淺談鉆井液冷卻技術現狀與前景

李秋萍 張建軍 梁帥 趙小葵 單代維

1. 西南油氣田重慶氣礦工藝研究所 重慶 400000 2.四川宏華石油設備有限公司 四川 廣漢 618300 3.川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司 重慶 400000

隨著能源需求的增加和石油鉆井技術發展，深井、超深井、高溫高壓井已成為鉆井工業發展的重要方向；在深井、超深井鉆井過程中，每100m地溫梯度為3℃左右，以6000～7000m井深為例，井底溫度可達180～210℃或更高，而當井深超過10000m時，井底溫度在300℃以上[1]。地層溫度升高會使鉆井液出現高溫降解、高溫交聯、高溫解吸附等現象[2]，如果不及時冷卻，將嚴重影響鉆井液性能和井下工具使用壽命，甚至造成井內事故，威脅鉆井作業安全和人員安全。

目前，鉆井液冷卻設備一般設置在鉆井液凈化處理（篩分、除氣、除砂、除泥）之后，即鉆井液凈化設備需要處理剛從井口返出的高溫鉆井液，高溫鉆井液會對鉆井液凈化設備的使用壽命產生不利影響，還會對操作人員造成安全威脅；因此，需要一種設置在鉆井液凈化設備之前的冷卻系統，使鉆井液在進入凈化處理設備之前就被冷卻至安全溫度，以保障凈化設備的使用壽命和操作人員的作業安全。

1 鉆井液冷卻解決方案

1.1 鉆井液冷卻技術發展現狀

目前鉆井過程中對鉆井液的冷卻一般采用自然冷卻、低溫介質混合冷卻、冷卻裝置冷卻等方式[3]。

1.2 自然冷卻

從井口返回的鉆井液經開式井口溢流管、分流箱等進行振動篩、鉆井液篩分時與空氣進行熱交換而自然冷卻降溫，鉆井液存儲在鉆井罐中時也可以自然冷卻，這種冷卻方式受環境氣候條件影響大，一般應用于鉆井液處理量不大，溫度不高的情況。

1.3 低溫介質混合冷卻

當鉆井液溫度過高時向鉆井液罐內投入低溫固體或液體，通過攪拌混合來降低鉆井液的溫度；由于經濟性原因一般應用于低溫水源充足的水基鉆井液。

1.4 冷卻裝置冷卻

從井口返回的鉆井液溫度太高，采用前面二種方式冷卻不適合時，可以采用冷卻裝置強制冷卻，冷卻裝置常采用風冷、噴淋、交互式熱交換。

風冷是振動篩旁邊安裝大功率的風扇，在振動篩篩分時通過風力帶走熱量從而進行冷卻降溫。

噴淋是將致冷劑或冷卻水直接噴淋在鉆井液管上，使致冷劑或冷卻水帶走熱量從而使鉆井液冷卻降溫。

交互式熱交換是采用熱交換器進行熱交換，將高溫鉆井液與致冷劑或冷卻水在熱交換器內進行熱交換，從而實現鉆井液冷卻。

2 鉆井液冷卻解決方案

針對現有鉆井液冷卻設備設置在鉆井液凈化處理設備之后，無法解決高溫鉆井液對凈化設備使用壽命和操作人員作業安全產生不利影響的技術缺陷，在鉆井液凈化處理設備前端，通過四級冷卻達到快速冷卻鉆井液的效果，使鉆井液在進入凈化處理設備之前就被冷卻至安全溫度；這樣能夠延長凈化設備的使用壽命，提高操作人員的作業安全。

為了實現上述目的，提供了以下技術方案：

案一：

如圖1所示，鉆井液冷卻系統，包括連接井口7的井口溢流管1、連接井口溢流管1的分流箱2、連接分流箱2的振動篩3和連接振動篩3的泥漿罐4，井口溢流管1和分流箱2的外壁套均設有換熱隔層11，振動篩側配套有風機31，泥漿罐4連接有冷卻裝置5；換熱隔層11用于冷卻井口溢流管1和分流箱2中的鉆井液，風機31用于冷卻振動篩3中的鉆井液，冷卻裝置5用于冷卻泥漿罐4中的鉆井液以及用于向換熱隔層11中循環注入冷卻液51。

圖1 圖1鉆井液冷卻解決方案一

圖2 鉆井液冷卻解決方案二

圖3 鉆井液冷卻解決方案二

泥漿罐4配套有閥門三41，閥門三41用于調節從冷卻裝置5流向泥漿罐4的鉆井液流量。

分流箱2的底部連接有輔助冷卻管21，輔助冷卻管21的另一端連接冷卻裝置5，其用于將冷卻后的鉆井液注入分流箱2，以降低分流箱2中的鉆井液溫度；輔助冷卻管路21配套有閥門四22，閥門四22用于調節從冷卻裝置5流向分流箱2的鉆井液流量。

實現四級冷卻，一級冷卻：井口溢流管1外壁套設的換熱隔層11通過換熱原理帶走井口溢流管1內高溫鉆井液的熱量，實現一級冷卻；二級冷卻：分流箱2外壁套設的換熱隔層11通過換熱原理帶走分流箱2內高溫鉆井液的熱量，實現二級冷卻；三級冷卻：使用風機31對振動篩3的篩面吹風，帶走篩面上高溫鉆井液的熱量，實現三級冷卻；四級冷卻：冷卻裝置5帶走泥漿罐4中鉆井液的熱量，實現四級冷卻。

方案二：

從井口返回的鉆井液經過井口喇叭口1流入井口溢流管2，通過溫度傳感器18檢測鉆井液的溫度，當鉆井液的溫度超過預設溫度時，開啟冷卻混合器14，打開閥門三16和泵三17，使冷卻單元的低溫鉆井液通過管線三進入冷卻混合器14，低溫鉆井液從低溫鉆井液接口進入內套一、內套二和外套內壁形成的環形空間內，使得低溫鉆井液呈噴射狀與高溫鉆井液混合，從而有效降低高溫鉆井液的溫度，降溫并混合后的鉆井液通過井口喇叭口進入井口溢流管，流過流量傳感器時進行鉆井液流量的檢測，通過調整低溫鉆井液的流量來控制進入分流箱的總體鉆井液流量，降溫并混合后的鉆井液從井口溢流管2進入分流箱3，之后進入凈化設備進行凈化，通過散熱風機，對振動篩篩面的鉆井液進行吹風降溫處理，進行二次降溫，使鉆井液溫度進一步降低，凈化后的鉆井液進入鉆井液罐6，從鉆井液罐6進入冷卻單位7，進行三次降溫，進入冷卻單元的鉆井液通過和冷卻介質進行熱交換以達到降溫冷卻的效果。

3 結束語

地層溫度升高會使鉆井液出現高溫降解、高溫交聯、高溫解吸附等現象，嚴重影響鉆井液性能和井下工具使用壽命，甚至造成井內事故，威脅鉆井作業安全和人員安全，在鉆井作業中及時將鉆井液冷卻至適合的溫度是非常必要的。

鉆井液冷卻在國內主要運用在凈化完成后泥漿泵泵入井底前，在凈化設備前進行冷卻的研究很少，為了提高操作人員的作業安全性，建議盡快進行此類研究。