ZLZY310高溫鉆井液冷卻系統(tǒng)研制及應(yīng)用*

李勝忠 張銅鋆 聶 軍 楊智鈺 呂合軍 包秋民

(1.中石化中原石油工程有限公司裝備管理部 2.中石化石油工程鉆井儀表及固控技術(shù)中心 3.中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院)

0 引 言

隨著我國油氣鉆探技術(shù)的發(fā)展，超深井、高溫井已成為開采油氣資源的重要方向。川南、順北等區(qū)塊油氣井垂深大、井筒溫度高，部分井眼最高溫度超過170 ℃。高溫的井下環(huán)境會出現(xiàn)隨鉆測量儀器(MWD和LWD等)精度下降和信號失靈的問題[1-2]，甚至因溫度過高造成儀器燒毀，導(dǎo)致鉆井處于盲打狀態(tài)。鉆井液溫度隨井眼溫度的升高而升高，這會影響井下工具的使用壽命。因此，高溫井開采需配備一套鉆井液冷卻裝置，用以消除井底溫度對鉆井作業(yè)的不利影響[3]。目前主要通過地面配置的鉆井液冷卻系統(tǒng)對鉆井液進(jìn)行冷卻。流量不大、返回溫度不高的鉆井液可采用自然冷卻方式，但是氣候變化對該冷卻方式影響明顯。新加坡FPT公司的制冷系統(tǒng)采用噴淋方式，通過將冷卻水或載冷劑直接噴淋到鉆井液管路上，達(dá)到鉆井液降溫的目的。美國的NOV、Schlumberger以及荷蘭TES公司采用板式換熱技術(shù)的鉆井液地面冷卻設(shè)備，將鉆井液與冷水或載冷劑等進(jìn)行換熱實(shí)現(xiàn)鉆井液的冷卻[4-5]。當(dāng)水基鉆井液急需冷卻時，還可以使用冰塊或低溫介質(zhì)進(jìn)行降溫，但該方法成本高，要求苛刻，僅作為應(yīng)急方案使用。國內(nèi)的鉆井液冷卻技術(shù)多采用板式熱交換器和管式熱交換系統(tǒng)。板式熱交換器采用逆流換熱實(shí)現(xiàn)動態(tài)冷卻鉆井液，冷卻效果較好，但在使用過程中極易造成換熱器堵塞。管式熱交換系統(tǒng)不易堵塞，但存在換熱效率低、體積大等問題[6-7]。

目前國產(chǎn)鉆井液冷卻設(shè)備存在降溫效率低、體積大、易堵塞等問題，無法滿足鉆井現(xiàn)場的需要。針對上述問題，筆者建立了井筒循環(huán)鉆井液傳熱模型，進(jìn)行井下鉆井液傳熱規(guī)律仿真，明確了鉆井液的入井溫度。基于鉆井液入井溫度范圍，研制了ZLZY310高溫鉆井液冷卻系統(tǒng)。該裝置在油田開展了現(xiàn)場應(yīng)用，鉆井液降溫效果顯著，保證了井下隨鉆測量儀器數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，未出現(xiàn)因井下高溫導(dǎo)致的停鉆循環(huán)、起下鉆等情況，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 技術(shù)分析

1.1 總體結(jié)構(gòu)

ZLZY310高溫鉆井液冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置采用模塊化設(shè)計(jì)的整機(jī)結(jié)構(gòu)，在滿足核心功能的同時便于現(xiàn)場安裝和搬運(yùn)。該裝置包括水罐模塊、散熱模塊、集成散熱模塊和換熱制冷模塊。水罐模塊用于存儲冷卻水，并為換熱器提供冷卻水。每個散熱模塊有4臺冷卻塔，用于對換熱后的冷卻水進(jìn)行降溫，將熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中。換熱模塊包括換熱器、砂泵、水泵等，用于高溫鉆井液和冷卻水之間的熱交換。制冷模塊包括螺桿制冷機(jī)組、冷水罐等，用于制造低溫冷水，進(jìn)一步降低鉆井液溫度。

1—水罐模塊；2—散熱模塊；3—集成散熱模塊；4—換熱制冷模塊。圖1 ZLZY310高溫鉆井液冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of ZLZY310 high temperature drilling fluid cooling system

1.2 工作原理

ZLZY310高溫鉆井液冷卻系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。從井底返回至地面的高溫鉆井液進(jìn)入鉆井液罐中，鉆井液罐中的鉆井液由砂泵輸送，依次流經(jīng)熱交換器A與熱交換器B。流經(jīng)熱交換器A時，高溫鉆井液與水泵輸送的常溫水換熱，換熱后的常溫水經(jīng)冷卻塔冷卻后，返回水罐，并再次循環(huán)使用。一次換熱后的鉆井液流經(jīng)熱交換器B時，與水泵輸送的冷卻水換熱，再次降低鉆井液溫度。升溫后的冷卻水返回冷水罐，繼續(xù)由制冷機(jī)循環(huán)冷卻。同時，制冷機(jī)產(chǎn)生的熱量，由冷卻罐內(nèi)的常溫水吸收，并通過冷卻塔散熱。經(jīng)兩級冷卻后的鉆井液返回鉆井液罐，完成冷卻過程。

圖2 ZLZY310高溫鉆井液冷卻系統(tǒng)工藝流程Fig.2 Technological process of ZLZY310 high temperature drilling fluid cooling system

當(dāng)換熱器被雜物堵塞時，采用反沖洗流程：換熱模塊中的砂泵通過鉆井液過濾器，抽汲循環(huán)罐內(nèi)的高溫鉆井液，首先輸送至熱交換器B進(jìn)行冷卻，然后輸送至熱交換器A進(jìn)一步冷卻。降溫后的鉆井液攜帶過濾器中的雜物排出管匯，解除堵塞。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

最大處理量：260 m3/h；

換熱面積：310 m2；

鉆井液溫度降低：23～38 ℃；

最大工作壓力：1.0 MPa；

裝機(jī)總功率：204 kW；

外形尺寸：10 510 mm×5 480 mm×5 100 mm。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 井下鉆井液傳熱分析

2.1.1 井下鉆井液傳熱計(jì)算模型

考慮井下?lián)Q熱因素對鉆井液、管柱、地層溫度分布的影響[8-9]。假設(shè)：巖石的密度、比熱容和熱導(dǎo)率不隨溫度而變化；鉆井液為不可壓縮的流體，在循環(huán)流動過程中熱導(dǎo)率和比熱容與溫度無關(guān)。建立井下鉆井液傳熱計(jì)算模型如下。

管柱內(nèi)液體溫度模型：

(1)

管柱溫度模型：

(2)

環(huán)空內(nèi)液體溫度模型：

(3)

地層熱模型：

(4)

式中：ρl為鉆井液密度，kg/m3；ρw為鉆柱材料密度，kg/m3；q為鉆井液的質(zhì)量流量，kg/s；Cl為鉆井液的比熱，J/(kg·℃)；Cw為鉆柱材料比熱，J/(kg·℃)；Cf為地層巖石比熱容，J/(kg·℃)；Tc為小井眼鉆柱內(nèi)鉆井液的溫度，℃；Tw為鉆柱壁溫度，℃；Ta為小井眼環(huán)空鉆井液溫度，℃；Tf為地層溫度，℃；kw為鉆柱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；kl為鉆井液的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；kf為地層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；rci為鉆柱內(nèi)半徑，m；rco為鉆柱外半徑，m；rb為井眼半徑，m；hci為鉆柱內(nèi)壁與鉆井液的對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；z為軸向坐標(biāo)，m；r為徑向坐標(biāo)，m；f(t)為無因次時間函數(shù)；Qa為環(huán)空鉆井液黏性摩擦功率，W/m；Qc為套管內(nèi)鉆井液黏性摩擦功率，W/m。

2.1.2 鉆井液傳熱模型及網(wǎng)格劃分

以川南工區(qū)瀘203區(qū)塊為例，建立了井筒循環(huán)鉆井液傳熱模型及網(wǎng)格模型，如圖3所示。1、2為地層固體域，3、4為鉆井液流體域。入口段為inlet，出口段為outlet1、outlet2，邊界條件設(shè)置為速度入口，出口(outlet1，outlet2)邊界條件均設(shè)置為壓力出口，其余壁面均設(shè)置為Wall。網(wǎng)格尺寸為1 mm，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.9以上。鉆井液密度為2.0 g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為1 W/(m·℃)，比熱容為2.1 kJ/(kg·℃)，塑性黏度為24 cp，動切力為8 Pa；鉆柱密度為7.8 g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為48 W/(m·℃)，比熱容為0.5 kJ/(kg·℃)。

圖3 鉆井液井下傳熱模型Fig.3 Downhole drilling fluid heat transfer model

2.1.3 入井溫度對井底鉆井液溫度的影響分析

圖4為井底地層溫度為150 ℃，鉆井液排量為30 L/s，循環(huán)15 h，不同水平段鉆井液入井溫度與井底鉆桿末端溫度的關(guān)系曲線。

圖4 不同水平段長度下鉆井液入井溫度與井底鉆桿末端溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between drilling fluid temperature at the entry and at the bottom drill pipe end with different lengths of horizontal intervals

井底鉆桿末端溫度隨著鉆井液入井溫度的增加而升高，近似正線性相關(guān)。當(dāng)鉆井液溫度從25 ℃升高到80 ℃，不同水平段井底鉆桿末端溫度的最大值為138.28 ℃，最小值為116.01 ℃。井底鉆桿末端溫度對鉆井液入井溫度變化很敏感，所以在不改變初始模擬計(jì)算參數(shù)情況下，單純降低鉆井液入井溫度即可達(dá)到降溫的目的。

2.1.4 井底鉆井液瞬態(tài)分析

考慮鉆井過程停泵、接單根時鉆井液靜止的影響，研究鉆井液靜止情況下的井底溫度變化情況，對鉆井液靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行瞬態(tài)分析。基于上節(jié)的模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：井深3 800 m，水平段長度為1 000 m，鉆井液入井溫度為35 ℃，鉆井液排量為30 L/s，模擬鉆井液靜止?fàn)顟B(tài)下溫度變化情況。

靜止?fàn)顟B(tài)下，井底鉆井液隨時間溫度的變化見圖5。由圖5可知,鉆井液停止供應(yīng)前4 min井底鉆桿末端溫度曲線斜率較大，井底鉆桿末端溫度增速較快。從第5 min開始到第10 min鉆桿末端升溫曲線較為平緩，第10 min時鉆桿末端溫度比第5 min時的溫度高1.9 ℃，井底鉆桿末端溫度變化情況較小。

圖5 井底鉆井液溫度隨時間變化關(guān)系圖Fig.5 Change of bottom hole drilling fluid temperature with time

依據(jù)本節(jié)分析結(jié)果，鉆井液入井溫度降低，井下鉆井液溫度隨之降低。鉆井液的黏溫效應(yīng)導(dǎo)致黏度隨溫度降低而增大，特別是油基鉆井液。鉆井液黏度過高導(dǎo)致泵送效率降低、機(jī)械轉(zhuǎn)速下降等問題。另一方面，冷卻裝置冷卻鉆井液，使鉆井液入井溫度過低會增加使用成本。基于井下鉆井液傳熱理論分析結(jié)果，考慮鉆井效率、成本等因素[10-11]，確定鉆井液的最佳入井溫度為35 ℃。

2.2 水罐模塊

水罐模塊主要包括罐體、進(jìn)水管匯和2組冷卻泵，如圖6所示。該模塊用于存儲并循環(huán)冷卻水，罐體可存儲50 m3冷卻水，為冷卻水泵提供充足的冷水供應(yīng)并隨機(jī)配有水流開關(guān)，在冷凍水或冷卻水流量不足或斷水時，機(jī)組停機(jī)保護(hù)，以防止損壞壓縮機(jī)。設(shè)計(jì)了進(jìn)水管匯，可對高溫冷卻水進(jìn)行分流輸送至冷卻塔。高溫冷卻水經(jīng)冷卻塔散熱后，在重力作用下，落回至罐體，實(shí)現(xiàn)冷卻水的循環(huán)利用。

1—罐體；2—進(jìn)水管匯；3—支架；4—主冷卻泵；5—副冷卻泵。圖6 水罐模塊Fig.6 Water tank module

2.3 散熱模塊

1—散熱座；2—冷卻塔；3—排水口；4—進(jìn)水管匯；5—集水槽。圖7 散熱模塊Fig.7 Heat dissipation module

散熱模塊主要由散熱座和4臺冷卻塔組成，如圖7所示。該模塊安裝在水罐模塊上方，散熱座與冷卻塔之間采用螺栓連接的方式固定。冷卻塔中心與水罐內(nèi)的進(jìn)水管匯連接，通過冷卻塔頂部的冷卻風(fēng)扇對換熱后的冷卻水風(fēng)冷降溫，散熱后的冷卻水經(jīng)排水口返回水罐模塊。為應(yīng)對異物墜落，上部風(fēng)筒設(shè)置熱鍍鋅鋼網(wǎng)。

2.4 換熱模塊

換熱模塊由換熱座、板式換熱器、管匯、砂泵和控制箱組成，如圖8所示。換熱模塊與水罐模塊平行安裝，換熱座是模塊中其他部件工作的平臺。砂泵作為散熱模塊的動力模塊用于鉆井液的循環(huán)，在砂泵的入口安裝了雜質(zhì)過濾器[12]，避免換熱器的堵塞。板式換熱器由換熱器A和換熱器B組成，兩換熱器采用串聯(lián)方式依次為鉆井液降溫。由水罐模塊中的主、副冷卻泵為板式換熱器供應(yīng)冷卻水，該過程全部由控制箱中的控制系統(tǒng)控制。當(dāng)換熱器B發(fā)生故障時，換熱器A可單獨(dú)工作。砂泵通過鉆井液過濾器，抽汲循環(huán)罐內(nèi)的高溫鉆井液，輸送至換熱器A進(jìn)行冷卻，降溫后的鉆井液再返回循環(huán)罐。

1—控制箱；2—砂泵；3—管匯；4—板式換熱器；5—換熱座。圖8 換熱模塊Fig.8 Heat exchange module

2.5 制冷模塊

1—冷水罐；2—循環(huán)泵；3—制冷機(jī)組。圖9 制冷模塊Fig.9 Cooling module

制冷模塊由冷水罐、循環(huán)泵、螺桿制冷機(jī)組構(gòu)成，如圖9所示。循環(huán)泵用于制冷機(jī)組和冷水罐之間的循環(huán)，循環(huán)泵將冷水罐中的冷水輸送至換熱器B中進(jìn)一步降低鉆井液溫度，換熱后的冷水經(jīng)制冷機(jī)組冷卻后返回至冷水罐，實(shí)現(xiàn)循環(huán)冷卻。其中制冷機(jī)產(chǎn)生的熱量，由冷卻罐內(nèi)的常溫水吸收，并通過冷卻塔散熱。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2020年5月，ZLZY310高溫鉆井液冷卻系統(tǒng)在西南區(qū)塊瀘203H6-4井現(xiàn)場應(yīng)用。ZLZY310高溫鉆井液冷卻系統(tǒng)安裝于循環(huán)罐外側(cè)，從循環(huán)罐中間的連通管引出鉆井液。

常溫冷卻水通過主換熱器冷卻鉆井液，制冷機(jī)組產(chǎn)生的低溫冷卻水通過副換熱器冷卻鉆井液，鉆井液溫度由72 ℃降至28 ℃。將瀘203H6-4井的井下溫度與鄰井瀘203H6-8、瀘203H5-1使用其他鉆井液冷卻裝置冷卻同水平段井下溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，如圖10所示。

圖10 應(yīng)用井與鄰井同水平段井下溫度對比Fig.10 Comparison of downhole temperature between application wells and adjacent wells at the same horizontal interval

采用ZLZY310鉆井液冷卻系統(tǒng)的井口鉆井液返出溫度由76 ℃降至51 ℃，鉆井液入井溫度由72 ℃降至28 ℃，井下溫度由130 ℃降至115 ℃，降溫效果顯著，未出現(xiàn)因井下高溫導(dǎo)致的停鉆循環(huán)、起下鉆等情況，保證井下溫度不會超過隨鉆測量儀器額定工作溫度。截至目前，ZLZY310高溫鉆井液冷卻系統(tǒng)已在瀘203H6-3、陽101H41-5、瀘210、瀘203H59-2、威頁34-7HF、威頁24-3HF、威頁34-1HF、陽101H41-6、瀘203H6-1等井位，完成了20余口井的鉆井作業(yè)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均能滿足鉆井現(xiàn)場高溫鉆井液的冷卻要求，受到鉆井隊(duì)的一致好評，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

本文針對高溫的井下環(huán)境導(dǎo)致隨鉆測量儀器精度失準(zhǔn)或失效的問題，設(shè)計(jì)了ZLZY310高溫鉆井液冷卻系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)的交互式換熱技術(shù)及工藝流程大幅提高了換熱的工作效率。該鉆井液冷卻裝置可以實(shí)現(xiàn)鉆井液入井溫度的大幅降低，該裝置還有以下特點(diǎn)：

(1)該裝置通過雙換熱器串聯(lián)的工作方式，實(shí)現(xiàn)了鉆井液冷卻系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，空間利用率高，便于安裝、運(yùn)輸。

(2)鉆井液冷卻系統(tǒng)適用范圍廣泛，可調(diào)控性大。面對環(huán)境溫度較低情況，僅需啟動換熱器、冷卻塔即可，采用多組冷卻塔與各冷卻塔并聯(lián)使用。

(3)可靠性高。整機(jī)設(shè)計(jì)了保護(hù)結(jié)構(gòu)及程序，以應(yīng)對現(xiàn)場問題。現(xiàn)場應(yīng)用20口井，整機(jī)性能穩(wěn)定。