0 引言

天然气水合物是天然气和水在高压和低温条件下形成的类冰固体化合物，甲烷质量分数占80.0%~99.9%，能量密度大，一般情况下单位体积的气体水合物燃烧所能发出的热量远远大于煤、石油和天然气，并且燃烧时的污染比煤、石油和天然气都小很多^[1]。天然气水合物作为新一代高效洁净的优质非常规能源，世界各国已经开始大力研究对它的勘探开发利用。

由于天然气水合物热物理性质及赋存地质条件的特殊性，它的勘探开采方法不同于常规油气资源的开采。目前国内外一般采用分解抑制法和分解容许法钻井技术^[2-3]。分解抑制法和分解容许法钻井技术中最为关键的是如何将钻井液冷却并将其温度控制在钻井工艺要求的范围内。由于在钻井时钻头、钻杆与岩石、井壁的摩擦会产生热量，并且随着井深的增加，井底温度逐渐升高。在钻井液循环过程中会带出部分井底热量，其本身温度也会随着循环而升高。一方面，过高的循环钻井液温度导致井底天然气水合物温度升高而分解出大量的甲烷气体，如果分解过程失控，大量的甲烷气体外泄可能导致井喷事故以及进入大气将会严重破坏开采区域的生态环境，并导致地层沉降；另一方面，循环钻井液温度升高会导致冻土层的力学性能发生变化，极易引起冻土层井壁的坍塌，导致井下卡钻和其他钻井事故^[4]。因此控制钻井液体系保持在合适的低温状态是天然气水合物钻井的关键技术之一。目前国内外对于天然气水合物的勘探开发还处于前期的科学研究阶段，主要以科学钻探取心为主，钻探中钻井液的温度一般控制在－4~4 ℃的范围之内^[5-7]。笔者主要针对天然气水合物钻井中钻井液冷却及温控系统进行了设计研究，冷却系统实现循环钻井液冷却并在－4~4 ℃的范围之内动态恒温控制，以解决天然气水合物安全钻井的关键技术难题。

1 冷却系统总体技术分析 1.1 结构

天然气水合物钻井液冷却系统主要由载冷剂冷却模块、钻井液冷却模块和温度自动控制模块组成。图 1为冷却系统的总体方案图。整个系统采用闭式循环强制传热技术，整体结构采用模块化设计并集中在一个箱式橇装结构上。钻井液冷却模块由主换热器、钻井液循环泵、载冷剂循环泵、载冷剂以及管线构成；载冷剂冷却模块主要由载冷剂循环箱、冷却泵、副换热器、氟利昂制冷机组、载冷剂以及管线等组成；温度自动控制模块由传感器、硬件电路、显示与控制面板和控制软件等组成。

1.2 工作原理

井筒返回地面的温度较高的钻井液经过固控设备处理后通过钻井液循环泵送入主换热器；在主换热器内循环流动与低温载冷剂发生热交换，钻井液的热量通过热传导传递给低温载冷剂，温度降低的钻井液循环流回钻井液罐，从而实现钻井液的冷却和降温；吸收热量之后温度升高的载冷剂通过载冷剂制冷模块再次循环冷却降温；温度自动控制模块通过温度传感器实时采集并记录钻井液和载冷剂的出入口温度以及钻井液的入井温度，同时根据预设的温度实时调整制冷机组的制冷量和载冷剂的循环流量，使钻井液的温度动态维持在设定温度，从而保证天然气水合物钻井顺利进行。

2 冷却系统主换热器

换热器是整个冷却系统实现热交换的核心部件，钻井液和载冷剂在换热器中循环流动，通过对流传热和热传导的形式完成热交换。因为钻井液排量大、腐蚀性强并含有固体颗粒，所以要求主换热器具有高的传热系数、较低的热阻、耐腐蚀、不易结垢、传热面积大、结构紧凑且维修方便。笔者选用板式换热器作为主换热器。板式换热器结构如图 2所示。

板式换热器中一系列的人字形波纹板片相互叠加压紧形成人字形波纹网状通道，板片角上的开孔依靠密封垫片组成连续的流体通道，钻井液和载冷剂通过角孔通道分流进板片叠加组成的人字形波纹网状通道，2种介质在密封垫片的分配下交替流进相邻的人字形波纹网状流道。温度较高的钻井液流过网状通道时，将部分热量传递到人字形板壁上，同时人字形金属板壁又将热量传递给另一侧的低温载冷剂，从而使钻井液温度降低载冷剂温度升高而达到换热的目的。

2.1 换热器的板片设计

换热板片是板式换热器的核心元件，它既是钻井液和载冷剂的换热元件，又是承压元件，在工作时承受两侧流体的压力差。板式换热器板片的设计原则是传热系数高、阻力降小和承压能力大^[8-9]。系统中的主换热器的换热板片设计为人字形波纹板片，如图 3所示。人字形波纹板片组成的流道交叉支撑点多，承受压力高。流体在流道中流动形态为三维涡流，在低流速下能够产生强烈的湍流，具有较好的传热性能。人字形波纹换热板片主要结构参数有板片厚度δ、人字夹角β、法节H、波纹深度h、展开系数和波纹的截面形状。其中人字形波纹板的传热系数和流体阻力主要取决于人字夹角和波纹深度，相关研究表明：人字夹角越大，波纹深度越浅，人字形波纹板的传热系数越大，换热效率越高，但流体的阻力变大，压耗损失增加^[10]。钻井液冷却系统中的换热器需要较高的传热系数，但稍大钻井液的压耗损失并不影响系统的正常工作，因而人字形波纹板片选取较大的人字夹角，较小的波纹深度。

人字形波纹换热板片的密封槽和橡胶密封垫片共同构成了板式换热器的密封系统，合理的密封系统设计不仅能够提高板式换热器的耐压性能，而且能够确保密封的可靠性。密封槽的形状和结构直接关系到密封垫圈在密封槽内的定位、密封性能以及垫片的可更换性。换热器中密封系统设计为免粘式燕尾密封槽结构(见图 4)，该结构能够保证密封垫圈的准确定位和良好的密封性能，同时也便于换热器的清洗维护和密封垫圈的更换。

2.2 主换热器的热计算

钻井液冷却系统的板式换热器中的热流体为返回地面的钻井液，冷流体为载冷剂乙二醇水溶液，天然气水合物钻井中使用的钻井液和载冷剂的基本参数见表 1。

主换热器的热计算采用平均温差法^[8-9]。

2.2.1 热负荷计算

根据传热方程，板式换热器的热负荷表示为：

(1)

将相关参数代入公式(1)，可得主换热器的热负荷Q=635 264.6 J。

2.2.2 换热器总传热系数

根据钻井液和乙二醇水溶液的体积流量和黏度等，换算2流体的流速，其中钻井液的流速v₁=0.6 m/s，乙二醇水溶液流速v₂=1.2 m/s。钻井液和乙二醇水溶液2流体的雷诺系数可表示为：

(2)

式中：v为流体的流速，γ为黏性系数，D_e为流道当量直径。

将相关参数代入公式(2)，可得钻井液的雷诺系数Re₁=966，载冷剂的雷诺系数Re₂=2 717。通过以上雷诺系数判断可知2流体在换热器中的流动为湍流。

钻井液和乙二醇水溶液2流体的努塞尔数可表示为：

(3)

其中

(4)

将相关数据代入公式(3)，可得钻井液努塞尔数Nu₁=141.5，乙二醇水溶液努塞尔数Nu₂=295.4。

钻井液和乙二醇水溶液2种流体的对流换热系数为：

(5)

将相关数据代入公式(4)，可得钻井液侧的对流换热系数α₁=5 851，载冷剂侧的对流换热系数α₂=9 217。

板式换热器总传热系数可表示为：

(6)

将相关参数代入公式(6) 可得K=1 164 W/(m²·K)。

2.2.3 换热器总换热面积

主换热器所需的总换热面积为：

(7)

式中：Δt_m为对数平均温差。

将相关参数代入公式(7) 可得A=20.3 m²。

2.2.4 人字形波纹板片数

主换热器所需的人字形波纹板片的总数为：

(8)

式中：A_P为单片人字形波纹板片换热面积。

将相关参数代入公式(8) 可得N_t=22。

综上，冷却系统主换热器的总换热面积为20.3 m²，需要的人字形波纹板片的数量为22片。

3 温度自动控制模块

温度自动控制模块由单片机主控制器、温度传感器、显示与控制面板和控制软件等组成。图 5为温度自动控制模块原理图。模块的主控制器选用具有一定计算能力和较强扩展能力的单片机^[11-12]；温度传感器选用测量精度高、抗干扰能力强、稳定性好以及体积小的传感器；显示和控制面板选用液晶显示屏和矩阵键盘；控制软件基于PID线性控温法，采用C语言编写，调控精度高，运算速度快，且具有良好的可移植性。

温度自动控制模块主要完成整个冷却系统钻井液和乙二醇水溶液温度的实时监控和储存，同时防止钻井液温度过低在换热器中结冰而造成换热器堵塞。模块通过温度传感器实时采集钻井液和乙二醇水溶液在换热器进出口的温度，经过温度采集电路将信号输入单片机主控制器，与设定温度进行对比，并通过显示器实时显示和储存。若发现钻井液的进、出口温度超过设定值，单片机主控制器通过执行电路调节制冷机组的制冷量和乙二醇水溶液循环泵流量，从而将钻井液的温度控制在设定温度范围内。

4 技术对比分析

目前国内主要有吉林大学和中国地质科学院勘探技术研究所2家科研单位开展天然气水合物钻井液冷却系统的设计与研制，并对研制的样机在现场进行了试验，取得了较好的冷却效果。但冷却系统本身还是存在一些缺陷。笔者设计研究的天然气水合物钻井液冷却系统与以上2家科研单位设计的冷却系统相比，具有以下3个方面优势。

4.1 系统总体结构

吉林大学和中国地质科学院勘探技术研究所设计的冷却系统总体各部分独立、分散，连接管线布置混乱^[13-14]，造成冷却系统运输不便，且安装复杂。笔者设计的冷却系统总体结构为一体化橇装结构，结构紧凑，移运安装简单方便。

4.2 换热器设计

前述2家科研单位设计的冷却系统换热器分别采用螺纹管式换热器和翅片管式换热器^[13-14]，笔者设计的冷却系统采用新型板式换热器。新型板式换热器换热效率高于管式换热器，冷却速度快；单位换热功率条件下新型板式换热器比管式换热器体积小，结构紧凑；并且新型板式换热器维修清洗比管式换热器简单方便。

4.3 温度控制

前述2家科研单位设计的冷却系统只对钻井液进、出口温度通过温度传感器进行监测，根据监测结果，人工调节系统控制钻井液的温度，调控精度低，而且易造成钻井液过冷结冰而堵塞换热器^[13-14]；笔者设计的冷却系统采用温度自动控制模块，该模块可实现钻井液温度实时监控和储存，同时防止钻井液温度过低在换热器中结冰而造成换热器堵塞。

5 结论

(1) 天然气水合物钻井液冷却系统是天然气水合物钻井的关键技术装备之一。设计的冷却系统可有效解决天然气水合物钻进中由于钻井液温度升高而导致的井壁坍塌和天然气水合物分解的技术难题。

(2) 天然气水合物钻井液冷却系统由钻井液冷却模块、载冷剂冷却模块和温度自动控制模块组成，整体采用模块化设计，一体化橇装结构，移运安装简单方便。

(3) 系统的核心部件换热器设计为人字形波纹板式换热器，换热效率高，承压能力强，换热板片之间采用免粘式燕尾槽密封结构设计，密封可靠且便于维护。

(4) 基于单片机的温度自动控制模块可自动监控多点温度，根据预设要求在－4~4 ℃的范围内实现钻井液温度的稳定控制，并能够防止钻井液过冷冻结而堵塞换热器。