中，地层温度随深度增加而升高，高温不但影响钻井液的性能，还影响井下工具的使用寿命。针对该问题，一方面，将耐高温材料应用于钻井液体系与钻具制造材料中，突破高温瓶颈，但是相应的研究难度大、研发成本高；另一方面，对钻井液进行冷却，通过降低钻井液的入井温度，能有效降低钻井液循环温度，并提高井下工具的工作寿命。

目前，对钻井液进行冷却一般需要额外消耗大量的能源，并且钻井过程中还还会释放高温废气，造成能源损耗。

发明内容

本发明首先要解决的技术问题是提供一种对钻井液进行冷却的新方法，目的在于降低钻井液循环温度，提高井下工具的寿命。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：钻井液冷却方法，钻井液与载冷剂进行热交换，钻井液的温度降低后再流回钻井口；载冷剂同时与溴化锂制冷系统进行热交换，降低载冷剂的温度，载冷剂形成载冷剂循环管路。

溴化锂制冷系统包括蒸发器、吸收器、发生器和冷凝器，向发生器提供输入性热源，稀溴化锂溶液进入发生器后分离出水蒸气并变为浓溴化锂溶液，浓溴化锂溶液进入吸收器；发生器分离出来的水蒸气进入冷凝器冷凝后形成冷凝水，冷凝水进入蒸发器并与载冷剂进行热交换，并蒸发为水蒸气，再进入吸收器由浓溴化锂溶液进行吸收，重新得到稀溴化锂溶液并进入发生器进行循环。

进一步的是：溴化锂制冷系统还包括冷却塔并形成冷却水循环管路，冷却水循环管路的路径为：冷却塔→吸收器→冷凝器→冷却塔。

进一步的是：钻井液先进入钻井液池进行静置，自然初步冷却并沉淀杂质后，再与载冷剂通过板式换热器进行热交换；输入性热源为钻井所产生的废气余热。

优选的：冷凝水在蒸发器形成的负压状态下与载冷剂进行热交换。

具体的：发生器包括串联设置的高压发生器和低压发生器，输入性热源依次为高压发生器和低压发生器供热；稀溴化锂溶液先进入高压发生器，分离出高温水蒸气并变为较浓溴化锂溶液，高温水蒸气为低压发生器供热后进入冷凝器或直接进入冷凝器，较浓溴化锂溶液直接进入低压发生器或者先与吸收器产生的稀溴化锂溶液进行热交换，再进入低压发生器；较浓溴化锂溶液在低压发生器中分离出水蒸气并变为浓溴化锂溶液，分离出的水蒸气进入冷凝器，产生的浓溴化锂溶液直接进入吸收器，或者先与吸收器产生的稀溴化锂溶液进行热交换，再进入吸收器。

本发明还提供一种钻井液冷却系统，用于实施上述钻井液冷却方法。钻井液冷却系统，包括第一换热器、载冷剂循环管路和溴化锂制冷系统，第一换热器设置钻井液入口和钻井液出口，第一换热器还设置载冷剂出入口，载冷剂循环管路设置循环泵并将第一换热器和溴化锂制冷系统串联。

溴化锂制冷系统包括蒸发器、吸收器、发生器和冷凝器，蒸发器设置载冷剂出入口并串联于载冷剂循环管路，蒸发器还设置冷凝水入口和水蒸气出口，水蒸气出口接入吸收器，吸收器设置浓溴化锂入口和稀溴化锂出口，稀溴化锂出口接入发生器；发生器内穿设热源管道，发生器设置蒸汽出口和溶液出口，溶液出口接入吸收器的浓溴化锂入口，蒸汽出口接入冷凝器，冷凝器设有冷凝水出口，冷凝水出口与蒸发器的冷凝水入口相连；吸收器和冷凝器分别设置冷却水出入口。

进一步的是：溴化锂制冷系统还包括冷却塔并形成冷却水循环管路，冷却水循环管路的路径为：冷却塔→吸收器→冷凝器→冷却塔，冷却水循环管路上还设置循环泵。

进一步的是：钻井液冷却系统还包括钻井液池，溶液泵的入口端位于钻井液池内，溶液泵的出口端与第一换热器的钻井液入口相连。

进一步的是：发生器包括串联设置的高压发生器和低压发生器，热源管道沿气流方向顺次穿过高压发生器和低压发生器；吸收器的稀溴化锂出口接入高压发生器，高压发生器的溶液出口接入低压发生器，高压发生器的蒸汽出口接入低压发生器的供热管线后接入冷凝器或直接接入冷凝器；低压发生器的溶液出口与吸收器的浓溴化锂入口相连，低压发生器的蒸汽出口接入冷凝器。

进一步的是：高压发生器的溶液出口与低压发生器之间的管线与吸收器的稀溴化锂出口与高压发生器之间的管线之间设置第二换热器；低压发生器的溶液出口与吸收器的浓溴化锂入口之间的管线与吸收器的稀溴化锂出口与高压发生器之间的管线之间设置第三换热器。

具体的：第一换热器、第二换热器和第三换热器均为板式换热器，载冷剂循环管路在蒸发器内采用板式换热器结构；冷凝器的冷凝水出口与蒸发器的冷凝水入口之间的管线上设置节流阀。

本发明的有益效果是：溴化锂制冷系统的温度控制最低能够达到5℃，能够为钻井液冷却至低温提供新方案。本发明采用载冷剂直接对钻井液进行降温，溴化锂制冷系统对载冷剂进行降温的间接冷却方式，载冷剂的温度控制在5℃至14℃之间，使钻井液入井温度能够控制在更低的范围，从而延长钻井时间，保持井下稳定，而且还能稳定地控制钻井液的温度变化。

溴化锂制冷系统形成冷却水循环管路，冷却水实现循环使用，避免系统运行过程中不需要补充冷却水，冷却水出水温度维持在25℃至32℃。溴化锂制冷系统以钻井所产生的废气余热作为热能，相较于传统压缩机制冷能够更节能能源，绿色环保。冷凝水在负压状态下与载冷剂进行热交换，利于冷凝水蒸发并带走热量。发生器包括串联设置的高压发生器和低压发生器，充分地利用热源。

附图说明

图1是本发明的示意图。

附图标记：第一换热器1、钻井液入口11、钻井液出口12、载冷剂循环管路2、蒸发器3、冷凝水入口31、水蒸气出口32、吸收器4、浓溴化锂入口41、稀溴化锂出口42、高压发生器51、低压发生器52、第二换热器53、第三换热器54、冷凝器6、冷凝水出口61、节流阀62、热源管道7、冷却水循环管路8、冷却塔81、钻井液池9、溶液泵91。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的第一个主题是钻井液冷却方法，钻井液与载冷剂进行热交换，钻井液的温度降低后再流回钻井口，目的在于使钻井液入井温度更低，延长钻井时间，并保持井下稳定。载冷剂与钻井液热交换后温度升高，载冷剂与溴化锂制冷系统进行热交换，降低载冷剂的温度，载冷剂形成载冷剂循环管路2。钻井液出井后可以直接与载冷剂进行热交换，或者钻井液先进入钻井液池9进行静置，自然初步冷却并沉淀杂质后，再与载冷剂进行热交换。钻井液可自流或通过溶液泵91泵送，通过控制钻井液的流量，可控制钻井液达到所需温度。为了提高钻井液与载冷剂的热交换效率，可选用板式换热器进行热交换。

溴化锂制冷系统包括蒸发器3、吸收器4、发生器和冷凝器6，向发生器提供输入性热源，输入性热源指的是外界向发生器提供的热源，可以是任何形式的热源，考虑到钻井的实际情况，可选用钻井的废热，例如选用石油开采时所产生的具有余热的废气，达到节能环保的目的。稀溴化锂溶液进入发生器，在输入性热源的作用下，稀溴化锂溶液分离出水蒸气并变为浓溴化锂溶液，浓溴化锂溶液进入吸收器4。

发生器分离出来的水蒸气进入冷凝器6冷凝后形成冷凝水，冷凝水进入蒸发器3与载冷剂进行热交换，并蒸发为水蒸气，再进入吸收器4由浓溴化锂溶液进行吸收，重新得到稀溴化锂溶液并进入发生器进行循环，从而形成完整的循环。

载冷剂实际上是在蒸发器6中实现降温，为了使冷凝水更多地汽化以带走热量，蒸发器6的内部最好为负压环境，负压环境下水的沸点降低，液态的冷凝水在低温下汽化带走载冷剂的热量。载冷剂在载冷剂循环管路2中循环，载冷剂循环管路2可设置至少一个循环泵，为载冷剂循环的循环提供动力。在图1中，剂循环管路2设置了载冷剂循环箱，用以控制载冷剂循环管路2的流量和流速。为了使载冷剂在蒸发器6充分释放热量，载冷剂循环管路2在蒸发器3内可采用板式换热器结构。

为了使吸收器4能更多地吸收来自蒸发器3的水蒸气，由于溴化锂溶液在低温下吸水性更好，因此吸收器4内需保持较低的温度。例如，吸收器4设置冷却水出入口，通过外接冷却水进行冷却；或者，溴化锂制冷系统还包括冷却塔81并形成冷却水循环管路8，冷却水循环管路8的路径为：冷却塔81→吸收器4→冷凝器6→冷却塔81。冷却水循环管路8上可设置循环泵，为冷却水的循环提供动力。冷凝器6与蒸发器3之间的管线上设置阀门，例如设置节流阀，控制进入蒸发器6的冷凝水水量。

发生器可为一个或多个。为了充分利用输入性热源，提高制冷效率，发生器可设置两个或更多，各个发生器之间串联布置。下面以设置两个发生器为例进行说明。参见图1，发生器包括串联设置的高压发生器51和低压发生器52，输入性热源依次为高压发生器51和低压发生器52供热。

从吸收器4自流出或泵出的稀溴化锂溶液先进入高压发生器51，在输入性热源的作用下，稀溴化锂溶液分离出高温水蒸气并变为较浓溴化锂溶液。高温水蒸气可直接进入冷凝器6冷凝，或者高温水蒸气为低压发生器52供热后再进入冷凝器6冷凝。较浓溴化锂溶液直接进入低压发生器52再次进行浓缩，或者，先与吸收器4产生的稀溴化锂溶液进行热交换，优选采用板式换热器结构，再进入低压发生器52再次进行浓缩。较浓溴化锂溶液在低压发生器52中分离出水蒸气并变为浓溴化锂溶液，分离出的水蒸气进入冷凝器6，产生的浓溴化锂溶液直接进入吸收器4，或者先与吸收器4产生的稀溴化锂溶液进行热交换，优选采用板式换热器结构，再进入吸收器4。

本发明的第二个主题是钻井液冷却系统，用于实施上述钻井液冷却方法。参见图1，钻井液冷却系统，包括第一换热器1、载冷剂循环管路2和溴化锂制冷系统，第一换热器1设置钻井液入口12和钻井液出口12，钻井液出井后可以直接进入钻井液入口12，冷却后通过钻井液出口12流回钻井口。或者，参见图1，钻井液冷却系统还包括钻井液池9，溶液泵91的入口端位于钻井液池9内，溶液泵91的出口端与第一换热器1的钻井液入口12相连。第一换热器1还设置载冷剂出入口，载冷剂循环管路2设置至少一个循环泵并将第一换热器1和溴化锂制冷系统串联。第一换热器1最好选用板式换热器。

溴化锂制冷系统包括蒸发器3、吸收器4、发生器和冷凝器6，蒸发器3设置载冷剂出入口并串联于载冷剂循环管路2，使载冷剂在经过蒸发器3之后降温冷却，载冷剂循环管路2在蒸发器3内最好采用板式换热器结构。蒸发器3还设置冷凝水入口31和水蒸气出口32，水蒸气出口32接入吸收器4，吸收器4设置浓溴化锂入口41和稀溴化锂出口42，稀溴化锂出口42接入发生器。浓溴化锂溶液在吸收器4内吸收来自蒸发器3的水蒸气，得到稀溴化锂溶液并从稀溴化锂出口42排出，并泵送至发生器。发生器设置蒸汽出口和溶液出口，溶液出口接入吸收器4的浓溴化锂入口41，蒸汽出口接入冷凝器6，发生器内穿设热源管道7，向热源管道7通入输入性热源，使来自吸收器4的稀溴化锂溶液进行浓缩，分离出水蒸气并得到浓溴化锂溶液。本申请中的稀溴化锂溶液和浓溴化锂溶液为相对概念，并无具体浓度要求。浓溴化锂溶液进入吸收器4进行循环。冷凝器6设有冷凝水出口61，冷凝水出口61与蒸发器3的冷凝水入口31相连。发生器分离出的水蒸气在冷凝器6中冷凝，冷凝水进入蒸发器3，从而实现循环。冷凝器6的冷凝水出口61与蒸发器3的冷凝水入口31之间的管线上设置节流阀62，用以调节冷凝水的流量流速。

考虑到溴化锂溶液在低温下吸水性更好，因此吸收器4内最好保持较低的温度。吸收器4可分别设置冷却水出入口，外接冷却水以维持吸收器4的低温状态。冷凝器6需要使发生器分离出的水蒸汽冷凝，因此也最好设置冷却水出入口。为了同时实现对吸收器4和冷凝器6的冷却，溴化锂制冷系统还包括冷却塔81并形成冷却水循环管路8，冷却水循环管路8的路径为：冷却塔81→吸收器4→冷凝器6→冷却塔81，通过封闭式冷却水循环管路8，溴化锂制冷系统运行过程中不需要补充冷却水，冷却水出水温度维持在25℃至32℃。冷却水循环管路8上还设置循环泵，为冷却水的循环提供动力。

发生器可为一个，但为了充分利用输入性热源，提高发生器对溴化锂溶液的浓缩效果，发生器至少两个，各个发生器之间串联布置。下面以设置两个发生器为例进行说明。参见图1，发生器包括串联设置的高压发生器51和低压发生器52，热源管道7沿气流方向顺次穿过高压发生器51和低压发生器52。

吸收器4的稀溴化锂出口42接入高压发生器51，高压发生器51的溶液出口512可直接接入低压发生器52，或者高压发生器51的溶液出口512与低压发生器52之间的管线与吸收器4的稀溴化锂出口42与高压发生器51之间的管线之间设置第二换热器53，再接入低压发生器52，参见图1。高压发生器51的蒸汽出口511直接接入冷凝器6，或者蒸汽出口511接入低压发生器52的供热管线后再接入冷凝器6，如图1所示。

低压发生器52的蒸汽出口521接入冷凝器6，低压发生器52的溶液出口522可直接与吸收器4的浓溴化锂入口41相连，或者，“低压发生器52的溶液出口521与吸收器4的浓溴化锂入口41之间的管线”与“吸收器4的稀溴化锂出口42与高压发生器51”之间的管线之间设置第三换热器54，参见图1。第二换热器53和第三换热器54的目的均在于回收浓缩后的溴化锂溶液中的余热，第二换热器53和第三换热器54均可选用板式换热器。

Claims (10)

1.钻井液冷却方法，其特征在于：钻井液与载冷剂进行热交换，钻井液的温度降低后再流回钻井口；载冷剂同时与溴化锂制冷系统进行热交换，降低载冷剂的温度，载冷剂形成载冷剂循环管路(2)；

溴化锂制冷系统包括蒸发器(3)、吸收器(4)、发生器和冷凝器(6)，向发生器提供输入性热源，稀溴化锂溶液进入发生器后分离出水蒸气并变为浓溴化锂溶液，浓溴化锂溶液进入吸收器(4)；发生器分离出来的水蒸气进入冷凝器(6)冷凝后形成冷凝水，冷凝水进入蒸发器(3)并与载冷剂进行热交换，并蒸发为水蒸气，再进入吸收器(4)由浓溴化锂溶液进行吸收，重新得到稀溴化锂溶液并进入发生器进行循环。

2.如权利要求1所述的钻井液冷却方法，其特征在于：溴化锂制冷系统还包括冷却塔(81)并形成冷却水循环管路(8)，冷却水循环管路(8)的路径为：冷却塔(81)→吸收器(4)→冷凝器(6)→冷却塔(81)。

3.如权利要求1所述的钻井液冷却方法，其特征在于：钻井液先进入钻井液池(9)进行静置，自然初步冷却并沉淀杂质后，再与载冷剂通过板式换热器进行热交换；输入性热源为钻井所产生的废气余热；冷凝水在蒸发器(3)形成的负压状态下与载冷剂进行热交换。

4.如权利要求1、2或3所述的钻井液冷却方法，其特征在于：发生器包括串联设置的高压发生器(51)和低压发生器(52)，输入性热源依次为高压发生器(51)和低压发生器(52)供热；稀溴化锂溶液先进入高压发生器(51)，分离出高温水蒸气并变为较浓溴化锂溶液，高温水蒸气为低压发生器(52)供热后进入冷凝器(6)或直接进入冷凝器(6)，较浓溴化锂溶液直接进入低压发生器(52)或者先与吸收器(4)产生的稀溴化锂溶液进行热交换，再进入低压发生器(52)；较浓溴化锂溶液在低压发生器(52)中分离出水蒸气并变为浓溴化锂溶液，分离出的水蒸气进入冷凝器(6)，产生的浓溴化锂溶液直接进入吸收器(4)，或者先与吸收器(4)产生的稀溴化锂溶液进行热交换，再进入吸收器(4)。

5.钻井液冷却系统，其特征在于：包括第一换热器(1)、载冷剂循环管路(2)和溴化锂制冷系统，第一换热器(1)设置钻井液入口(11)和钻井液出口(12)，第一换热器(1)还设置载冷剂出入口，载冷剂循环管路(2)设置循环泵并将第一换热器(1)和溴化锂制冷系统串联；

溴化锂制冷系统包括蒸发器(3)、吸收器(4)、发生器和冷凝器(6)，蒸发器(3)设置载冷剂出入口并串联于载冷剂循环管路(2)，蒸发器(3)还设置冷凝水入口(31)和水蒸气出口(32)，水蒸气出口(32)接入吸收器(4)，吸收器(4)设置浓溴化锂入口(41)和稀溴化锂出口(42)，稀溴化锂出口(42)接入发生器；发生器内穿设热源管道(7)，发生器设置蒸汽出口和溶液出口，溶液出口接入吸收器(4)的浓溴化锂入口(41)，蒸汽出口接入冷凝器(6)，冷凝器(6)设有冷凝水出口(61)，冷凝水出口(61)与蒸发器(3)的冷凝水入口(31)相连；吸收器(4)和冷凝器(6)分别设置冷却水出入口。

6.如权利要求5所述的钻井液冷却系统，其特征在于：溴化锂制冷系统还包括冷却塔(81)并形成冷却水循环管路(8)，冷却水循环管路(8)的路径为：冷却塔(81)→吸收器(4)→冷凝器(6)→冷却塔(81)，冷却水循环管路(8)上还设置循环泵。

7.如权利要求5所述的钻井液冷却系统，其特征在于：钻井液冷却系统还包括钻井液池(9)，溶液泵(91)的入口端位于钻井液池(9)内，溶液泵(91)的出口端与第一换热器(1)的钻井液入口(11)相连。

8.如权利要求5、6或7所述的钻井液冷却系统，其特征在于：发生器包括串联设置的高压发生器(51)和低压发生器(52)，热源管道(7)沿气流方向顺次穿过高压发生器(51)和低压发生器(52)；吸收器(4)的稀溴化锂出口(42)接入高压发生器(51)，高压发生器(51)的溶液出口(512)接入低压发生器(52)，高压发生器(51)的蒸汽出口(511)接入低压发生器(52)的供热管线后接入冷凝器(6)或直接接入冷凝器(6)；低压发生器(52)的溶液出口(522)与吸收器(4)的浓溴化锂入口(41)相连，低压发生器(52)的蒸汽出口(521)接入冷凝器(6)。

9.如权利要求8所述的钻井液冷却系统，其特征在于：高压发生器(51)的溶液出口与低压发生器(52)之间的管线与吸收器(4)的稀溴化锂出口(42)与高压发生器(51)之间的管线之间设置第二换热器(53)；低压发生器(52)的溶液出口与吸收器(4)的浓溴化锂入口(41)之间的管线与吸收器(4)的稀溴化锂出口(42)与高压发生器(51)之间的管线之间设置第三换热器(54)。

10.如权利要求9所述的钻井液冷却系统，其特征在于：第一换热器(1)、第二换热器(53)和第三换热器(54)均为板式换热器，载冷剂循环管路(2)在蒸发器(3)内采用板式换热器结构；冷凝器(6)的冷凝水出口(61)与蒸发器(3)的冷凝水入口(31)之间的管线上设置节流阀(62)。

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