水合物钻井液冷却技术

天然气水合物

文章导读

应用钻井液冷却技术来稳定地层、防止天然气水合物分解是天然气水合物开采中的一个重要课题。我国已初步研发出适用于国内冻土区域天然气水合物开采的钻井液冷却系统，并通过增加换热器个数、优化换热器式样来增大换热面积，达到了强化钻井液冷却效果的目的。钻井液冷却技术已在青海木里盆地和漠河盆地等完成了野外试验，取得了良好的效果，成功钻获了天然气水合物。提出了钻井液冷却技术的未来发展中，我国应关注增加换热器的换热面积、载冷剂的循环使用及加强野外试验等几个方面的研究。

一 钻井液冷却技术

钻井液冷却技术主要分为高温钻井液冷却技术和低温钻井液冷却技术。高温钻井液冷却技术适用于中高温地热井和深部油气井钻井中，低温钻井液冷却技术适用于冻土区油气钻井和天然气水合物钻井中。

1  低温钻井液要求

低温钻井液对冻土区天然气水合物的控制主要体现在3个方面：

①抑制井内天然气水合物的分解；

②避免诱发天然气水合物的分解；

③抑制钻井液中天然气水合物的再形成。

在设计适合冻土层天然气水合物钻井液体系时，需要考虑钻井液密度、水合物抑制能力、钻井液护壁性及钻井液流变性这4个因素。

2  冷却技术分类

目前冷却技术主要有如下3种方法：

（1）自然蒸发冷却。钻井液从井内返回地面的过程中，其温度随着流动蒸发降低，从而自然降温，可通过加长钻井液槽的循环路线使之获得一定程度的冷却。此方法一般应用于钻井液流量较小、返回钻井液温度较低、进出井温差较小的井，其应用范围较窄。

（2）低温固体传导冷却。通过向钻井液池中加入低温固体的方式实现冷却，一般应用于返回钻井液温度不高、进出井温差不大的井。

（3）强制冷却。通过钻井液冷却装置强制冷却，一般应用于返回钻井液温度过高、进出井温差过大的井，其在国外应用范围广泛。随着我国钻井液冷却技术的发展，钻井液冷却装置逐渐普及。

3  钻井液冷却系统

钻井液冷却系统主要包括：载冷剂制冷、钻井液制冷及温度检测3部分。其中最重要的装置为换热器和载冷剂箱。专家对换热器的特征和性能进行了评价，认为换热器主要分为管式换热器和板式换热器两大类。

在管式换热器中，套管式换热器可串联和并联，灵活性大且易清洁；列管式换热器的传热面积和机械强度较大；U形管式换热器结构紧密但不易清洗；翅片管式换热器不易结垢，但造价高。

在板式换热器中，平板式换热器可大范围串联、并联及组合配置，对黏性较大的流体亦可处理，便于清洁，但使用压力和温度不能太高；螺旋板式换热器传热效果好，但清洗困难；板翅式换热器传热能力强，但结构复杂且造价高，不能承受高温高压。

制冷剂是载冷剂箱中传递热量的物质。制冷剂对钻井液冷却系统的冷却效果起着至关重要的作用。在选择制冷剂时，一般要求传热系数大、黏度小、性质稳定、腐蚀性小且安全无毒、价格低廉。目前常见的制冷剂是乙二醇水溶液。载冷剂箱的容积至少是运行时制冷剂循环量的8～12倍，其合理范围为1.5～5m3，足够的制冷剂量可保证钻井液冷却系统的正常运行。

二 钻井冷却技术未来发展方向

1  增加换热面积

增大换热面积可有效增大换热效率，钻井液冷却效果更好。一般来说，设备尺寸越大，换热面积就越大，但是设备尺寸过大不利于野外运输。因此，如何在一定体积的钻井液冷却系统内获得更大的换热面积，需要进一步的研究及创新。

2  循环使用载冷剂

在国外研究中很重视载冷剂的循环使用，但我国在这一方面的关注度较低。国外较成熟的钻井液冷却技术，载冷剂大多可循环使用，这不仅是对自然资源的一种保护，同时也可降低水合物开采成本。

3  加强野外试验

我国曾利用国外的技术成功开采了天然气水合物，但国外技术对我国冻土区水合物开采的适用性有待论证。我国近年来对冻土区域水合物钻井液冷却技术的研究多为理论计算，仅有少数进行了野外试验，初步得到一定成果。因此下一步应加强野外试验。

资料来源：中海油研究总院

作者：马岩、邢希金

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