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1、摘摘 要要在冻土带钻井及天然气水合物钻井中, 钻井泥浆冷却技术是钻井工艺中的关键技术之一。适当的井内循环泥浆温度是钻井作业安全快速进行的保证。为满足天然气水合物钻探取样工艺要求, 我校研制了一种天然气水合物钻井泥浆冷却系统。由于泥浆在冷却器内循环温度低于泥浆冰点温度，因此冷却器内管会出现冻结和卡堵等现象。本论文研究的内管防堵装置是对我校研制的天然气水合物钻井泥浆冷却系统进行改进，防止泥浆内管发生冻结和卡堵。防堵装置主要是分析同轴套管式冷却器内管发生堵塞时其温度、流量和压力的变化过程，确定最佳控制参数。根据钻井工作对泥浆流量的要求，确定流量控制范围，并设计防堵装置，确定工作原理、各部件组成和工作
2、流程。关键词关键词：泥浆冷却、内管卡堵、防堵装置AbstractMud cooling is a key technology of permafrost drilling and gas hyd- rate drilling operation. Proper temperature of circulation drilling mud is the guarantee for safe and fast drilling operation .In view of the technological requirements of the sampling of gas hydrate
3、drilling, a type of drilling mud cooling system for per- mafrost drilling and gas hydrate drilling was developed by Jilin Univ- ersity.The circulation temperature of drilling mud in the coolers is lower than freezing point of drilling mud.so the inner of pipe would been frozen and blocked.The preven
4、t blocking equipment which the paper introduced is to improve the gas hydrate drilling mud cooling system Jilin University researched.and it is installed on the cooler in the mud cooling system.The main functionof prevent blocking equipment is to analyse the changing process of temperature.pressure
5、and flow.and to get best controling parameters.Drilling mud flow according to the require- ments of, determine the scope of flow control, and attempts to prevent the device designed to determine the working principle, the components and processes.Keywords：mud cooling inner pipe frozen prevent blocki
6、ng equipment目目 录录第 1 章 绪论 1 第 1 节 天然气水合物的一般特征1 第 2 节 泥浆冷却技术国内外研究现状3 第 3 节 本课题主要研究内容5 第 2 章 内管防堵装置机理分析 7第 1节 天然气水合物泥浆冷却系统简介7第 2 节 内管压力影响及分析 13第 3 节 内管温度影响及分析 15第 4 节 内管流量影响及分析 19 本章小结21 第 3 章 泥浆冷却系统防冻装置设计23 第 1 节 防堵装置设计目的与用途 23 第 2 节 防堵装置原理 24 第 3 节 防堵装置主要技术参数 30 第 4 节 防堵装置组成 30 第 5 节 防堵装置安装图 38 第 6
7、节 防堵装置工作流程图 39 本章小结40 第 4 章 结论与展望41 结论41 展望42 致谢43 参考文献44第第 1 1 章章 绪绪 论论第第 1 1 节节 天然气水合物的一般特征天然气水合物的一般特征随着经济的发展，对能源尤其是煤、石油、天然气等化石能源的消耗显著增加。我国作为世界上最大的发展中国家，能源问题十分紧迫。因此，勘探开发新型能源变得异常迫切。天然气水合物作为一种潜在替代能源，越来越受到重视，成为近年来能源领域的研究热点。天然气水合物是由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰” 。在这
8、种化合物中，水分子通过氢键作用形成具有一定尺寸的晶格主体，小分子则包容在空穴中，从而形成外观似雪花状或者松散冰的固态化合物。如图 1-1、1-2 所示，组成天然气的成分有烃类（CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物）及非烃类（CO2、N2、H2S）等。图 1-1 天然气水合物的笼式结构图 1-2 天然气水合物的类型和结构关系示意图天然气水合物是近二十年来在海洋和冻土层发现的新型能源，因储量巨大、能量密度高、分布广等特点受到各国的普遍重视。天然气水合物的主要特点如下：1)储量巨大迄今文献大量报道的天然气水合物含甲烷资源量为1.01016m。这就是说天然气水合物含甲烷资源量为已知煤、石油和
9、常规天然气甲烷当量（约为 51015m）的两倍。2)能量密度高天然气水合物的能量密度是煤炭的 10 倍，常规天然气的 2-5 倍。由于独特的晶体结构与分子空间构型决定了天然气水合物独特的高浓集气体的能力，表现特点为：高浓度气体、高储量。3）分布范围广天然气水合物在自然界广泛分布在 内陆、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。图 1-3 天然气水合物在世界各地分布图第第 2 2 节节 天然气水合物泥浆冷却技术现状国内外研究现状天然气水合物泥浆冷却技术现状国内外研究现状在天然气水合物钻进中, 由于水合物特殊的热物理性质, 钻井液循环温度必须严格控制,
10、 以防止水合物层在钻进过程中发生分解。如果钻井液循环温度高于钻进水合物层温度将会引起水合物分解,在冻土带钻井和天然气水合物钻井中, 钻井泥浆需要冷却至零度以下或零度左右的低温状态, 1998年在加拿大波弗特海近海冻土层钻井中, 为了保持井壁稳定采用泥浆冷却器将泥浆冷却至-9 。在天然气水合物钻井中, 钻井泥浆也要冷却至0左右,1998年在加拿大马三角洲永冻层Mallik 2L-38中泥浆冷却天然气水合物钻井装置采用的是平板式换热器, 将泥浆冷却至2。2002年, 在加拿大马三角洲Mallik 2L-38天然气水合物试开采项目主井Mallik 5L-38钻井中, 将泥浆冷却至-1。2003年,
11、美国阿拉斯加北部斜坡天然气水合物试采井热冰1井钻井中, 泥浆被冷却保持在-5。2007年，在美国阿拉斯加北坡永冻层天然气水合物钻探中采用的是美国Drillcool公司研制的泥浆冷却装置, 泥浆冷却温度是-2。在低温泥浆冷却技术领域, 最著名的公司是美国Drillcool公司, 其泥浆冷却装置的原理是使用氨水制冷机组通过板式换热器制冷乙二醇, 冷却后的乙二醇再通过螺旋换热器冷却泥浆, 从而达到控制泥浆温度的目的。我国2007年在南海北部天然气水合物取样钻探中, 钻探技术采用的是国外技术。2008年10-11月我国在青海木里盆地天然气水合物DK-1井进行取样钻探时, 钻井泥浆流量保持在100 L/
12、min左右, 环境温度在-20以下, 返回地面的泥浆在泥浆循环槽及泥浆池中自然冷却降温, 进井泥浆温度维持在4左右。但冻土层段钻孔扩径现象比较明显。如果在夏季施工, 环境气温高, 依靠泥浆自然冷却法不再适合, 必须采用泥浆冷却系统。目前我国在泥浆冷却技术及设备方面的研究, 尤其是适用于低温泥浆的冷却技术及设备方面的研究处于初期阶段, 研究一种有效冷却泥浆的方法及设备对大力开展天然气水合物钻探具有迫切而重要的意义。针对目前我国泥浆冷却技术的不足情况, 我校研制了一套钻井泥浆冷却系统, 特别适合于对低温泥浆的冷却。该钻井泥浆冷却系统能够实现的主要功能有:一、实现钻井泥浆的快速冷却; 二、能够将泥浆
13、动态维持在低温范围内。图1-4 钻井泥浆冷却系统原理图1-风冷(或水冷) 氟利昂制冷机组; 2-制冷机组泵; 3-阀; 4-载冷剂箱; 5- 阀; 6-阀; 7-温度传感器; 8-阀;9-载冷剂箱泵; 10-温度传感器; 11-温度传感器; 12-同轴泥浆对流换热器; 13-温度传感器; 14-温度传感器;15-泥浆输送泵; 16-温度传感器; 17-泥浆池; 18-钻机泥浆泵; 19-温度传感器; 20-温度传感器; 21-钻井; 22-温度巡检仪第第 3 3 节节 本课题主要研究内容本课题主要研究内容在冻土层钻井与天然气水合物钻井中，钻头破碎岩石会产生大量热量，钻杆与井壁摩擦也会产生热量使
14、井底温度增高。并且随着钻井液循环时间的增长，致使返回地表的钻井液温度比冻土层或天然气水合物储层温度高，从而引起冻土层井段扩径或天然气水合物直接在井底分解，导致无法取心或取心不完整等情况的发生。与此同时，如果钻井液泥浆循环温度高于水合物层温度将会引起水合物分解, 会带来一系列问题, 如大量气体分解,使井口装置或防喷器失去承载能力而发生倾斜, 将丧失井压控制手段,可能导致井喷及井塌事故。分解后的气体可能会破坏周围环境, 有时还会出现溶洞, 使天然气水合物地层下沉, 出现地基沉降事故。所以，必须对钻井液泥浆进行及时的冷却。图 1-5 为同轴套管式换热器工作原理图。换热器由内外两层管组成。内管为钻井泥
15、浆循环通道，内外管的环状间隙为低温乙二醇冷却液循环通道，通过二者的逆向流动，实现强制对流传热，从而致使低温乙二醇冷却液制冷泥浆。泥泥 浆浆低温乙二醇冷却液低温乙二醇冷却液图1-5同轴套管式换热器原理图由于天然气水合物的特殊的温压特性, 钻井一般采用分解抑制法,即通过泥浆冷却, 使泥浆进井温度保持在低温范围内(-4-4),防止水合物地层和岩心温度升高,将相平衡状态维持在水合物分解抑制状态, 避免水合物发生分解,维持井壁定。水合物泥浆冷却系统设计进井温度为-1，出井温度为1。制冷能力（进出井温差）T =2.而通常情况下，泥浆的冰点为0左右。这就意味着当泥浆在冷却系统内循环时将会出现局部冻结的甚至全部堵塞同轴套管式冷却器的内管。并且，在我国首次的青藏高原冻土带水合物施工现场都曾发生内管内泥浆局部冻结甚至堵塞内管的现象。冻结或堵塞将会带来一系列问题。首先，局部冻结或堵塞将使泥浆的流量减小，这样泵送的井底的泥浆总量将减少，这将可能出现排粉不利、井底钻头冷却不充分等现象。甚至发生卡钻、埋钻、烧钻、孔壁坍塌等孔内事故。另外，一旦发生冻结或堵塞势必会影响冷却效率，从而使泥浆无法达
