钻井液冷却技术发展现状分析

摘要：随着油气钻探开发向深部地层延伸以及水合物藏等的开发，钻井液冷却技术的作用日趋重要。根据使用温度范围不同，钻井液冷却技术可分为高温冷却技术和低温冷却技术。主要介绍了国内外高温冷却主要方法特别是强制冷却装置的种类以及低温冷却装置的国内外研究现状，并针对我国在钻井液冷却技术领域的现状，提出了未来的发展思路。

关键词：钻井液冷却;强制冷却;高温钻井;高温冷却;低温冷却

在钻井过程中，地层的温度随深度的增加而升高，特别是深井钻进过程中，以7000-8000m的深井为例，井底温度可达200-250℃或更高。长时间的高温对钻井液性能的影响是巨大的^[1]。同时井下仪器的橡胶、电子元件等也极易受损，而目前井下抗高温钻井液外加剂和抗高温仪器无论质量、寿命还是价格均不十分理想，同时钻井液携带大量热能输送到地面却没有利用造成能源浪费。另一方面，在冻土层钻井和天然气水合物钻井中，钻头钻取岩石会产生大量热，钻杆与井壁摩擦也会产生热，井底温度升高，随着钻井液循环时间的增长，导致返回地面的钻井钻井液比冻土层或天然气水合物储层温度高，从而引起冻土段（或冻结岩石段）扩径或天然气水合物井底分解，所以也必须对钻井液温度进行及时的冷却。

1 高温钻井液冷却技术现状

目前，在高温钻井中，对高温钻井液的冷却处理一般采取的措施有如下几种。

（1）自然蒸发冷却。由于井内钻井液返回地面的温度高于环境温度，钻井液沿地面循环系统中会蒸发冷却而自然降温，利用该现象采取加长地面循环系统的循环路线的措施，可以在一定程度上达到冷却钻井液的目的。

（2）低温固体传导冷却。向泥浆罐中投放低温固体，比如冰块，冰块主要通过热传导方式来冷却钻井液。

（3）钻井液冷却装置強制冷却。当返回钻井液温度较高，进出井温差过大时，需采用钻井液冷却装置强制冷却，包括板式换热器，喷淋换热器，冷却介质包括冷水（海水）、乙二醇，辅助风冷等。

2 低温钻井液冷却技术现状

在冻土层如北极圈冻土带钻井中，如果钻井液循环温度高于冻土层温度会引起一系列问题，如地层冻土消融引起井壁失稳，更严重会引起地面不均匀沉降使钻塔倾斜等。

在天然气水合物钻井中，如果钻井液循环温度高于水合物层温度引起水合物分解，会带来一系列问题，如大量气体分解，使井径扩大，套管被压扁，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，有可能导致井喷及井塌事故。分解后的气体可能破坏周围环境，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^[2]。

在低温钻井液冷却技术领域，最著名的公司是美国Drillcool公司，其钻井液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溶液，冷却后的乙二醇溶液再通过螺旋换热器冷却钻井液^[3]，达到控制钻井液温度的目的。

2008年冬季，我国在青海木里盆地天然气水合物取样钻探时，环境温度低至-20℃以下，采用低流量返回地面钻井液在地面循环系统中自然冷却降温，进井钻井液温度维持在4℃左右，并取得了天然气水合物岩心，但冻土层段扩径现象比较明显^[4]。基于此吉林大学研制了适用于冻土带水合物钻探的新型钻井液冷却系统，该系统能够实现钻井液的快速冷却，同时能将钻井液动态维持在低温范围内^[5]。

随着油气勘探不断加深以及水合物藏的开发日趋紧迫，钻井液冷却技术作用会愈发凸显，而目前国内对于钻井液冷却技术的研究还处于以自然蒸发冷却为主，仅在近年来的高温地热井和冻土带的水合物勘探中研发了专用的冷却装置，没有形成一个完整的体系，未来可通过综合运用不同的冷却方式，甚至利用高温钻井液自身的温度进行发电，进而部分代替井队发电机，同时经过发电机、冷却循环系统和泥浆罐自然冷却三步冷却降温，可以大幅降低钻井液温度，并能节约大量电能和油料。

4 结论

在国外高温钻井液冷却技术已经比较成熟，钻井液冷却装备也较多。在我国，钻井液冷却装置在地热钻井中也有应用，对高温钻井液冷却技术针对性研究也有一定进展，但未形成产业化的冷却系统。

在冻土带钻井时，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，即通过钻井液冷却，使钻井液进井温度保持在低温范围内（-4～4℃），在美国，低温钻井液冷却技术在1988年受到重视并得以应用，到目前该技术已较成熟。我国近年来研制出了一套适用于天然气水合物钻井低温钻井液冷却的系统。

参考文献

[1]汪仲英.高温蒸汽地热田钻井与成井主要技术问题[J].探矿工程，1979，（5）：57-63.

[2]蒋国盛，王达，汤凤林，等.天然气水合物的勘探与开发[M].湖北武汉：中国地质大学出版社，2002. 66-67.

[3] H. Vrielink，J. S. Bradford，Chevron，et a.l Successful Application of Casing-While-Drilling Technology in a Canadian Arctic Permafrost Application[C]. IADC/SPE Drilling Conference. Florida，Orlando. 2008.

[4]张永勤，孙建华，贾志耀，等.中国陆地永久冻土带天然气水合物钻探技术研究与应用[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2009，36（S1）：22-28.

[5]李国圣，孙友宏，郭威.天然气水合物钻井泥浆冷却系统的设计及现场应用[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2011，38（2）：8-11.

作者简介：刘英伟（1983-）男，汉族，中海油能源发展工程技术分公司，中级工程师，主要从事钻井和井控技术研究。

（作者单位：中海油能源发展工程技术分公司）