天然氣水合物鉆井液冷卻技術(shù)進(jìn)展

馬　巖，邢希金

(中海油研究總院，北京 100028)

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天然氣水合物鉆井液冷卻技術(shù)進(jìn)展

馬巖，邢希金

(中海油研究總院，北京 100028)

摘要：應(yīng)用鉆井液冷卻技術(shù)來(lái)穩(wěn)定地層、防止天然氣水合物分解是天然氣水合物開(kāi)采中的一個(gè)重要課題，對(duì)此國(guó)內(nèi)外都開(kāi)展了大量的研究。通過(guò)介紹低溫鉆井液要求、冷卻技術(shù)分類(lèi)及鉆井液冷卻系統(tǒng)，總結(jié)了國(guó)外鉆井液冷卻技術(shù)研究進(jìn)展及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。綜述了我國(guó)鉆井液冷卻技術(shù)的科技成果與研究進(jìn)展。我國(guó)已初步研發(fā)出適用于國(guó)內(nèi)凍土區(qū)域天然氣水合物開(kāi)采的鉆井液冷卻系統(tǒng)，并通過(guò)增加換熱器個(gè)數(shù)、優(yōu)化換熱器式樣來(lái)增大換熱面積，達(dá)到了強(qiáng)化鉆井液冷卻效果的目的。鉆井液冷卻技術(shù)已在青海木里盆地和漠河盆地完成了野外試驗(yàn)，取得了良好的效果，成功鉆獲了天然氣水合物。提出了鉆井液冷卻技術(shù)的未來(lái)發(fā)展中，我國(guó)應(yīng)關(guān)注增加換熱器的換熱面積、載冷劑的循環(huán)使用及加強(qiáng)野外試驗(yàn)等幾個(gè)方面的研究。

關(guān)鍵詞：凍土；天然氣水合物；鉆井液冷卻；載冷劑；低溫；換熱面積

天然氣水合物是天然氣與水在高壓、低溫條件下形成的類(lèi)似冰狀的結(jié)晶物質(zhì)，其儲(chǔ)量豐富，甲烷含量占80%～99.9%，燃燒時(shí)的污染比煤、石油、天然氣都小很多，是一種規(guī)模巨大的新型潛在能源。天然氣水合物主要分布于海底沉積物和陸上凍土帶。中國(guó)是世界上第三大凍土國(guó)，在青藏高原和東北大興安嶺地區(qū)有大片的凍土區(qū)域，蘊(yùn)藏著大量的天然氣水合物[1]。

天然氣水合物的主要?dú)怏w成分為甲烷，如果在開(kāi)采的過(guò)程中失控，分解出的甲烷氣體會(huì)破壞地球的環(huán)境，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)地基沉降事故。因此，對(duì)凍土區(qū)域的天然氣水合物進(jìn)行開(kāi)采需要不斷地提高相關(guān)技術(shù)水平。其中，如何在鉆采過(guò)程中防止凍土水合物分解是首要考慮的問(wèn)題之一。

在凍土層開(kāi)采天然氣水合物時(shí)，鉆頭、鉆桿與巖石、井壁的摩擦?xí)a(chǎn)生巨大的熱量，并且隨著井深的增加，井底溫度逐漸增大。在鉆井液循環(huán)過(guò)程中會(huì)帶出部分井底熱量，其本身溫度也會(huì)隨著循環(huán)的進(jìn)行而升高[2]。當(dāng)返出的鉆井液溫度過(guò)高時(shí)，將導(dǎo)致凍土層天然氣水合物分解。因此，針對(duì)凍土區(qū)水合物開(kāi)采的鉆井液冷卻技術(shù)的攻關(guān)，是一個(gè)至關(guān)重要的課題。

1 鉆井液冷卻技術(shù)

鉆井液冷卻技術(shù)主要分為高溫鉆井液冷卻技術(shù)和低溫鉆井液冷卻技術(shù)。高溫鉆井液冷卻技術(shù)適用于中高溫地?zé)峋蜕畈坑蜌饩@井中，低溫鉆井液冷卻技術(shù)適用于凍土區(qū)油氣鉆井和天然氣水合物鉆井中。

1.1 低溫鉆井液要求

低溫鉆井液對(duì)凍土區(qū)天然氣水合物的控制主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：①抑制井內(nèi)天然氣水合物的分解；②避免誘發(fā)天然氣水合物的分解；③抑制鉆井液中天然氣水合物的再形成。在設(shè)計(jì)適合凍土層天然氣水合物鉆井液體系時(shí)，需要考慮鉆井液密度、水合物抑制能力、鉆井液護(hù)壁性及鉆井液流變性這4個(gè)因素。

1.2 冷卻技術(shù)分類(lèi)

目前冷卻技術(shù)主要有如下3種方法：

(1)自然蒸發(fā)冷卻。鉆井液從井內(nèi)返回地面的過(guò)程中，其溫度隨著流動(dòng)蒸發(fā)降低，從而自然降溫，可通過(guò)加長(zhǎng)鉆井液槽的循環(huán)路線使之獲得一定程度的冷卻。此方法一般應(yīng)用于鉆井液流量較小、返回鉆井液溫度較低、進(jìn)出井溫差較小的井，其應(yīng)用范圍較窄。

(2)低溫固體傳導(dǎo)冷卻。通過(guò)向鉆井液池中加入低溫固體的方式實(shí)現(xiàn)冷卻，一般應(yīng)用于返回鉆井液溫度不高、進(jìn)出井溫差不大的井。

(3)強(qiáng)制冷卻。通過(guò)鉆井液冷卻裝置強(qiáng)制冷卻，一般應(yīng)用于返回鉆井液溫度過(guò)高、進(jìn)出井溫差過(guò)大的井，其在國(guó)外應(yīng)用范圍廣泛[3]。隨著我國(guó)鉆井液冷卻技術(shù)的發(fā)展，鉆井液冷卻裝置逐漸普及。

1.3 鉆井液冷卻系統(tǒng)

鉆井液冷卻系統(tǒng)主要包括：載冷劑制冷、鉆井液制冷及溫度檢測(cè)3部分。其中最重要的裝置為換熱器和載冷劑箱。

趙江鵬[4]對(duì)換熱器的特征和性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，認(rèn)為換熱器主要分為管式換熱器和板式換熱器兩大類(lèi)。在管式換熱器中，套管式換熱器可串聯(lián)和并聯(lián)，靈活性大且易清潔；列管式換熱器的傳熱面積和機(jī)械強(qiáng)度較大；U形管式換熱器結(jié)構(gòu)緊密但不易清洗；翅片管式換熱器不易結(jié)垢，但造價(jià)高。在板式換熱器中，平板式換熱器可大范圍串聯(lián)、并聯(lián)及組合配置，對(duì)黏性較大的流體亦可處理，便于清潔，但使用壓力和溫度不能太高；螺旋板式換熱器傳熱效果好，但清洗困難；板翅式換熱器傳熱能力強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價(jià)高，不能承受高溫高壓。

制冷劑是載冷劑箱中傳遞熱量的物質(zhì)。制冷劑對(duì)鉆井液冷卻系統(tǒng)的冷卻效果起著至關(guān)重要的作用。在選擇制冷劑時(shí)，一般要求傳熱系數(shù)大、黏度小、性質(zhì)穩(wěn)定、腐蝕性小且安全無(wú)毒、價(jià)格低廉。目前常見(jiàn)的制冷劑是乙二醇水溶液。趙江鵬[4]認(rèn)為，載冷劑箱的容積至少是運(yùn)行時(shí)制冷劑循環(huán)量的8～12倍，其合理范圍為1.5～5m3，足夠的制冷劑量可保證鉆井液冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 鉆井液冷卻系統(tǒng)研究進(jìn)展

2.1 國(guó)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)鉆井液冷卻技術(shù)的研究較成熟。1988年，加拿大在波弗特海近海凍土層鉆井中，采用鉆井液冷卻器將鉆井液冷卻至-9℃；1998年，加拿大在馬更些地區(qū)Mallik 2L-38天然氣水合物勘探井中使用一種平板式換熱器，將鉆井液冷卻至2℃左右；2003年，美國(guó)在阿拉斯加北坡天然氣水合物試采井——熱冰1井中，將鉆井液冷卻至-5℃左右。熱冰1井的鉆井液冷卻系統(tǒng)通過(guò)3個(gè)部分實(shí)現(xiàn)循環(huán)冷卻：首先熱冰1井的鉆井環(huán)境溫度較低，鉆井液通過(guò)簡(jiǎn)易換熱器在空氣中進(jìn)行初步冷卻；然后鉆井液進(jìn)入封閉環(huán)境進(jìn)行實(shí)際冷卻；最后在封閉的環(huán)形換熱器中與乙二醇制冷劑進(jìn)行熱交換冷卻[5]。

2007年，美國(guó)在阿拉斯加北坡天然氣水合物鉆探中，使用美國(guó)Drillcool公司研發(fā)的鉆井液冷卻裝置，使鉆井液溫度維持在-2℃左右，其制冷劑主劑為氨水[6]。同年，為了在加拿大永久凍土區(qū)域順利完成鉆探作業(yè)，通過(guò)BP、雪佛龍等公司設(shè)計(jì)了一種適用于鉆采稠油的鉆井液冷卻系統(tǒng)[7]。此高自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了二級(jí)換熱，其中一級(jí)換熱是乙二醇在板式熱交換器中與氨制冷系統(tǒng)進(jìn)行換熱冷卻，二級(jí)換熱是冷卻后的乙二醇通過(guò)螺旋換熱器與鉆井液進(jìn)行換熱。通過(guò)大口徑螺旋換熱器，最大限度地降低了鉆井液堵塞的問(wèn)題，保證了換熱器的最大接觸面積與最長(zhǎng)接觸時(shí)間。同時(shí)，冷卻后的乙二醇通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)制冷線圈進(jìn)行循環(huán)，從而確保系統(tǒng)內(nèi)的冷凍環(huán)境，保證系統(tǒng)的順利運(yùn)行。加拿大設(shè)計(jì)的鉆井液冷卻系統(tǒng)配有溫度自控功能，使鉆井液保持在所需溫度。對(duì)兩種不同體系的鉆井液進(jìn)行冷卻，均得到較好的冷卻效果：將KCl聚合物體系鉆井液冷卻至-5~-4℃，將含4%~5%KCl的PHPA鉆井液體系冷卻至-2.5~-2℃。

李國(guó)圣對(duì)美國(guó)、荷蘭等國(guó)家設(shè)計(jì)的鉆井液冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)。美國(guó)設(shè)計(jì)了通過(guò)向管束表面澆注冷卻物質(zhì)的方式來(lái)達(dá)到冷卻目的的鉆井液冷卻系統(tǒng)，溫度升高后的冷卻物質(zhì)可通過(guò)散熱器冷卻后循環(huán)使用。荷蘭研制了一種二級(jí)冷卻的鉆井液冷卻技術(shù)，鉆井液不與冷卻物質(zhì)接觸。一級(jí)換熱是鉆井液與乙二醇和水的混合物進(jìn)行換熱，二級(jí)換熱是乙二醇和水的混合物與海水進(jìn)行換熱，最終通過(guò)兩個(gè)板式換熱器散熱。馬來(lái)西亞設(shè)計(jì)了通過(guò)板式散熱器直接對(duì)高溫鉆井液進(jìn)行降溫散熱的冷卻系統(tǒng)，但這個(gè)散熱器僅適用于高溫高壓區(qū)域。

2.2 我國(guó)鉆井液冷卻系統(tǒng)研究情況

我國(guó)對(duì)凍土水合物鉆井液冷卻技術(shù)的調(diào)查研究起步較晚，最初引用的是國(guó)外技術(shù)。2007年，我國(guó)運(yùn)用國(guó)外技術(shù)在南海成功地鉆取了天然氣水合物。2008年11月，我國(guó)在青海省南祁連山凍土帶使用自然蒸發(fā)冷卻技術(shù)，成功鉆取了天然氣水合物樣品。隨著我國(guó)凍土區(qū)天然氣水合物研究的深入，自主研發(fā)、設(shè)計(jì)了適用于我國(guó)凍土區(qū)天然氣水合物科學(xué)鉆探的鉆井液冷卻技術(shù)[4]。

趙江鵬等[8]研制了一套鉆井液冷卻系統(tǒng)(圖1)，這套系統(tǒng)主要由載冷劑制冷部分、鉆井液冷卻部分和溫度檢測(cè)部分組成。該系統(tǒng)采用風(fēng)冷低溫乙二醇冷水機(jī)組，乙二醇為制冷劑，將鉆井液和制冷后的載冷劑輸送至同軸套管式換熱器中，通過(guò)逆向流動(dòng)進(jìn)行熱交換，從而實(shí)現(xiàn)鉆井液的快速冷卻，并能將鉆井液動(dòng)態(tài)維持在低溫范圍。

2012年，劉玉民等[9]在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)換熱器的制冷效率進(jìn)行了理論計(jì)算，得出其具有54.8%的系統(tǒng)制冷效率，從理論上證明了該系統(tǒng)可滿(mǎn)足凍土區(qū)天然氣水合物的鉆探需要。同時(shí)，劉玉民等[9]建議將冷卻系統(tǒng)內(nèi)的同軸套管式換熱器內(nèi)管更換為螺旋式花管，可增大載冷劑與鉆井液的接觸面積，提高傳熱效率，使制冷效果更佳。

2013年李家晟等[10]對(duì)這套鉆井液冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，加入智能溫控單元，提高了鉆井液制冷系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，避免了人為操作不當(dāng)或某些設(shè)備異常造成的系統(tǒng)癱瘓，解決了制冷過(guò)程中的重要隱患。

前述的同軸套管式換熱器鉆井液冷卻系統(tǒng)雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在試驗(yàn)中也暴露出許多缺陷，如能量利用率低、設(shè)備體積較大等。針對(duì)以上問(wèn)題，2013年李寬等[11]對(duì)傳熱機(jī)理和換熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，開(kāi)發(fā)了一種改進(jìn)型的鉆井液冷卻系統(tǒng)(圖2)。使用了3層套管式換熱器，在鉆井液通道中加入了載冷劑通道，使3層套管式換熱器具有兩個(gè)換熱面，即：①鉆井液與中心通道載冷劑的對(duì)流換熱;②鉆井液與外側(cè)載冷劑的對(duì)流換熱。通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)使鉆井液與載冷劑的換熱面積得到大幅提高，而換熱器體積和能量消耗得到了大幅度減小。

為了防止凍土區(qū)天然氣水合物在鉆井過(guò)程中分解，國(guó)外主要傾向于采用強(qiáng)制冷卻法，使用鉆井液冷卻系統(tǒng)對(duì)鉆井液進(jìn)行冷卻。我國(guó)目前也主要圍繞強(qiáng)制冷卻法發(fā)展。在近幾年的鉆井液冷卻系統(tǒng)研究中，主要采用以乙二醇為制冷劑的鉆井液冷卻技術(shù)。通過(guò)不斷研究開(kāi)發(fā)及改進(jìn)創(chuàng)新，在凍土區(qū)野外試驗(yàn)中初步得到了一些進(jìn)展。

3 鉆井液冷卻系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

“青藏高原凍土帶天然氣水合物調(diào)查評(píng)價(jià)”中，鉆井液冷卻系統(tǒng)得到了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，這是我國(guó)自主研發(fā)鉆井液冷卻系統(tǒng)首次在陸地永凍區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，地點(diǎn)為青海木里盆地。應(yīng)用結(jié)果顯示(表1)，鉆井液溫度隨鉆井液冷卻不斷降低，最終達(dá)到目標(biāo)值。在3個(gè)實(shí)驗(yàn)井中累計(jì)鉆探794m，其中2口井通過(guò)鉆井液冷卻系統(tǒng)解決了鉆井液溫度升高所導(dǎo)致的水合物分解等問(wèn)題，成功發(fā)現(xiàn)天然氣水合物。

表1　2009年6月20日天然氣水合物鉆井液

2011年，陳大勇等[12]評(píng)價(jià)了該套系統(tǒng)在漠河盆地天然氣水合物鉆探中的使用情況。漠河盆地位于大興安嶺以北、黑龍江上游南岸，為多年永凍區(qū)，凍土層厚度一般為60～80m。鉆探過(guò)程中使用低固相聚合物耐低溫鉆井液。在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，載冷劑循環(huán)泵流量為100L/min、進(jìn)口溫度為-5℃，鉆井液循環(huán)泵流量為160L/min、進(jìn)口溫度為3℃、鉆井液出口溫度為1.2℃。

圖3是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所繪的鉆井液溫度—時(shí)間曲線。從圖3中可看出，鉆井液入井與出井溫度相近，其中冷卻后鉆井液入井溫度始終保持在5℃以下，滿(mǎn)足鉆探需求；但由于鉆井液池沒(méi)有保溫裝置，其受外界溫度影響較大，導(dǎo)致其溫度曲線波動(dòng)較大。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的野外試驗(yàn)論證，該套系統(tǒng)工作平穩(wěn)，制冷效果較好，可滿(mǎn)足低溫區(qū)域天然氣水合物的鉆探要求。

4 鉆井液冷卻技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向

對(duì)于我國(guó)今后鉆井液冷卻技術(shù)的研究，建議關(guān)注以下幾點(diǎn)：

(1)增加換熱面積。增大換熱面積可有效增大換熱效率，鉆井液冷卻效果更好。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)備尺寸越大，換熱面積就越大，但是設(shè)備尺寸過(guò)大不利于野外運(yùn)輸。因此，如何在一定體積的鉆井液冷卻系統(tǒng)內(nèi)獲得更大的換熱面積，需要進(jìn)一步的研究及創(chuàng)新。

(2)循環(huán)使用載冷劑。在國(guó)外研究中很重視載冷劑的循環(huán)使用，但我國(guó)在這一方面的關(guān)注度較低。國(guó)外較成熟的鉆井液冷卻技術(shù)，載冷劑大多可循環(huán)使用，這不僅是對(duì)自然資源的一種保護(hù)，同時(shí)也可降低水合物開(kāi)采成本。

(3)加強(qiáng)野外試驗(yàn)。我國(guó)曾利用國(guó)外的技術(shù)成功開(kāi)采了天然氣水合物，但國(guó)外技術(shù)對(duì)我國(guó)凍土區(qū)水合物開(kāi)采的適用性有待論證。我國(guó)近年來(lái)對(duì)凍土區(qū)域水合物鉆井液冷卻技術(shù)的研究多為理論計(jì)算，僅有少數(shù)進(jìn)行了野外試驗(yàn)，初步得到一定成果。因此下一步應(yīng)加強(qiáng)野外試驗(yàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

為解決因鉆井液溫度升高導(dǎo)致的孔壁失穩(wěn)及天然氣水合物分解等問(wèn)題，鉆井液冷卻技術(shù)的研究勢(shì)在必行。目前，我國(guó)學(xué)者已初步研發(fā)出適用于我國(guó)凍土區(qū)水合物開(kāi)采的鉆井液冷卻系統(tǒng)，并通過(guò)增加換熱器個(gè)數(shù)、優(yōu)化換熱器樣式來(lái)增大換熱面積，以達(dá)到強(qiáng)化鉆井液冷卻效果的目的。

鉆井液冷卻技術(shù)已在青海木里盆地和漠河盆地完成了野外試驗(yàn)，獲得良好效果，成功鉆獲了天然氣水合物。鉆井液冷卻技術(shù)勢(shì)必為未來(lái)大規(guī)模開(kāi)采凍土區(qū)天然氣水合物提供重要的技術(shù)支持。

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Development of Mud Cooling Technology for Gas Hydrate Drilling

Ma Yan，Xing Xijin

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Abstract:Applying mud cooling technology to stabilize formation and prevent natural gas hydrate deposing is an important issue for natural gas hydrate production. A lot of research has been done both at home and abroad. Based on introducing the requirements of low-temperature mud, classification of refrigeration technology and mud refrigeration system, we summed up the research progress and applications of mud cooling technology in foreign countries. We summarized the technological achievements and research progress of domestic mud cooling technology. China has preliminarily developed the mud cooling system applicable to natural has hydrate production in domestic permafrost regions. We could increase heat exchange area by adding heat exchangers and optimizing types of heat exchanger, achieving the goal of strengthening mud cooling effect. We had completed field test of the technology in Qinghai Muli Basin and Mohe Basin and obtained natural gas hydrates successfully. We proposed that China focus on enlarging heat exchange area, recycling refrigerant and strengthening field experiment in the future.

Key words:permafrost; natural gas hydrate; mud cooling; secondary refrigerant; low temperature; heat exchange area

中圖分類(lèi)號(hào)：TE19文獻(xiàn)識(shí)別碼：A

作者簡(jiǎn)介：第一馬巖(1990年生)，女，碩士，工程師，主要從事海洋石油入井工作液研究工作。郵箱：mayan8@cnooc.com.cn。