基于熱管技術的鉆井液地面降溫系統研制

梁曉陽 趙聰 趙向陽 張亞洲 白園園 楊謀

摘要：針對目前鉆井液地面降溫設備存在的過流通道狹窄、易腐蝕、換熱效率低等問題，通過計算換熱量及換熱系數等，確定了熱管參數和數量，設計并開發了一套鉆井液地面降溫系統，建立了一套井筒瞬態溫度場數值模型，進行了模擬樣機試制及冷卻試驗，并在順北X井完成首次應用。應用結果表明：該系統可將鉆井液循環入井溫度降低30 ℃左右，井底循環溫度降低5～8 ℃，可有效緩解井下儀器高溫下失效問題；建立的井筒溫度場瞬態分析數值模型可以有效地指導選井工作和分析工作；為降低經預測過高的井底循環溫度，須在鉆井設計時統籌考慮井身結構、鉆具組合、循環排量等關鍵因素。所得結論可為現場選井以及應用效果分析等工作提供理論指導。

關鍵詞：鉆井液；地面降溫；熱管；井筒溫度場；數值模型

0 引 言

隨著能源需求的增加和石油鉆井技術的發展，深井、超深井開發已成為鉆井工業發展的重要方向。鉆井深度逐漸增加，導致鉆井液井底循環溫度越來越高，當溫度高于某一極限時，井內測量儀器、螺桿鉆具等將無法正常使用，甚至燒毀，這將增加鉆進時間和建井成本［1］。同時，高溫鉆井液會降低井筒穩定性，井筒下部溫度高，上部溫度低，鉆井液循環會使上部井壁圍巖產生熱應力，當熱應力與地層自身應力之和超過巖石強度時，將會導致井壁失穩［2］。而且使用鉆井液是保證井控安全的主要手段，地面和井筒鉆井液的流變穩定性是基礎，溫度升高會導致鉆井液塑性黏度下降、密度減小，從而影響鉆井液的穩定性。

目前，國內外公司已開展鉆井液地面降溫系統的研發。瑞典Alfa Laval公司研發的螺旋式熱交換器，具有循環通道大，不易堵塞，熱交換效率高等優點。美國Drill Cool公司開發的DRY AIR GEOCOOLER降溫系統，最大可允許20 mm固相顆粒，且不需要使用冷卻水，但是使用成本較高。我國對鉆井液冷卻技術的研究起步較晚，提出了一種基于板式換熱器的高溫鉆井液冷卻系統的概念設計。吉林大學研制了一套基于同軸套管換熱器的用于凍土層天然氣水合物井的鉆井液冷卻系統。四川頁巖氣公司開發了用于油基鉆井液地面降溫處理的復合型冷卻介質，并結合板式換熱器實現鉆井液的降溫［3-4］。

目前降溫系統主要以殼式、板式和螺旋式換熱器為主，由于流道較窄，含有鉆屑等雜質，黏稠的鉆井液極易造成換熱器堵塞，影響使用；此外鉆井液在板片內快速流動，對于板片和管道的磨損會引起密封膠墊的失效，造成冷卻介質與鉆井液串通，破壞鉆井液性能，存在造成井控事故的風險。加之常規鉆井液地面降溫設備換熱效率不高，超深井鉆井液帶來的換熱需求與過流通道狹窄、易腐蝕、換熱效率低等問題亟需解決。為此開發1套地面降溫系統，建立相關模型，開展相關試驗與研究。

1 順北區塊降溫需求分析

塔里木盆地順北油氣田的重點探井——順北42X井，試采獲千噸工業油氣流，實現順北油氣田4號斷裂帶勘探重大突破。目前順北油氣田井深（垂深）一般為8 000 m左右，溫度梯度為1.7～2.0 ℃/100 m；順南區塊溫度梯度較大，溫度梯度為2.6～2.7 ℃/100 m，鉆井液井底溫度大多超過160 ℃（測井儀器安全使用溫度）。具體井深及溫度如表1所示。

隨著鉆井深度的增加，地層溫度不斷升高，井底溫度已經超過175 ℃，有些甚至接近200 ℃。

高溫高壓等復雜的井下環境會對井下設備和工具特別是隨鉆測量控制儀器造成嚴重影響，在目前井下工具和隨鉆測量控制儀器的電子元器件耐受高溫能力普遍要求在160 ℃以下的情況下，經常出現井下設備和工具因高溫損壞而無法正常工作，嚴重影響高溫高壓區塊的勘探開發進度。

以順北油田某井為例，鉆井液通過除渣、配漿等一系列處理工藝后，入口溫度大部分在40 ℃以上，當井深超過4 000 m、排量不小于20 L/s時，鉆井液入口溫度基本在60～70 ℃之間，其中最高溫度出現在7 180 m，此時入口溫度為70 ℃，如圖1所示。

基于實測數據及工程經驗，確定研究鉆井液地面降溫系統的技術指標為：在鉆井液流量為25 L/s時，通過冷卻裝置將其溫度由70 ℃降至40 ℃以下（即鉆井液降溫30 ℃）；鉆井液比熱容為1.7 kJ/（kg·℃）、密度為2.0 g/cm3。

2 JW-GCY-Ⅰ 型鉆井液降溫系統設計

2.1 總體方案

2.1.1 換熱器結構

鉆井液冷卻技術從冷卻方式上主要分為自然冷卻和冷卻裝置強制冷卻。

自然冷卻需要較長的鉆井液循環路徑和較低的室外氣溫，一般應用于鉆井液排量不大、返回的鉆井液溫度不太高的情況。這種冷卻方式受氣候條件影響，對于深井、超深井和高溫高壓井鉆井液的冷卻效果不明顯。強制冷卻按照與鉆井液熱量交換的方式包括：分區噴淋、板式換熱、殼管式換熱等；按照冷源類型又可分為利用海水、河湖水自然冷源以及制冷機組制冷的工業冷源等（冷水機組或氨制冷機組等）。

這里采用傳熱效率極高的熱管作為換熱工具，將鉆井液中熱量快速傳導到冷卻循環水中，然后再對冷卻循環水進行降溫處理。該系統換熱單元熱管排列間隙及換熱面積大，鉆井液在換熱單元內可進行充分熱交換，無鉆井液堵塞，可以忽略磨損影響；且維護使用方便，換熱過程中流速大大降低。故選用熱管換熱器作為鉆井液換熱方式。

2.1.2 冷源選擇

在冷源方式選擇上，有自然冷源、制冷機組冷源以及吹風強制散熱等。利用自然冷源的首要條件是臨近低溫海水以及江河湖水，如海上油氣勘探等。這里的鉆井位于沙漠戈壁之中，天然冷源的利用沒有條件，雖然制冷機組提供低溫或超低溫冷源，在冷卻效果上最有保障，但裝備費用投資大，制冷機組運行能耗大，增加了運行費用。除了對于可燃冰鉆探等特殊工藝必須采用低溫鉆井液外，本文依據順北超深井使用井況，制定了70 ℃到40 ℃的鉆井液降溫目標，建議采用的冷卻塔蒸發散熱的方式可提供20～30 ℃的冷卻水，不僅降低了裝備投資，使運行費用極大降低，低碳環保，而且更加方便操作使用，是一種更經濟可行的高溫鉆井液冷卻方式。

采用熱管換熱技術和蒸發冷卻技術實現了鉆井液的快速、高效及低成本的冷卻。首先通過熱管換熱器將高溫鉆井液的熱量迅速傳遞給冷卻水，降低鉆井液溫度，再利用蒸發冷卻技術將升溫后的冷卻水降至一定溫度，并返回系統再次吸熱，從而實現系統的循環降溫。

圖2為鉆井液熱管冷卻裝置工作流程圖。裝置設置在除渣等工藝處理過程之后，經其冷卻處理的低溫鉆井液直接泵送至儲存罐，并進入井筒內。實際使用中，裝置獨立于鉆井其他處理工藝之外，因此冷卻罐擺放更加靈活。

2.2 關鍵結構

2.2.1 熱管選擇

熱管選擇主要包括熱管管殼材質、工質、管芯及熱管直徑等要素的確定。

管殼的作用是把工質與外界隔開，因此管殼的作用是防漏、承壓、能向工質傳熱以及把工質的熱量傳出。管殼材料的選定應考慮相容性、強度和重力、傳熱系數、是否易于加工、潤濕性等因素。常規熱管管殼材質包括鋁、不銹鋼、碳鋼、鐵、銅，本文中熱管應用的外部換熱流體為鉆井液，呈弱堿性，具有一定的腐蝕性，應選擇耐腐蝕的材質。

熱管工質選擇須滿足工質與管芯和管殼材料的相容性、熱穩定性能好、工質能潤濕管芯和管殼材料、蒸汽壓力在合適范圍內（在運行的溫度范圍內蒸汽壓力必須足夠大，以避免蒸汽速度過高，將與之反向流動的冷凝液攜帶走；同時壓力又不能太高，太高必須使用厚壁管殼，造成成本增加），其汽化潛熱大、熱導率高、工質的液相和蒸汽相的黏度低，表面張力大、冰點或凝固點要適當、安全性能高。設置工作溫度范圍為40～70 ℃，考慮熱管管殼材質與工質的相容性，選擇X材質作為鉆井液熱管冷卻裝置中熱管的內部工質［5］。

管芯主要為液體循環提供毛細驅動力以及流動的通道。因此對管芯的要求為：首先能提供足夠大的毛細壓頭，即管芯應具有較小的有效毛細半徑；同時要求管芯對液體流動的阻力要小，即管芯應具有較高的滲透率［6-7］。

這里選擇有效毛細半徑小、熱阻小、滲透率中等的螺旋干線管芯結構，同時結合換熱罐鉆井液側和冷水側介質流動性和黏附性的差別，在鉆井液側和冷卻水側分別設計翅片式熱管和圓柱型熱管，最大程度地提高換熱效率和系統的長效性。

熱管的直徑對單管熱流量、承壓強度、換熱面積及流動阻力等均有影響。隨熱管直徑的增大，有效換熱面積也隨之增加，同時熱管毛細內徑也增大，毛細滲透率也會相應提高，進而提升熱管傳熱性能。然而在工程應用中，并非熱管越多、管徑越大越好，還需對整體造價和運行費用綜合評估后進行選取。通常使用的熱管直徑與單管熱流量及蒸發段長度的關系如表2所示。

4 應用案例分析

4.1 模擬樣機試制與室內試驗

為驗證鉆井液熱管冷卻裝置的應用效果，基于前述設計方案，以1∶10為尺寸比例搭建了鉆井液熱管冷卻系統微縮模型，如圖4所示。通過該模型可清楚地展示鉆井液熱管冷卻裝置的基本結構，并能夠進行冷卻試驗，從而驗證該裝置的冷卻效果。

室內試驗分2組進行，運行工況見表3。

第1組試驗，將加熱功率調至2.5 kW，熱水流量采用0.12 t/h，冷水流量采用0.04 t/h，用以驗證微縮模型試驗臺中熱管的傳熱性能是否良好。

第2組試驗，將加熱功率調至5.0 kW，熱水流量采用0.12 t/h，冷水流量采用1.15 t/h，測試微縮模型試驗臺的冷卻性能。

圖5和圖6分別為在加熱功率2.5和5.0 kW時，穩定后的模型試驗臺的進、出水溫度曲線。從圖5可見，當加熱功率為2.5 kW時，穩定后的熱水進水溫度約為70.6 ℃，出水溫度約為52.7 ℃，換熱量約為2.46 kW；冷水進水溫度約為12.6 ℃，出水溫度約為46.6 ℃，換熱量約為1.43 kW。試驗結果表明，當冷水側采用小流量時，冷水進出水溫差可達到34 ℃，由此表明模型試驗臺內，熱管水-水換熱條件下具有較好的傳熱性能，可用于實現流體冷卻。經計算，試驗條件下該模型試驗臺的平均傳熱系數為169.3 W/m2·℃。

從圖6可見，加熱功率為5.0 kW時，穩定后的熱水進水溫度約為75.6 ℃，出水溫度約為39.7 ℃，換熱量約為4.95 kW；冷水進水溫度約為14.6 ℃，出水溫度約為17.3 ℃，換熱量約為3.63 kW。試驗結果表明，本模型基本滿足設計要求，具有較好的冷卻效果。經計算，試驗條件下該模型試驗臺的平均傳熱系數為229.8 W/m2·℃。

此外，上述2組試驗中，熱源側與冷源側換熱量差別較大，分別為1.03 kW和1.32 kW。分析其原因主要為，試驗在室外進行，測試時室外氣溫較低，因此熱水的熱量損失較大。

采用FLIR ONE PRO紅外成像儀分別測量加熱功率為2.5 kW和5.0 kW時，運行穩定后的冷卻罐熱水側的溫度分布，如圖7和圖8所示。從圖7和圖8中可以看出：熱水經過熱管后大幅降溫，進、出口溫差分別可達17.6和33.4 ℃；罐內溫度出現明顯分層現象（即上層溫度高于下層溫度），沿進口至出口方向，溫度整體呈下降趨勢，且變化趨勢連續，具有良好的冷卻效果，滿足設計要求。

4.2 現場應用案例

順北X井是一口五級結構斜井，預測井底（垂深8 090 m）溫度為155.2～172.8 ℃。該井五開使用油基鉆井液，油水比達77∶23。鉆具組合：111.1 mm（57/8 in）鉆頭（水眼12.7 mm×3）+400 m 88.9 mm（31/2 in）加重（水眼52 mm）+5 500 m 88.9 mm（31/2 in）鉆具（水眼54 mm）+2 600 m 114.3 mm（41/2 in）鉆具（水眼65 mm）。

通過溫度場模型進行井筒循環溫度分析，工藝參數：井口入口溫度為43、24、10及0 ℃，鉆井液排量為10.5 L/s，機械鉆速為1 m/h，地溫梯度為每100 m 2 ℃，鉆井液類型為油基鉆井液，鉆井液比熱容為2 600 J/kg·℃，鉆井液導熱系數為0.39 J/m·℃。順北X井在不同入口溫度下井底溫度分布情況如圖9所示。

從圖9中可以看出，當入口溫度由43 ℃降至24 ℃時，井底循環溫度降低3 ℃左右，繼續降溫至10 ℃，井底循環溫度降低4℃左右。

工藝參數：入口溫度為24 ℃，鉆井液排量為10.5 L/s，機械鉆速為1 m/h，地溫梯度為每100 m 2 ℃。

鉆井液油水比直接影響鉆井液比熱，以下分析當鉆井液比熱容分別為1 800、2 300、2 800、3 100 J/kg·℃時，井底循環溫度變化情況。順北X井在不同鉆井液比熱容下井底溫度分布及走勢分別如圖10、圖11所示。

由圖10和圖11可見，根據模擬結果，鉆井液比熱越高，井底循環溫度越低，即鉆井過程中，提高鉆井液比熱容有助于降低井底循環溫度。而根據管志川等［11］研究，鉆井液油水比越低、密度越低，鉆井液比熱容越高。因此，在井底高溫限制井下儀器工作的油氣井開發中，建議在滿足鉆井其他要求的前提下，盡量降低鉆井液油水比，或使用水基鉆井液，同時降低鉆井液密度，以提高井底循環降溫效果。

實際鉆進至8 100 m左右時，鉆井液出口溫度為50 ℃左右，入口溫度為42 ℃左右，井底循環溫度為150 ℃左右，如表4所示。鉆進至8 160 m時，開始使用鉆井液地面降溫系統，由于天氣等因素影響，冷卻塔未全部開啟，冷卻水溫度接近冰點。使用降溫系統后，鉆井液出口和入口溫度顯著降低，與降溫前同時間段對比，入口溫度可以下降25 ℃左右，最低達到16 ℃（鉆井液經過設備降溫后溫度為12～14℃）。按照換熱量計算，系統全部開啟后，地面降溫將達到30℃以上，鉆井液進出、口溫度變化見圖12。

考慮到地層的特殊性，對比表4中數據進行效果分析，在循環排量基本一致的情況下，使用設備后，垂深在增加76.85 m的情況下溫度（143 ℃）保持不變。但后期沒有使用設備，在垂深增加32.62 m的情況下，溫度上升了5 ℃（143～148 ℃）?？傊?，使用降溫系統時，井底循環降溫效果約為5 ℃左右。由于140～145 ℃對于大多數耐溫160 ℃的進口和國產旋導儀器是一個分水嶺，溫度超過145 ℃后，儀器的可靠性和壽命都將受到極大影響，因此，將井底循環溫度保持在145 ℃以下，對于井下儀器具有十分重要的意義。

通過對比井筒溫度場模擬結果，與實際井底循環溫度基本一致；同時，對井筒溫度場模型不同參數的模擬可有效指導現場選井、應用效果分析等工作。

5 結論與建議

（1）開發了一套JW-GCY-Ⅰ型鉆井液地面降溫系統，在石油鉆井行業開創性地將熱管技術應用于該鉆井液地面降溫系統中，可將鉆井液循環入井溫度降低30 ℃左右，井底循環溫度降低5～8 ℃，有效緩解井下儀器在高溫下失效問題。

（2）建立了一種可靠性較高的井筒溫度場瞬態分析數值模型，可以有效地指導選井和分析工作。

（3）在超深井設計過程中，若預測井底循環溫度過高，則需要在鉆井設計時統籌考慮井身結構、鉆具組合、循環排量等關鍵因素，以降低井底循環溫度。

（4）建議合理選擇適用井況。井身結構對降溫效果有重要影響，應選擇合理的井身結構、地溫梯度以保證地面溫度降低后能使井下循環溫度有效降低。如果需要進一步降低井底循環溫度，應選擇較大地面溫梯度，井深不超過7 000 m，鉆井液入口溫度較高的井（出口溫度70 ℃左右），以提高地面和井下降溫效果。同時，建議使用大通徑非標鉆具或大水眼鉆頭，提升循環通道直徑，以促進相同鉆井壓力下循環排量的提高。而對于超深井或小通徑鉆具無法通過提高循環排量來給井底迅速降溫的情況，建議進一步研究鉆桿隔熱技術，降低鉆桿壁內外的熱交換，可有效降低井底循環溫度。

（5）建議提高鉆井液比熱容。油基鉆井液比熱容約為2.1 kJ/（kg·℃），水基鉆井液約為4.2 kJ/（kg·℃），提高比熱容能有效減緩入井過程中鉆井液升溫速度。

（6）建議在鉆井液中添加專用相變材料，基于“相變蓄熱原理”，提高鉆井液在井下的降溫效果。

參考文獻：

［1］劉珂，蘇義腦，高文凱，等．隨鉆儀器井下降溫系統冷卻效果數值研究［J］．石油機械，2022，50（7）：18-25，33．

LIU K，SU Y N，GAO W K，et al.Numerical study on cooling effect of downhole cooling system of instrument while drilling［J］.China Petroleum Machinery，2022，50（7）：18-25，33.

［2］FREIJ-AYOUB R，TAN C P，CHOI S K.Simulation of time-dependent wellbore stability in shales using a coupled mechanical-thermal-physico-chemical model［C］//SPE/IADC Middle East Drilling Technology Conference and Exhibition.Abu Dhabi，United Arab Emirates：SPE/IADC，2003：SPE 85344-MS.

［3］劉彪，李雙貴，楊明合，等．鉆井液溫度控制技術研究進展［J］．化學工程師，2019，33（1）：42-44，59．

LIU B，LI S G，YANG M H，et al.Research progress on drilling fluid temperature control technology［J］.Chemical Engineer，2019，33（1）：42-44，59.

［4］馬青芳．鉆井液冷卻技術及裝備綜述［J］．石油機械，2016，44（10）：42-46．

MA Q F.Discussion on drilling fluid cooling technology and equipment［J］.China Petroleum Machinery，2016，44（10）：42-46.

［5］黃彩英，王易倩，呂玉菊，等．熱管技術的應用［J］．機電技術應用，2019（1）：183．

HUANG C Y，WANG Y Q，LYU Y J，et al.Application of heat pipe technology［J］.China Southern Agricultural Machinery，2019（1）：183.

［6］金光，肖安汝，劉夢云．相變儲能強化傳熱技術的研究進展［J］．儲能科學與技術，2019，8（6）：1107-1115．

JIN G，XIAO A R，LIU M Y.Research progress on heat transfer enhancement technology of phase change energy storage［J］.Energy Storage Science and Technology，2019，8（6）：1107-1115.

［7］RAMKUMAR P，SIVASUBRAMANIAN M，KANNA P R，et al.Heat transfer behaviour on influence of an adiabatic section on concentric tube shell assisted heat pipe heat exchanger［J］.International Journal of Ambient Energy，2021，42（6）：672-681.

［8］宋洵成，管志川．深水鉆井井筒全瞬態傳熱特征［J］．石油學報，2011，32（4）：704-708．

SONG X C，GUAN Z C.Full transient analysis of heat transfer during drilling fluid circulation in deep-water wells［J］.Acta Petrolei Sinica，2011，32（4）：704-708.

［9］YANG M，LI X X，DENG J M，et al.Prediction of wellbore and formation temperatures during circulation and shut-in stages under kick conditions［J］.Energy，2015，91：1018-1029.

［10］趙向陽，趙聰，王鵬，等．超深井井筒溫度數值模型與解析模型計算精度對比研究［J］．石油鉆探技術，2022，50（4）：69-75．

ZHAO X Y，ZHAO C，WANG P，et al.A comparative study on the calculation accuracy of numerical and analytical models for wellbore temperature in ultra-deep wells［J］.Petroleum Drilling Techniques，2022，50（4）：69-75.

［11］管志川，李千登，寧立偉，等．鉆井液熱物性參數測量及其對井筒溫度場的影響［J］．鉆井液與完井液，2011，28（3）：1-4．

GUAN Z C，LI Q D，NING L W，et al.Study on drilling fluid thermal properties measurement and influence on wellbore temperature field［J］.Drilling Fluid & Completion Fluid，2011，28（3）：1-4.