ZLQ030-75型高溫鉆井液冷卻裝置研制

郗秦陽,彭俊威,戴啟平,周 青,唐 成,楊 強

(1.寶雞石油機械有限責任公司,陜西 寶雞 721002; 2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心,陜西 寶雞 721002;)

隨著世界對能源需求的不斷增加和石油鉆探技術的不斷進步,深井、超深井和高溫高壓井的鉆探已經成為鉆井工業發展的重要方向。目前,我國的四川盆地、大慶松遼、塔里木山前、青海柴達木、華北深潛山等油氣上產區域普遍面臨著深層油氣勘探開發的高溫問題。井深7 000 ～8 000 m,井底溫度在150～260 ℃,在鉆井過程還會產生大量的熱量。如果這些熱量不及時被鉆井液循環帶走,會導致井下工具和隨鉆儀器因高溫而失效,還會使鉆井液性能下降。另外,鉆井液的高溫會限制天然氣水合物、干熱巖和地熱等清潔資源的勘探開發[1-3]。

大量的實鉆數據表明,井下溫度超過150 ℃,鉆井工具、隨鉆測量和測井等儀器的使用壽命短、故障率高;鉆井液性能不穩定,老化速度加劇?，F場需要停鉆循環降溫,或者舍棄隨鉆儀器來避免上述問題,從而大幅降低了鉆井作業的效率和安全可靠性[4-5]。如果在鉆井液入井前進行及時冷卻,就能使鉆井液高溫帶來的問題得到解決。高溫鉆井液冷卻裝置就是實現地面鉆井液大幅降溫的核心設備。

目前,鉆井液冷卻系統的工作原理以風冷、噴淋和交互式換熱3種方式為主。國外典型技術是:美國NOV公司于2004年公開的用于高壓/高溫鉆井的鉆井液冷卻技術[6];美國Mi SWACO公司分別在2008年和2017年公開的用于加拿大永久凍土層連續套管鉆井液冷卻技術和地熱鉆井液冷卻專利[7-8]等。國內針對高溫鉆井液冷卻系統的研究始于高杭等提出的一種適用于高溫鉆井液冷卻系統的概念設計,主要由冷卻管線,鉆井液循環罐,板式換熱器,冷卻循環泵,強迫風冷總成組成[9]。成都西部石油裝備股份有限公司、天津海英泰科技有限公司采用板式換熱器和開式風冷水塔,便于清洗維護;中原工程服務公司在此基礎上添加了壓縮機強冷裝置來保證降溫效果;華油飛達集團有限公司和成都超浩制冷科技有限公司則采用板式換熱器和閉式循環塔的組合方式,使冷卻水在換熱管線中封閉循環,減少漂水率。

筆者調研發現,現場應用的鉆井液冷卻設備的降溫性差、處理能力小、自動化程度低、故障率和維護成本高。各個橇體結構大小不一、部件管線復雜,存在設備運輸單元多、超重超限、占地面積大、現場連接困難等問題,使用效果并不理想,未能大規模推廣應用。2022年,寶雞石油機械有限責任公司依托中國石油天然氣集團有限公司科技項目 “高端井筒工作液新材料新技術與裝備研究”(2021DJ4406)開發了ZLQ030-75型高溫鉆井液冷卻裝置,并在油田成功應用。該裝置具備模塊化、自動化等技術特點,可滿足大排量的高溫鉆井液的冷卻需求,保障鉆井工具和隨鉆儀器在高溫井中的適應性,有效提升鉆井作業效率,具有廣闊的應用前景。

1 總體結構和工作原理

ZLQ030-75型高溫鉆井液冷卻裝置整體采用橇裝結構,設計為獨立的4個撬,即,冷卻橇、水罐橇、水塔橇Ⅰ、水塔橇Ⅱ。總體結構如圖1所示,水塔橇Ⅰ安裝在水罐橇上,水塔橇Ⅱ安裝在冷卻橇上,通過管匯和閥門相連通。冷卻橇為整體框架式結構,電控箱、砂泵、過濾器、補水泵、供水泵組、管線總成、換熱器組等依次布置在橇體之上,該撬用于冷卻高溫鉆井液。每個水塔橇采用4組單模塊水塔組裝而成,用于冷卻從換熱器中流出的高溫冷卻介質(清水)。水罐橇主要由冷卻水罐和循環管匯組成,用于儲存和分流冷卻介質,為換熱器輸送冷卻介質。

1-冷卻橇;2-水罐橇;3-水塔橇Ⅰ;4-水塔橇Ⅱ。 圖1 ZLQ030-75型鉆井液冷卻裝置總體結構

在現場工作時,通過管線把高溫鉆井液罐與冷卻橇的砂泵入口連接。高溫鉆井液由砂泵泵入到換熱器組。換熱器中的鉆井液將熱量交換給冷卻介質(清水)。從換熱器中流出的低溫鉆井液被輸送到鉆井液循環罐,供鉆井作業使用。從換熱器中流出的高溫水被輸送到水塔撬,通過冷卻水塔散熱。從冷卻水塔中流出的低溫水被輸送到水罐撬中存儲,并輸送給換熱器,作冷卻介質使用,如此循環整個工作,實現高溫鉆井的冷卻。由于冷卻水塔是采用開放式空氣散熱原理來冷卻水,會損失一部分水,因此通過補水泵來為高溫鉆井液冷卻裝置及時補充冷卻介質(水)。

高溫鉆井液冷卻裝置的主要技術參數如表1所示。

表1 ZLQ030-75型高溫鉆井液冷卻裝置的主要技術參數

2 換熱部件選型與計算

2.1 換熱部件選型

1) 換熱器。

換熱器是高溫鉆井液冷卻裝置的核心部件,其選型直接影響到整個系統的換熱效果。基于換熱流體運行參數、檢修便捷性及經濟適用性等方面的綜合考慮,選擇不銹鋼平板式換熱器[10]。這種換熱器可對較大流量的流體進行冷卻?？纱?、并聯組合配置,以滿足對不同流速、傳遞熱量和溫度范圍的要求。其優點還在于流道彎曲多變,即使鉆井液這種粘性很大的流體也會形成紊流流動,便于拆裝清洗。不銹鋼材質可以防止換熱片被鉆井液中的化學成分腐蝕。圖2為板式換熱器結構示意圖。

圖2 板式換熱器結構示意圖

2) 冷卻水塔。

考慮到冷卻裝置的工況需求和使用環境,選擇方形逆流開式冷卻水塔作為冷卻介質(水)的散熱部件,并進行了適用性改制。其具有良好的換熱性能,換熱過程合理, 填充材料少,冷卻效果好。配水系統不容易堵塞,填充材料不易老化。施工、安裝、維護簡單,費用低廉。圖3為方形逆流式冷卻水塔結構示意圖。

圖3 方形逆流式冷卻水塔結構示意圖

2.2 換熱參數計算

基本參數:

鉆井液流量qa150 m3/h

鉆井液進口溫度ta175 ℃

鉆井液出口溫度ta245 ℃

冷卻水進口溫度tb135 ℃

冷卻水出口溫度tb245 ℃

根據試驗數據得知:

鉆井液密度ρa=2 200 kg/m3時,比熱容ca=1.61 kJ/(kg·℃)。

冷卻水密度ρb=1 000kg/m3時,比熱容cb=4.174 kJ/(kg·℃)。

所選不銹鋼板式換熱器的傳熱系數K=749 W/(m2·℃)。

由換熱量公式可知:

Q=c·ρ·q·Δt

(1)

式中:Q為溫度變化的換熱量;Δt為進出口溫差,Δt=t1-t2;t1為進口最高溫度;t2為出口最低溫度;c為比熱容;ρ為密度;q為流量。

由熱量守恒定律可知:

Qa=Qb

(2)

式中:Qa為鉆井液換熱功率;Qb為冷卻水換熱功率。

逆流傳熱時的對數平均溫差:

Δtm=(Δt1-Δt2)/ln(Δt1/Δt2)

(3)

式中:鉆井液進口端溫差Δt1=ta1-tb2;鉆井液出口端溫差Δt2=ta2-tb1

換熱器散熱面積計算公式:

A=Q/(K·Δtm)

(4)

將相關參數代入上述公式計算,并考慮設計裕量,修正后得出換熱器的總換熱面積A=440 m2。

3 技術特點

3.1 模塊化結構設計

鉆井液冷卻裝置設計為4個橇體,符合模塊化吊裝要求,如圖4所示。每個撬體的外形輪廓尺寸一致,符合統一裝車運輸標準要求。所有管線在運輸吊裝過程中固定于水罐內。每個橇體的上下端面的4個角位置都設計了集裝箱角件,相鄰橇體的側面設計了定位塊,現場組裝時即可進行快速吊裝、定位和相互固連。管路連接采用硬管卡箍與柔性管相結合的形式,可補償橇體定位的位置偏差。模塊化結構設計有效解決了大功率冷卻設備超限運輸和現場安裝費時難題,安裝便捷度提升60%,占地面積減少40%,降溫幅度提高10℃ 。

3.2 多流程冗余設計

裝置將過濾器、砂泵、冷卻水泵和板式換熱器等2個1組平行布置在冷卻橇體之上,通過相應的管路和閥門連接,如圖5所示。其中,過濾器組和砂泵組為1用1備冗余設計,在過濾器清洗和砂泵故障時可以無縫切換。冷卻水泵和板式換熱器采取并聯模式,通過管路優化來匹配不同鉆井液排量和降溫工況需求。相較于串聯模式,并聯模式避免了兩級換熱器中泥漿板結造而成鉆井液沿程阻力損失越來越大的問題,且工作流程簡潔,設備運行可靠,還可以互為備用。

當換熱器被堵塞時,通過閥門控制切換至反沖洗模式,對調換熱器組的鉆井液進出口,反方向的流體就可以將流道內的雜物沖刷帶走,解除堵塞。

考慮到冷卻水塔漂水飛濺造成的水損失,設計了補水管路,可及時補充冷卻水。

圖5 冷卻橇設備布置

3.3 一鍵式恒溫自動控制技術

鉆井液冷卻裝置的控制系統主要由控制器、操作面板、傳感器、電控單元和氣控單元等組成。選用西門子SMART200 CPU SR60型控制器,配合使用擴展IO模塊負責信號的采集、邏輯處理和控制;選用人機交互觸摸屏完成參數監視和控制對象的狀態操作;控制器配備高速處理器芯片,且集成了以太網接口,用于實現以太網通信。通過該接口還可與其他CPU模塊、觸摸屏、PC機等進行以太網通信,具有可靠性高、配置靈活、輕松組網等優點。

控制系統主回路使用軟啟動器啟動電機,晶閘管的輸出電壓逐漸增加,電動機逐漸加速,直到晶閘管全導通,實現平滑啟動,降低啟動電流,避免跳閘。 傳感器的主要功能是對裝置中鉆井液和冷卻水運行參數進行實時檢測,并反饋至控制器和屏幕上,以便控制系統和操作人員根據工況條件及時調整控制參數,保證系統的正常運行。其主要由溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器和液位計等組成。傳感器安裝位置位于冷卻裝置和換熱器冷熱流體的進出口,以及冷卻水罐內。

如圖6所示,電控部分采用冷卻橇上的防爆控制箱進行集中控制。在2個水塔橇上還配備本地控制盒,方便調試和維護。本地控制盒統一接入集中防爆控制箱;防爆控制箱采用304.8 mm(12英寸)防爆觸摸屏進行操作和顯示參數,面板上還集成水泵電機、風機電機和工作模式切換等手動旋鈕,各旋鈕配指示燈,用于手動控制模式。

圖6 鉆井液冷卻裝置防爆控制箱

氣控系統采用正壓防爆氣控箱為氣控蝶閥提供氣源。氣源為外接井場氣源,采用閥島控制的方式對12路蝶閥進行點對點控制。

鉆井液冷卻裝置控制軟件主界面如圖7所示。首先對作業流程進行編組,并設置控制邏輯對象。通過監測鉆井液冷卻裝置的工作狀態,對各部件進行點對點控制,主要包括部件電機運行、換熱通道切換、自動反沖洗、自動液位補償、鉆井液溫度自/手動切換、設備狀態數據運行參數的實時存儲等,從而實現不同工況下,對鉆井液冷卻裝置的一鍵式恒溫控制,整個過程精準可控,操作便捷。

圖7 鉆井液冷卻裝置控制軟件主界面

4 現場應用

2022-05,ZLQ030-75型高溫鉆井液冷卻裝置已連續在大港油田某平臺的相鄰3口頁巖油水平井進行了現場應用,如圖8所示。高溫鉆井液冷卻裝置安裝在距3號循環罐大約15 m位置,從3號罐吸入鉆井液,冷卻后排入4號罐,3號罐與4號罐內部通過管道連通。鉆井液為水基鉀鹽聚合物體系,鉆井泵施工排量為120 m3/h,井深4 500 m左右進入水平段,設備開始對鉆井液進行循環冷卻,累計運行時間為932 h,累計進尺5 042 m。

圖8 ZLQ030-75型高溫鉆井液冷卻裝置應用現場

在裝置運行過程中,由于裝置砂泵排量大于施工排量,所以將4號罐中鉆井液經3號罐再次吸入進行循環冷卻,循環罐中鉆井液溫度從78 ℃經冷卻后穩定至40 ℃左右,冷卻裝置出口溫度穩定在35 ℃左右,平均降溫幅度35 ℃,最大降溫幅度40 ℃,井底溫度降幅 8～17 ℃?，F場鉆井液溫度數據如圖9所示。

圖9 現場鉆井液溫度變化曲線

5 結論

1) 為解決井下高溫環境下隨鉆工具和精密儀器失效、鉆井液性能不穩定等問題,研制了ZLQ030-75型高溫鉆井液冷卻裝置。對換熱部件進行選型和計算,使其能滿足大排量高溫鉆井液的冷卻需求。

2) 對比在用的鉆井液冷卻系統,ZLQ030-75型高溫鉆井液冷卻裝置具有模塊化結構設計、多流程冗余設計和一鍵式恒溫自控技術等特點,解決了設備超限運輸和現場安裝等問題。采用一鍵式自動控制,匹配不同工況需求,運用管路通斷執行器、步進電機、氣動蝶閥聯動,實現系統多流程冷卻、自動恒溫、反沖洗和液位補償等功能,同時解決了部件故障或換熱器堵塞而長時間停機難題,提高運行效率和穩定性。

3) 現場應用表明,高溫鉆井液冷卻裝置的運行效果達到設計預期。在深井、超深井鉆井作業中應用該裝置,可顯著降低鉆井液的循環溫度,保障井下儀器穩定工作,提高固控系統的易損件壽命,助力鉆井作業提質增效。