鉆井液冷卻技術發展現狀分析

摘要：隨著油氣鉆探開發向深部地層延伸以及水合物藏等的開發，鉆井液冷卻技術的作用日趨重要。根據使用溫度范圍不同，鉆井液冷卻技術可分為高溫冷卻技術和低溫冷卻技術。主要介紹了國內外高溫冷卻主要方法特別是強制冷卻裝置的種類以及低溫冷卻裝置的國內外研究現狀，并針對我國在鉆井液冷卻技術領域的現狀，提出了未來的發展思路。

關鍵詞：鉆井液冷卻;強制冷卻;高溫鉆井;高溫冷卻;低溫冷卻

在鉆井過程中，地層的溫度隨深度的增加而升高，特別是深井鉆進過程中，以7000-8000m的深井為例，井底溫度可達200-250℃或更高。長時間的高溫對鉆井液性能的影響是巨大的^[1]。同時井下儀器的橡膠、電子元件等也極易受損，而目前井下抗高溫鉆井液外加劑和抗高溫儀器無論質量、壽命還是價格均不十分理想，同時鉆井液攜帶大量熱能輸送到地面卻沒有利用造成能源浪費。另一方面，在凍土層鉆井和天然氣水合物鉆井中，鉆頭鉆取巖石會產生大量熱，鉆桿與井壁摩擦也會產生熱，井底溫度升高，隨著鉆井液循環時間的增長，導致返回地面的鉆井鉆井液比凍土層或天然氣水合物儲層溫度高，從而引起凍土段（或凍結巖石段）擴徑或天然氣水合物井底分解，所以也必須對鉆井液溫度進行及時的冷卻。

1 高溫鉆井液冷卻技術現狀

目前，在高溫鉆井中，對高溫鉆井液的冷卻處理一般采取的措施有如下幾種。

（1）自然蒸發冷卻。由于井內鉆井液返回地面的溫度高于環境溫度，鉆井液沿地面循環系統中會蒸發冷卻而自然降溫，利用該現象采取加長地面循環系統的循環路線的措施，可以在一定程度上達到冷卻鉆井液的目的。

（2）低溫固體傳導冷卻。向泥漿罐中投放低溫固體，比如冰塊，冰塊主要通過熱傳導方式來冷卻鉆井液。

（3）鉆井液冷卻裝置強制冷卻。當返回鉆井液溫度較高，進出井溫差過大時，需采用鉆井液冷卻裝置強制冷卻，包括板式換熱器，噴淋換熱器，冷卻介質包括冷水（海水）、乙二醇，輔助風冷等。

2 低溫鉆井液冷卻技術現狀

在凍土層如北極圈凍土帶鉆井中，如果鉆井液循環溫度高于凍土層溫度會引起一系列問題，如地層凍土消融引起井壁失穩，更嚴重會引起地面不均勻沉降使鉆塔傾斜等。

在天然氣水合物鉆井中，如果鉆井液循環溫度高于水合物層溫度引起水合物分解，會帶來一系列問題，如大量氣體分解，使井徑擴大，套管被壓扁，使井口裝置或防噴器失去承載能力而發生傾斜，將喪失井壓控制手段，有可能導致井噴及井塌事故。分解后的氣體可能破壞周圍環境，有時還會出現溶洞，使天然氣水合物地層下沉，出現地基沉降事故^[2]。

在低溫鉆井液冷卻技術領域，最著名的公司是美國Drillcool公司，其鉆井液冷卻裝置的原理是使用氨水制冷機組通過板式換熱器制冷乙二醇溶液，冷卻后的乙二醇溶液再通過螺旋換熱器冷卻鉆井液^[3]，達到控制鉆井液溫度的目的。

2008年冬季，我國在青海木里盆地天然氣水合物取樣鉆探時，環境溫度低至-20℃以下，采用低流量返回地面鉆井液在地面循環系統中自然冷卻降溫，進井鉆井液溫度維持在4℃左右，并取得了天然氣水合物巖心，但凍土層段擴徑現象比較明顯^[4]。基于此吉林大學研制了適用于凍土帶水合物鉆探的新型鉆井液冷卻系統，該系統能夠實現鉆井液的快速冷卻，同時能將鉆井液動態維持在低溫范圍內^[5]。

隨著油氣勘探不斷加深以及水合物藏的開發日趨緊迫，鉆井液冷卻技術作用會愈發凸顯，而目前國內對于鉆井液冷卻技術的研究還處于以自然蒸發冷卻為主，僅在近年來的高溫地熱井和凍土帶的水合物勘探中研發了專用的冷卻裝置，沒有形成一個完整的體系，未來可通過綜合運用不同的冷卻方式，甚至利用高溫鉆井液自身的溫度進行發電，進而部分代替井隊發電機，同時經過發電機、冷卻循環系統和泥漿罐自然冷卻三步冷卻降溫，可以大幅降低鉆井液溫度，并能節約大量電能和油料。

4 結論

在國外高溫鉆井液冷卻技術已經比較成熟，鉆井液冷卻裝備也較多。在我國，鉆井液冷卻裝置在地熱鉆井中也有應用，對高溫鉆井液冷卻技術針對性研究也有一定進展，但未形成產業化的冷卻系統。

在凍土帶鉆井時，由于天然氣水合物的特殊的溫壓特性，鉆井一般采用分解抑制法，即通過鉆井液冷卻，使鉆井液進井溫度保持在低溫范圍內（-4～4℃），在美國，低溫鉆井液冷卻技術在1988年受到重視并得以應用，到目前該技術已較成熟。我國近年來研制出了一套適用于天然氣水合物鉆井低溫鉆井液冷卻的系統。

參考文獻

[1]汪仲英.高溫蒸汽地熱田鉆井與成井主要技術問題[J].探礦工程，1979，（5）：57-63.

[2]蔣國盛，王達，湯鳳林，等.天然氣水合物的勘探與開發[M].湖北武漢：中國地質大學出版社，2002. 66-67.

[3] H. Vrielink，J. S. Bradford，Chevron，et a.l Successful Application of Casing-While-Drilling Technology in a Canadian Arctic Permafrost Application[C]. IADC/SPE Drilling Conference. Florida，Orlando. 2008.

[4]張永勤，孫建華，賈志耀，等.中國陸地永久凍土帶天然氣水合物鉆探技術研究與應用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（S1）：22-28.

[5]李國圣，孫友宏，郭威.天然氣水合物鉆井泥漿冷卻系統的設計及現場應用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2011，38（2）：8-11.

作者簡介：劉英偉（1983-）男，漢族，中海油能源發展工程技術分公司，中級工程師，主要從事鉆井和井控技術研究。

（作者單位：中海油能源發展工程技術分公司）