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钻井液冷却技术及装备综述
马青芳     
中国石油集团钻井工程技术研究院
摘要: 钻井液温度过高不仅影响其本身性能,还影响井下钻具及导向测试工具的环境温度、使用寿命、机械钻速和井壁稳定性,在钻井作业中及时冷却钻井液使之达到适宜的温度非常必要。在分析钻井液温度对钻井作业影响机理的基础上,介绍了钻井液冷却技术国内外发展现状,论述了典型钻井液冷却系统的结构及工作原理。提出闭式冷却系统为钻井液冷却系统的发展方向,建议我国尽快研制合适的钻井液冷却系统,以提高钻井作业的效率和安全性。
关键词: 钻井液冷却系统     钻井液温度     钻井液性能     机械钻速     井壁稳定     闭式冷却系统    
Discussion on Drilling Fluid Cooling Technology and Equipment
Ma Qingfang     
CNPC Drilling Research Institute
Abstract: Excessively high drilling fluid temperature affects not only drilling fluid performance, but also ambient temperature and service life of downhole drilling tools and steering test tools as well as the ROP and borehole stability. It is very necessary to timely cool drilling fluids at a moderate temperature in drilling operation. On the basis of analysis on influencing mechanism of drilling fluid temperature on drilling operation, development status of domestic and foreign drilling fluid cooling technology is introduced. The structure and working principle of typical drilling fluid cooling system are discussed. The closed cooling system is proposed as the expected drilling fluid cooling system. It is suggested to develop appropriate products as soon as possible, in order to raise efficiency and safety of drilling operation in China.
Key words: drilling fluid cooling system     drilling fluid temperature     drilling fluid performance     rate of penetration (ROP)     borehole stability, closed cooling system    

0 引言

随着能源需求的增加和石油钻井技术的发展,深井、超深井、高温高压井和天然气水合物井钻井已成为钻井工业发展的重要方面。在深井和超深井钻井过程中,地层温度随深度增加而升高,一般每100 m地温梯度为3 ℃,以6 000~7 000 m深井为例,井底温度可达180~210 ℃或更高(我国石油天然气储量的主力接替区——松辽、渤海湾、塔里木、准噶尔及四川盆地等深部储层的温度高达200~260℃)。地层温度升高将引起循环钻井液[1]温度升高,这不仅影响钻井液性能,还影响井下工具的使用寿命和钻井作业的安全性;在冻土层钻井和天然气水合物钻井中,若钻井液温度高于冻土层或天然气水合物储层温度,则将引起冻土段或冻结岩石段扩径或天然气水合物井底分解。因此,在钻井过程中对钻井液进行及时冷却,使之达到适宜的温度非常必要。笔者在分析钻井液温度对钻井作业影响机理的基础上,介绍了钻井液冷却技术国内外发展现状,论述了典型钻井液冷却系统的结构及工作原理,旨在说明钻井液冷却技术的重要性,并为研究开发钻井液冷却系统提供有效的技术参考。

1 钻井液温度对钻井作业的影响 1.1 钻井液性能

钻井液的塑性黏度随温度上升而下降[2],密度随温度上升而减小[3]。温度越高,携岩性能越差,传递功率越小。为了保持钻井液的高温性能就需要加入各种添加剂,这样就增加了钻井液的成本。此外,高温还会造成钻井液控制难度增加,其原因是:一些处理剂在高温下易分解; 高温会加剧影响处理剂效能的化学反应。

1.2 机械钻速

在钻井过程中,循环钻井液与井底岩石发生热交换,使井底岩石的温度发生变化。特别是在深井钻井过程中,由于岩石的温度较高,这种换热状态会更加强烈。当较低温度的钻井液接触到井底岩石时,与钻井液接触的岩石表面会立即被冷却,温度下降,发生冷缩,而岩石内部温度仍然为原始温度,导致岩石表面产生拉应力特征的热应力。因为岩石抗拉强度低,抗压强度高,当出现拉应力时岩石变得容易破碎,从而有利于提高机械钻速。温差越大,对岩石强度产生的影响越大[4-5]

1.3 井下钻具和井下仪器

井下动力钻具多采用螺杆钻具,其关键件定子为橡胶材料,过热的温度将严重缩短橡胶定子的使用寿命。另外,较高的井下环境温度将严重影响地质导向和随钻测量工具中电子元器件的测量精度和使用寿命,甚至有些井因井下环境温度过高,导致目前的井下钻具和仪器达不到温度要求而无法使用。如果降低循环钻井液的温度,就等于降低了井下钻具和井下仪器的环境温度,相当于扩展了井下钻具和井下仪器使用的温度范围,提高了其使用可靠性,也延长了其使用寿命。

1.4 井下稳定性

钻井液循环温度是造成井壁不稳定的主要因素之一。深井钻井作业中,下部地层温度较高,上部地层温度较低。钻井液循环过程中使下部井壁围岩温度降低,上部井壁围岩温度升高。由于受热膨胀,上部围岩切向应力增大,当热应力和原地应力之和超过岩石强度时,就会导致上部井壁失稳破坏[6-9]

钻井液温度与天然气水合物井的稳定性关系更为密切。天然气水合物受热分解会导致地层力学性能急剧变差,进而导致地层屈服失稳。选择低温体系钻井液并控制其温度低于水合物相平衡温度,有助于维持井壁稳定,实现安全钻进[10]

2 国内外钻井液冷却技术发展现状

M.VINCENT和G.ALAIN[1]认为,通过冷却装置降低钻井液的温度,不仅可以降低井眼温度,提高井眼的稳定性,而且可以使测井仪器具有更好的操作性,可以更好地控制钻井液的流变性并减少添加剂的用量,延长MWD的使用寿命,使油基钻井液保持在闪光点以下,提高钻井作业的安全性[11]。在钻井过程中,对钻井液的冷却一般采取以下措施。

2.1 自然冷却

返回地面的钻井液沿钻井液槽流动,与周围空气发生热交换而自然冷却降温。因此,加长钻井液槽的循环路线,可以在一定程度上达到冷却钻井液的目的。这种方法一般应用于钻井液排量不大、返回的钻井液温度不太高的情况。这种冷却方式完全受气候条件影响,对于深井、超深井和高温高压井效果不明显,对天然气水合物井则无法达到安全钻井对循环钻井液温度的要求。

2.2 低温介质混合冷却

向钻井液池中投放低温固体(如冰块)或液体,通过混合热传导方式来使钻井液降温。这种方法一般用于水基钻井液的冷却、且容易得到低温水源的情况,只能作为应急方案使用。

2.3 冷却装置强制冷却

当返出钻井液温度过高时,需采用钻井液冷却系统强制冷却。钻井液冷却系统的工作原理以风冷、喷淋和交互式换热3种方式为主。在日本地热井开采中,钻井液冷却方式以风冷为主,将大功率风扇安装在振动筛旁,通过风力带走钻井液中的热量,起到冷却钻井液的作用[12]。新加坡FPT公司的钻井液冷却系统采用喷淋方式,将载冷剂/冷却水直接喷淋到钻井液管线上,使载冷剂与高温钻井液最大面积接触,达到冷却钻井液的目的。美国NOV公司、Schlumberger的Mi SWACO公司和荷兰Task Enviroimental Servicers公司则采用板式热交换器,将高温钻井液与载冷剂/冷水在板式热交换器中进行换热,从而实现钻井液的冷却。美国Drillcool公司研制的钻井液冷却装置使用氨水制冷机组通过板式换热器制冷乙二醇溶液,冷却后的乙二醇溶液再通过螺旋换热器冷却钻井液。2007年在美国阿拉斯加北坡永冻层天然气水合物钻探中使用该冷却装置,钻井液被冷却至2 ℃左右,满足天然气水合物井的钻探需求[13]

国内对钻井液冷却系统的研究与应用从2007年开始,至2012年取得了一定的成果,但目前基本处于停滞阶段。2007年高杭等[14]提出了一种高温钻井液冷却系统的概念设计。该钻井液冷却系统主要由2个板式热交换器、冷却器管线和强迫风冷(或水冷)总成组成,其特点是2个板式热交换器设计在钻井液罐两侧。2010年吉林大学研制了一套用于冻土层天然气水合物井的钻井液冷却系统。该冷却系统由载冷剂制冷部分、钻井液冷却部分和温度监测部分组成,其核心装置为同轴套管式换热器,全程采用逆流换热实现动态冷却钻井液[12, 15-16]。2011年该系统在青海祁连地区冻土带天然气水合物科学钻探井中进行了现场试验,钻井液温度动态稳定在2.8 ℃左右,满足天然气水合物钻探对钻井液温度的要求,对成功进行天然气水合物岩芯取样钻探起到了重要作用[17]

3 冷却装置典型结构及工作原理 3.1 开式钻井液冷却系统

开式钻井液冷却系统的核心为1个热交换器(也叫换热器),载冷剂一般采用淡水或海水,主要用于水源充足地区或者海上。受载冷剂温度的限制,该种冷却系统只能用于深井、超深井和高温高压井,而无法满足天然气水合物井对钻井液温度的要求。

开式钻井液冷却系统原理如图 1所示。该系统主要由热交换器、载冷剂泵、钻井泵和连接管汇组成。钻井液从钻井液池或钻井液罐中由钻井泵泵入板式热交换器,作为载冷剂的淡水或海水由载冷剂泵泵入板式换热器,钻井液与载冷剂在板式换热器中进行热交换,使钻井液冷却,升温后的淡水或海水返回水池或大海,通过混合和空气换热自然冷却,也可在水池旁增加风扇等风冷设施,以提高冷却效率。

图 1 开式钻井液冷却系统原理图 Fig.1 Schematic diagram of opendrilling fluid cooling system

开式钻井液冷却系统的热交换器可采用板式热交换器或喷淋式热器。如Schlumberger的Mi SWACO公司Drilling Fluid Temperature Control System钻井液冷却系统和DrillCool公司的PX Seawater Geo-cooler钻井液冷却系统采用板式热交换器。Mi SWACO公司的产品由3个橇装模块组成,如图 2所示,主要包括板式换热器、冷却泵和管汇。DrillCool公司的产品则为一个整体的橇装模块,如图 3所示。新加坡FPT公司的钻井液冷却系统采用喷淋式热交换器,整体采用箱式橇装结构,内置喷淋式换热器、管汇和冷却泵,如图 4所示。

图 2 Mi SWACO公司的钻井液冷却系统 Fig.2 Drilling fluid temperature control system of Mi SWACO

图 3 DrillCool公司的板式热交换器 Fig.3 PX seawater geo-cooler of DrillCool

图 4 FPT公司的钻井液冷却系统 Fig.4 Mud cooling system of FPT

3.2 闭式钻井液冷却系统

闭式钻井液冷却系统的核心为1个热交换器和1个制冷机组,一般将乙二醇溶液作为载冷剂。由于这种制冷系统一般需要使用氨水或氟利昂制冷机组通过板式热交换器制冷乙二醇溶液,所以这种冷却系统也可以称为主辅双热交换器冷却系统。因为闭式钻井液冷却装置自备有制冷机组,所以它易于实现自动控制,且不受使用环境限制,适用范围更加广泛,也是目前的发展方向。

闭式钻井液冷却系统的原理图如图 5所示。该系统主要由2个热交换器、制冷机组、载冷剂箱、钻井泵、载冷剂泵、冷却泵和管汇组成。钻井液从钻井液罐由钻井泵泵入热交换器A,与载冷剂进行热交换,作为载冷剂的乙二醇溶液由载冷剂泵从载冷剂箱泵入热交换器,钻井液与载冷剂在热交换器A中进行交互换热,钻井液冷却后回到钻井液罐,使钻井液罐内的钻井液降温,换热升温后的乙二醇溶液回到载冷剂箱,使载冷剂箱中的载冷剂升温;升温后的载冷剂由冷却泵泵入热交换器B中,由制冷机组将载冷剂降温后,返回制冷剂箱;通过安装在制冷剂箱和钻井液罐上的温度传感器可以实时测量罐中钻井液的温度和制冷剂箱中制冷剂的温度,由控制系统自动监测和操控载冷剂与钻井液流量,控制冷却效率,最终使钻井液达到需要的温度。

图 5 闭式钻井液冷却系统原理图 Fig.5 Schematic diagram of closed drilling fluid cooling system

目前用于闭式钻井液冷却系统的热交换器主要有板式热交换器、喷淋式热交换器、螺旋式热交换器和同心管式热交换器。如美国NOV公司Mud Cooler钻井液冷却系统采用的板式热交换器,Drillcool公司的Geo-cooler钻井液冷却系统有螺旋式热交换器和喷淋式热交换器2个系列,吉林大学的钻井液冷却系统则采用同心管式热交换器(见图 6)。

图 6 吉林大学钻井液冷却系统原理图 Fig.6 Schematic diagram of drilling fluid cooling system structure of Jilin University

4 结论与认识

(1)  钻井液温度过高不仅影响其本身性能,还影响井下钻具及导向测试工具的环境温度和使用寿命,影响机械钻速和井壁稳定性,在钻井作业中及时冷却钻井液使之达到适宜的温度非常必要。

(2)  在高温高压井、深井超深井、冻土带及天然气水合物钻井中,钻井液冷却技术是钻井工艺中的关键技术之一。通过冷却装置降低钻井液的温度,可提高钻井液性能和可控性,提高井眼的稳定性,扩展井下工具适用温度范围,同时提高钻井作业的安全性。

(3)  根据载冷剂冷却方式的不同,钻井液冷却系统可分为开式冷却系统和闭式冷却系统2类。由于闭式冷却系统适用范围广且易于实现自动控制,所以该系统为钻井液冷却系统的发展方向。

(4)  钻井液冷却系统在国外已普及,我国则刚刚起步,建议我国尽快研制钻井液冷却系统,并将其应用于油田现场,以提高钻井作业效率和安全性。

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文章信息

马青芳
Ma Qingfang
钻井液冷却技术及装备综述
Discussion on Drilling Fluid Cooling Technology and Equipment
石油机械, 2016, 44(10): 42-46
China Petroleum Machinery, 2016, 44(10): 42-46.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2016.10.010

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收稿日期: 2016-05-23

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