ZLQ030-75型高溫鉆井液冷卻裝置研制

郗秦陽,彭俊威,戴啟平,周 青,唐 成,楊 強(qiáng)

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 721002; 2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心,陜西 寶雞 721002;)

隨著世界對(duì)能源需求的不斷增加和石油鉆探技術(shù)的不斷進(jìn)步,深井、超深井和高溫高壓井的鉆探已經(jīng)成為鉆井工業(yè)發(fā)展的重要方向。目前,我國(guó)的四川盆地、大慶松遼、塔里木山前、青海柴達(dá)木、華北深潛山等油氣上產(chǎn)區(qū)域普遍面臨著深層油氣勘探開發(fā)的高溫問題。井深7 000 ～8 000 m,井底溫度在150～260 ℃,在鉆井過程還會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。如果這些熱量不及時(shí)被鉆井液循環(huán)帶走,會(huì)導(dǎo)致井下工具和隨鉆儀器因高溫而失效,還會(huì)使鉆井液性能下降。另外,鉆井液的高溫會(huì)限制天然氣水合物、干熱巖和地?zé)岬惹鍧嵸Y源的勘探開發(fā)[1-3]。

大量的實(shí)鉆數(shù)據(jù)表明,井下溫度超過150 ℃,鉆井工具、隨鉆測(cè)量和測(cè)井等儀器的使用壽命短、故障率高;鉆井液性能不穩(wěn)定,老化速度加劇。現(xiàn)場(chǎng)需要停鉆循環(huán)降溫,或者舍棄隨鉆儀器來避免上述問題,從而大幅降低了鉆井作業(yè)的效率和安全可靠性[4-5]。如果在鉆井液入井前進(jìn)行及時(shí)冷卻,就能使鉆井液高溫帶來的問題得到解決。高溫鉆井液冷卻裝置就是實(shí)現(xiàn)地面鉆井液大幅降溫的核心設(shè)備。

目前,鉆井液冷卻系統(tǒng)的工作原理以風(fēng)冷、噴淋和交互式換熱3種方式為主。國(guó)外典型技術(shù)是:美國(guó)NOV公司于2004年公開的用于高壓/高溫鉆井的鉆井液冷卻技術(shù)[6];美國(guó)Mi SWACO公司分別在2008年和2017年公開的用于加拿大永久凍土層連續(xù)套管鉆井液冷卻技術(shù)和地?zé)徙@井液冷卻專利[7-8]等。國(guó)內(nèi)針對(duì)高溫鉆井液冷卻系統(tǒng)的研究始于高杭等提出的一種適用于高溫鉆井液冷卻系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì),主要由冷卻管線,鉆井液循環(huán)罐,板式換熱器,冷卻循環(huán)泵,強(qiáng)迫風(fēng)冷總成組成[9]。成都西部石油裝備股份有限公司、天津海英泰科技有限公司采用板式換熱器和開式風(fēng)冷水塔,便于清洗維護(hù);中原工程服務(wù)公司在此基礎(chǔ)上添加了壓縮機(jī)強(qiáng)冷裝置來保證降溫效果;華油飛達(dá)集團(tuán)有限公司和成都超浩制冷科技有限公司則采用板式換熱器和閉式循環(huán)塔的組合方式,使冷卻水在換熱管線中封閉循環(huán),減少漂水率。

筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn),現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的鉆井液冷卻設(shè)備的降溫性差、處理能力小、自動(dòng)化程度低、故障率和維護(hù)成本高。各個(gè)橇體結(jié)構(gòu)大小不一、部件管線復(fù)雜,存在設(shè)備運(yùn)輸單元多、超重超限、占地面積大、現(xiàn)場(chǎng)連接困難等問題,使用效果并不理想,未能大規(guī)模推廣應(yīng)用。2022年,寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司依托中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司科技項(xiàng)目 “高端井筒工作液新材料新技術(shù)與裝備研究”(2021DJ4406)開發(fā)了ZLQ030-75型高溫鉆井液冷卻裝置,并在油田成功應(yīng)用。該裝置具備模塊化、自動(dòng)化等技術(shù)特點(diǎn),可滿足大排量的高溫鉆井液的冷卻需求,保障鉆井工具和隨鉆儀器在高溫井中的適應(yīng)性,有效提升鉆井作業(yè)效率,具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 總體結(jié)構(gòu)和工作原理

ZLQ030-75型高溫鉆井液冷卻裝置整體采用橇裝結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)為獨(dú)立的4個(gè)撬,即,冷卻橇、水罐橇、水塔橇Ⅰ、水塔橇Ⅱ?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示,水塔橇Ⅰ安裝在水罐橇上,水塔橇Ⅱ安裝在冷卻橇上,通過管匯和閥門相連通。冷卻橇為整體框架式結(jié)構(gòu),電控箱、砂泵、過濾器、補(bǔ)水泵、供水泵組、管線總成、換熱器組等依次布置在橇體之上,該撬用于冷卻高溫鉆井液。每個(gè)水塔橇采用4組單模塊水塔組裝而成,用于冷卻從換熱器中流出的高溫冷卻介質(zhì)(清水)。水罐橇主要由冷卻水罐和循環(huán)管匯組成,用于儲(chǔ)存和分流冷卻介質(zhì),為換熱器輸送冷卻介質(zhì)。

1-冷卻橇;2-水罐橇;3-水塔橇Ⅰ;4-水塔橇Ⅱ。 圖1 ZLQ030-75型鉆井液冷卻裝置總體結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí),通過管線把高溫鉆井液罐與冷卻橇的砂泵入口連接。高溫鉆井液由砂泵泵入到換熱器組。換熱器中的鉆井液將熱量交換給冷卻介質(zhì)(清水)。從換熱器中流出的低溫鉆井液被輸送到鉆井液循環(huán)罐,供鉆井作業(yè)使用。從換熱器中流出的高溫水被輸送到水塔撬,通過冷卻水塔散熱。從冷卻水塔中流出的低溫水被輸送到水罐撬中存儲(chǔ),并輸送給換熱器,作冷卻介質(zhì)使用,如此循環(huán)整個(gè)工作,實(shí)現(xiàn)高溫鉆井的冷卻。由于冷卻水塔是采用開放式空氣散熱原理來冷卻水,會(huì)損失一部分水,因此通過補(bǔ)水泵來為高溫鉆井液冷卻裝置及時(shí)補(bǔ)充冷卻介質(zhì)(水)。

高溫鉆井液冷卻裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 ZLQ030-75型高溫鉆井液冷卻裝置的主要技術(shù)參數(shù)

2 換熱部件選型與計(jì)算

2.1 換熱部件選型

1) 換熱器。

換熱器是高溫鉆井液冷卻裝置的核心部件,其選型直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的換熱效果?；趽Q熱流體運(yùn)行參數(shù)、檢修便捷性及經(jīng)濟(jì)適用性等方面的綜合考慮,選擇不銹鋼平板式換熱器[10]。這種換熱器可對(duì)較大流量的流體進(jìn)行冷卻?？纱⒉⒙?lián)組合配置,以滿足對(duì)不同流速、傳遞熱量和溫度范圍的要求。其優(yōu)點(diǎn)還在于流道彎曲多變,即使鉆井液這種粘性很大的流體也會(huì)形成紊流流動(dòng),便于拆裝清洗。不銹鋼材質(zhì)可以防止換熱片被鉆井液中的化學(xué)成分腐蝕。圖2為板式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 板式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

2) 冷卻水塔。

考慮到冷卻裝置的工況需求和使用環(huán)境,選擇方形逆流開式冷卻水塔作為冷卻介質(zhì)(水)的散熱部件,并進(jìn)行了適用性改制。其具有良好的換熱性能,換熱過程合理, 填充材料少,冷卻效果好。配水系統(tǒng)不容易堵塞,填充材料不易老化。施工、安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單,費(fèi)用低廉。圖3為方形逆流式冷卻水塔結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 方形逆流式冷卻水塔結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 換熱參數(shù)計(jì)算

基本參數(shù):

鉆井液流量qa150 m3/h

鉆井液進(jìn)口溫度ta175 ℃

鉆井液出口溫度ta245 ℃

冷卻水進(jìn)口溫度tb135 ℃

冷卻水出口溫度tb245 ℃

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知:

鉆井液密度ρa(bǔ)=2 200 kg/m3時(shí),比熱容ca=1.61 kJ/(kg·℃)。

冷卻水密度ρb=1 000kg/m3時(shí),比熱容cb=4.174 kJ/(kg·℃)。

所選不銹鋼板式換熱器的傳熱系數(shù)K=749 W/(m2·℃)。

由換熱量公式可知:

Q=c·ρ·q·Δt

(1)

式中:Q為溫度變化的換熱量;Δt為進(jìn)出口溫差,Δt=t1-t2;t1為進(jìn)口最高溫度;t2為出口最低溫度;c為比熱容;ρ為密度;q為流量。

由熱量守恒定律可知:

Qa=Qb

(2)

式中:Qa為鉆井液換熱功率;Qb為冷卻水換熱功率。

逆流傳熱時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差:

Δtm=(Δt1-Δt2)/ln(Δt1/Δt2)

(3)

式中:鉆井液進(jìn)口端溫差Δt1=ta1-tb2;鉆井液出口端溫差Δt2=ta2-tb1

換熱器散熱面積計(jì)算公式:

A=Q/(K·Δtm)

(4)

將相關(guān)參數(shù)代入上述公式計(jì)算,并考慮設(shè)計(jì)裕量,修正后得出換熱器的總換熱面積A=440 m2。

3 技術(shù)特點(diǎn)

3.1 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆井液冷卻裝置設(shè)計(jì)為4個(gè)橇體,符合模塊化吊裝要求,如圖4所示。每個(gè)撬體的外形輪廓尺寸一致,符合統(tǒng)一裝車運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)要求。所有管線在運(yùn)輸?shù)跹b過程中固定于水罐內(nèi)。每個(gè)橇體的上下端面的4個(gè)角位置都設(shè)計(jì)了集裝箱角件,相鄰橇體的側(cè)面設(shè)計(jì)了定位塊,現(xiàn)場(chǎng)組裝時(shí)即可進(jìn)行快速吊裝、定位和相互固連。管路連接采用硬管卡箍與柔性管相結(jié)合的形式,可補(bǔ)償橇體定位的位置偏差。模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效解決了大功率冷卻設(shè)備超限運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝費(fèi)時(shí)難題,安裝便捷度提升60%,占地面積減少40%,降溫幅度提高10℃ 。

3.2 多流程冗余設(shè)計(jì)

裝置將過濾器、砂泵、冷卻水泵和板式換熱器等2個(gè)1組平行布置在冷卻橇體之上,通過相應(yīng)的管路和閥門連接,如圖5所示。其中,過濾器組和砂泵組為1用1備冗余設(shè)計(jì),在過濾器清洗和砂泵故障時(shí)可以無縫切換。冷卻水泵和板式換熱器采取并聯(lián)模式,通過管路優(yōu)化來匹配不同鉆井液排量和降溫工況需求。相較于串聯(lián)模式,并聯(lián)模式避免了兩級(jí)換熱器中泥漿板結(jié)造而成鉆井液沿程阻力損失越來越大的問題,且工作流程簡(jiǎn)潔,設(shè)備運(yùn)行可靠,還可以互為備用。

當(dāng)換熱器被堵塞時(shí),通過閥門控制切換至反沖洗模式,對(duì)調(diào)換熱器組的鉆井液進(jìn)出口,反方向的流體就可以將流道內(nèi)的雜物沖刷帶走,解除堵塞。

考慮到冷卻水塔漂水飛濺造成的水損失,設(shè)計(jì)了補(bǔ)水管路,可及時(shí)補(bǔ)充冷卻水。

圖5 冷卻橇設(shè)備布置

3.3 一鍵式恒溫自動(dòng)控制技術(shù)

鉆井液冷卻裝置的控制系統(tǒng)主要由控制器、操作面板、傳感器、電控單元和氣控單元等組成。選用西門子SMART200 CPU SR60型控制器,配合使用擴(kuò)展IO模塊負(fù)責(zé)信號(hào)的采集、邏輯處理和控制;選用人機(jī)交互觸摸屏完成參數(shù)監(jiān)視和控制對(duì)象的狀態(tài)操作;控制器配備高速處理器芯片,且集成了以太網(wǎng)接口,用于實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信。通過該接口還可與其他CPU模塊、觸摸屏、PC機(jī)等進(jìn)行以太網(wǎng)通信,具有可靠性高、配置靈活、輕松組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

控制系統(tǒng)主回路使用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)電機(jī),晶閘管的輸出電壓逐漸增加,電動(dòng)機(jī)逐漸加速,直到晶閘管全導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng),降低啟動(dòng)電流,避免跳閘。 傳感器的主要功能是對(duì)裝置中鉆井液和冷卻水運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),并反饋至控制器和屏幕上,以便控制系統(tǒng)和操作人員根據(jù)工況條件及時(shí)調(diào)整控制參數(shù),保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。其主要由溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器和液位計(jì)等組成。傳感器安裝位置位于冷卻裝置和換熱器冷熱流體的進(jìn)出口,以及冷卻水罐內(nèi)。

如圖6所示,電控部分采用冷卻橇上的防爆控制箱進(jìn)行集中控制。在2個(gè)水塔橇上還配備本地控制盒,方便調(diào)試和維護(hù)。本地控制盒統(tǒng)一接入集中防爆控制箱;防爆控制箱采用304.8 mm(12英寸)防爆觸摸屏進(jìn)行操作和顯示參數(shù),面板上還集成水泵電機(jī)、風(fēng)機(jī)電機(jī)和工作模式切換等手動(dòng)旋鈕,各旋鈕配指示燈,用于手動(dòng)控制模式。

圖6 鉆井液冷卻裝置防爆控制箱

氣控系統(tǒng)采用正壓防爆氣控箱為氣控蝶閥提供氣源。氣源為外接井場(chǎng)氣源,采用閥島控制的方式對(duì)12路蝶閥進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制。

鉆井液冷卻裝置控制軟件主界面如圖7所示。首先對(duì)作業(yè)流程進(jìn)行編組,并設(shè)置控制邏輯對(duì)象。通過監(jiān)測(cè)鉆井液冷卻裝置的工作狀態(tài),對(duì)各部件進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制,主要包括部件電機(jī)運(yùn)行、換熱通道切換、自動(dòng)反沖洗、自動(dòng)液位補(bǔ)償、鉆井液溫度自/手動(dòng)切換、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)等,從而實(shí)現(xiàn)不同工況下,對(duì)鉆井液冷卻裝置的一鍵式恒溫控制,整個(gè)過程精準(zhǔn)可控,操作便捷。

圖7 鉆井液冷卻裝置控制軟件主界面

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2022-05,ZLQ030-75型高溫鉆井液冷卻裝置已連續(xù)在大港油田某平臺(tái)的相鄰3口頁巖油水平井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,如圖8所示。高溫鉆井液冷卻裝置安裝在距3號(hào)循環(huán)罐大約15 m位置,從3號(hào)罐吸入鉆井液,冷卻后排入4號(hào)罐,3號(hào)罐與4號(hào)罐內(nèi)部通過管道連通。鉆井液為水基鉀鹽聚合物體系,鉆井泵施工排量為120 m3/h,井深4 500 m左右進(jìn)入水平段,設(shè)備開始對(duì)鉆井液進(jìn)行循環(huán)冷卻,累計(jì)運(yùn)行時(shí)間為932 h,累計(jì)進(jìn)尺5 042 m。

圖8 ZLQ030-75型高溫鉆井液冷卻裝置應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

在裝置運(yùn)行過程中,由于裝置砂泵排量大于施工排量,所以將4號(hào)罐中鉆井液經(jīng)3號(hào)罐再次吸入進(jìn)行循環(huán)冷卻,循環(huán)罐中鉆井液溫度從78 ℃經(jīng)冷卻后穩(wěn)定至40 ℃左右,冷卻裝置出口溫度穩(wěn)定在35 ℃左右,平均降溫幅度35 ℃,最大降溫幅度40 ℃,井底溫度降幅 8～17 ℃。現(xiàn)場(chǎng)鉆井液溫度數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)鉆井液溫度變化曲線

5 結(jié)論

1) 為解決井下高溫環(huán)境下隨鉆工具和精密儀器失效、鉆井液性能不穩(wěn)定等問題,研制了ZLQ030-75型高溫鉆井液冷卻裝置。對(duì)換熱部件進(jìn)行選型和計(jì)算,使其能滿足大排量高溫鉆井液的冷卻需求。

2) 對(duì)比在用的鉆井液冷卻系統(tǒng),ZLQ030-75型高溫鉆井液冷卻裝置具有模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多流程冗余設(shè)計(jì)和一鍵式恒溫自控技術(shù)等特點(diǎn),解決了設(shè)備超限運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝等問題。采用一鍵式自動(dòng)控制,匹配不同工況需求,運(yùn)用管路通斷執(zhí)行器、步進(jìn)電機(jī)、氣動(dòng)蝶閥聯(lián)動(dòng),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多流程冷卻、自動(dòng)恒溫、反沖洗和液位補(bǔ)償?shù)裙δ?同時(shí)解決了部件故障或換熱器堵塞而長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)難題,提高運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。

3) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,高溫鉆井液冷卻裝置的運(yùn)行效果達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。在深井、超深井鉆井作業(yè)中應(yīng)用該裝置,可顯著降低鉆井液的循環(huán)溫度,保障井下儀器穩(wěn)定工作,提高固控系統(tǒng)的易損件壽命,助力鉆井作業(yè)提質(zhì)增效。