专利名称：钻井泥浆强制冷却循环系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钻井循环介质强制冷却系统，尤其是用于对天然气水合物钻探取
样低温泥浆进行强制冷却循环系统，也是用于石油天然气钻井、深部大陆科学钻探和深部 地热钻探高温泥浆进行强制冷却循环系统。
背景技术：
开发利用天然气水合物首先要通过钻探取样手段取得天然气水合物岩心样品，然 后通过对岩心的分析，评估天然气水合物储存量、天然气水合物矿层的产状、规模和性质等 地质参数，所以钻探取样是开发利用天然气水合物最直接的主要手段。天然气水合物赋存 在0 10°C ，压力> 10MPa的沉积地层中，只要天然气水合物赋存地层的温度升高或地层压
力降低都可能引起天然气水合物分解。钻探取样施工过程中钻头切削岩石产生大量的热， 同时钻具与孔壁摩擦也会产生热，孔底温度升高，这些热量传递给钻井泥桨，泥桨温度也随
之升高。泥浆温度升高会造成在钻取天然气水合物岩心时，天然气水合物发生分解，致使无 法采取到原位保真的天然气水合物岩心样品，不但会影响对矿层储存量的评估，而且还可 能会引起孔内事故并对钻探设备造成危害，所以必须对钻探所使用的低温泥浆的温度进行 控制，一般宜将泥浆温度保持在_3°C 3°C，即可保证在钻进过程中天然气水合物地层及 岩心保持稳定。 目前，用于泥桨冷却的技术有，在深部地热井热水层中钻进时，地温可达35(TC， 返回泥浆的温度可达60 lirC，日本葛根田WD-1A井地温最高达到50(TC，高温度的泥 浆对钻具、管材等腐蚀严重，易烫伤现场操作人员，对泥浆冷却一般采用的措施是加长泥浆 槽的循环路线，使返出泥浆在循环流动中自然降温，也有采取向泥浆池投放冰块降低泥浆 温度的方法，必要时采用泥浆冷却装置降温，设计的泥浆冷却装置有两种一种是安装在泥 浆池的冷却塔；另一种是安装在振动筛旁的大功率风扇进行强制冷却。而以上这些技术方 法都是针对高温泥浆的制冷，对天然气水合物钻探取样低温泥浆的制冷，泥浆温度要控制 在-3°C 3°C，以上技术方法都不宜采用。
发明内容
本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种适用于陆地冻土层和海洋 钻探施工，特别适用于天然气水合物钻探取样施工的天然气水合物钻井泥浆冷却的钻井泥 浆强制冷却循环系统，该系统也适用于深部地热井钻探、深部大陆科学钻探和深部石油天 然气钻井高温泥浆制冷。 本发明的目的是通过以下技术方案实现的 钻井泥浆强制冷却循环系统，是由制冷机组1的输出管经阀I 3与载冷剂箱4连 接，载冷剂箱4的输出管经阀ni6、制冷机组泵2与制冷机组1的输入端连接，载冷剂箱4 的输出管经温度传感器I 7、阀IV 8、载冷剂箱泵9和温度传感器n IO与同轴泥浆对流换 热器12输入管连接，同轴泥浆对流换热器12的输出管经温度传感器IV13与泥浆池16连
3接，载冷剂箱4的输入管经阀II 5、温度传感器III11与同轴泥浆对流换热器12输出管连 接，同轴泥浆对流换热器12输入管经温度传感器V 14、泥浆输送泵15与泥浆池17连接，温 度传感器VI16安置在泥浆池17中，温度传感器VI120与泥浆泵18输出端连接，温度传感 器VIII19安置在返回地表的泥桨槽道中，温度传感器I 7、温度传感器I1 10、温度传感器 11111 、温度传感器IV13、温度传感器V 14、温度传感器VI 16、温度传感器VI1119和温度传 感器VII20并列与巡检仪22连接。 同轴泥浆对流换热器12的换热管为双层排布或多层排布方式，是由内管23套装 在外管25内，内管23与外管25同轴，两管间的环状间隙为载冷剂或泥浆循环通道，环状间 隙两端封闭，内管23为泥浆或载冷剂循环通道，循环泥浆与载冷剂逆向流动，构成逆流换 热，内管23与内管23之间通过法兰29和U型波纹管26连通，外管25与外管25之间通过 短管27和法兰29连通，短管27中间装有法兰29，外管25焊接有支撑杆28用于限制两外 管25之间的距离，泥浆或载冷剂进口 30和泥浆或载冷剂出口 33设在同轴泥浆对流换热器 的同一端，载冷剂或泥浆进口 31和载冷剂或泥浆出口 32设在同轴泥浆对流换热器的同一 侧面，并与外管25连通，外管25的外壁涂装有保温层24。 保温材料共四层，由里向外依次为保温漆、聚氨酯泡沫、硬质保温材料和锡纸。保 温漆采用双组分油性隔热保温底漆、油罐保温漆或水性隔热保温面漆。硬质保温材料优选 硬质胶皮或聚氨酯硬质泡沫塑料瓦。内管23内壁为光滑面，载冷剂为乙二醇水溶液或其它 耐低温液体。 有益效果钻井泥浆强制冷却循环系统，经试验，该系统换热效果好，能够快速冷 却泥浆，并将泥浆温度动态维持在设定的温度范围，且操作方便。
附图1为钻井泥浆强制冷却循环系统结构图
附图2为附图1同轴泥浆对流换热器12俯视图
附图3为附图1同轴泥浆对流换热器12主视图
附图4为附图1同轴泥浆对流换热器12换热管结构图
附图5为附图l载冷剂箱4各管道口布置图 1制冷机组，2制冷机组泵，3阀I ， 4载冷剂箱，5阀11 ， 6阀111 ， 7温度传感器I ， 8 阀IV，9载冷剂箱泵，10温度传感器II， 11温度传感器III， 12同轴泥浆对流换热器，13温 度传感器IV， 14温度传感器V， 15泥浆输送泵，16温度传感器VI， 17泥浆池，18泥浆泵，19 温度传感器VIII， 20温度传感器VII， 21钻孔，22巡检仪，23内管，24保温层，25外管，26U 型波纹管，27短管，28支撑，29法兰，30泥浆进口或载冷剂进口 ， 31载冷剂出口或泥浆出口 ， 32载冷剂进口或泥浆进口 ， 33泥浆出口或载冷剂出口 。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例作进一步的详细说明
实施例l 钻井泥浆强制冷却循环系统，由制冷机组1的输出管经阀I 3与载冷剂箱4连接， 载冷剂箱4的输出管经阀ni6、制冷机组泵2与制冷机组1的输入端连接，载冷剂箱4的输出管经温度传感器I 7、阀IV8、载冷剂箱泵9和温度传感器II 10与同轴泥浆对流换热 器12输入端即载冷剂进口 32连接，同轴泥浆对流换热器12的输出管即泥浆出口 33经温 度传感器IV13与泥浆池16连接，载冷剂箱4的输入管经阀II 5、温度传感器III11与同 轴泥浆对流换热器12输出端即载冷剂出口 31连接，同轴泥浆对流换热器12输入管即泥浆 进口 32经温度传感器V 14、泥桨输送泵15与泥桨池17连接，温度传感器VI16安置在泥 桨池17中，温度传感器VII20与泥桨泵18输出端连接，温度传感器VIII19安置在返回地 表的泥浆槽道中，温度传感器I 7、温度传感器I1 10、温度传感器III11、温度传感器IV13、 温度传感器V 14、温度传感器VI16、温度传感器VIII19和温度传感器VI120并联与巡检仪 22连接构成。 双层排布式同轴泥浆对流换热器，内管23与外管25为有相同长度的直管段，内管 23套装在外管25内，内管23与外管25同轴，构成一组同轴套管。组与组之间的同轴套管 平行排布，相邻两组同轴套管的内管23之间通过U型波纹管26和法兰29连通，外管25与 内管23构成一环状间隙，每组同轴套管的环状间隙两端都是封闭的，在外管25端部一侧焊 接一短管27，通过法兰29与另一组同轴套管外管25焊接的短管27连通；在两组同轴套管 另一端用一支撑28连接，支撑28与短管27等长，支撑28限制两组外管25的距离，使两组 外管25保持平行，在外管25外表面和用于连接外管25的短管27外表面及U型波纹管26 的外表面涂装保温层24。保温层24的最里层是涂在外管25上的双组分油性隔热保温底 漆，依次向外包裹聚氨酯泡沫、硬质胶皮和锡纸。泥浆进口 30和泥浆出口 33安装在同一侧， 载冷剂进口 31和载冷剂出口 32安装在同一侧，泥浆进口端的侧面为载冷剂出口端，泥浆出 口端侧面为载冷剂进口端。内管23循环介质为泥浆，外管25与内管23构成的环状间隙中 的流动的循环介质为载冷剂，两种介质逆向流动，构成逆流换热。各换热管连接好后，固定 在钢结构底盘上，使用时运至施工现场。泥浆池17中的泥浆经泥浆输送泵15送入同轴泥 浆对流换热器12，冷却后再返回泥浆池17，也就是同轴泥浆对流换热器12不断地循环冷却 泥浆池17中的泥浆，冷却后的泥浆再经钻机泥浆泵18送入钻孔21。 钻井泥浆强制冷却循环系统的工作过程载冷剂箱4中的载冷剂经阀1116和制冷 机组泵2送入制冷机组l，经制冷机组1制冷后经制冷机组1输出管和阀13返回到载冷剂 箱4，再经温度传感器I 7、阀11 8、载冷剂箱泵9和温度传感器n IO送入同轴泥浆对流 换热器12，对同轴泥浆对流换热器12中的泥浆进行换热，换热升温后的载冷剂经温度传感 器IIIll、阀II 5返回载冷剂箱4与经制冷机组1制冷后的载冷剂混合换热，混合换热后的 载冷剂经阀III6和制冷机组水泵2返回到制冷机组1再次制冷，周而复始；冷却后的泥浆 经温度传感器IV13送入泥浆池17，再经泥浆泵18、温度传感器VII20、水龙头和钻杆送入 孔底降低钻头温度和护壁。降低钻头温度和护壁后的泥浆从钻杆与孔壁间的环状间隙返回 至地表，再通过温度传感器VIII19和泥桨槽道返回到泥桨池17，在泥桨池17中将携带上 来的岩屑沉淀，沉淀岩屑后的泥浆再经泥浆输送泵15送入同轴泥浆对流换热器12换热冷 却，换热冷却后的泥浆再经泥浆泵18、温度传感器VII20、水龙头和钻杆送入孔底降低钻头 温度和护壁，周而复始。 在钻井泥浆强制冷却循环系统冷却泥浆的过程中，温度传感器I 7、温度传感器 II 10、温度传感器III11、温度传感器IV13、温度传感器V14、温度传感器VI16、温度传感器 VIII19和温度传感器VII20检测的数据实时显示在巡检仪22的屏幕上。
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实施例2 钻井泥浆强制冷却循环系统，由制冷机组1的输出管经阀I 3与载冷剂箱4连接， 载冷剂箱4的输出管经阀ni6、制冷机组泵2与制冷机组1的输入端连接，载冷剂箱4的 输出管经温度传感器I 7、阀IV8、载冷剂箱泵9和温度传感器II 10与同轴泥浆对流换热 器12输入端即载冷剂进口 32连接，同轴泥浆对流换热器12的输出管即泥浆出口 33经温 度传感器IV13与泥浆池16连接，载冷剂箱4的输入管经阀II 5、温度传感器III11与同 轴泥浆对流换热器12输出端即载冷剂出口 31连接，同轴泥浆对流换热器12输入管即泥浆 进口 32经温度传感器V 14、泥桨输送泵15与泥桨池17连接，温度传感器VI16安置在泥 桨池17中，温度传感器VI120与泥桨泵18输出端连接，温度传感器VIII19安置在返回地 表的泥浆槽道中，温度传感器I 7、温度传感器I1 10、温度传感器III11、温度传感器IV13、 温度传感器V 14、温度传感器VI16、温度传感器VIII19和温度传感器VII20并联与巡检仪 22连接构成。 多层排布式同轴泥浆对流换热器，内管23与外管25为有相同长度的直管段，内管 23套装在外管25内，内管23与外管25同轴，外管25与内管23构成一环状间隙，构成一组 同轴套管。每组同轴套管的环状间隙两端都是封闭的，组与组之间的同轴套管不论是平面 排布还是竖直面向排布都是平行的，相邻两组同轴套管的内管23通过U型波纹管26和法 兰29连通，在外管25端部一侧焊接一短管27，通过法兰29与另一组同轴套管外管25焊 接的短管27连通；在两组同轴套管另一端用一支撑28连接，支撑28与短管27等长，支撑 28限制两组外管25的距离，使两组外管25保持平行，在外管25外表面和用于连接外管25 的短管27外表面及U型波纹管26的外表面涂装保温层24。保温层24的最里层是涂在外 管25上的油罐保温漆，依次向外包裹聚氨酯泡沫、聚氨酯硬质泡沫塑料瓦和锡纸。第三层 同轴套管泥浆进口 30与第二层同轴套管泥浆出口 33通过U型波纹管26和法兰29连通， 第三层同轴套管载冷剂进口 31与第二层同轴套管载冷剂出口 32通过法兰29与第三层外 管25焊接的短管27连通，第四层、第五层，乃至N层同样方式连通。载冷剂进口 31焊接在 最后一层同轴套管外管25侧面上，泥浆出口 33设置在最后一层同轴套管与载冷剂进口 31 同一端。泥浆进口 30端的侧面为载冷剂出口 31端，泥浆出口 33端侧面为载冷剂进口 32 端。内管23循环介质为泥浆，外管25与内管23构成的环状间隙中的流动的循环介质为载 冷剂，两种介质逆向流动，构成逆流换热。各换热管连接好后，固定在钢结构底盘上，使用时 运至施工现场。泥桨池17中的泥桨经泥桨输送泵15送入同轴泥桨对流换热器12，冷却后 再返回泥浆池17，也就是同轴泥浆对流换热器12不断地循环冷却泥浆池中的泥浆，冷却后 的泥浆再经钻机泥浆泵18送入钻孔21。 钻井泥浆强制冷却循环系统的工作过程载冷剂箱4中的载冷剂经阀1116和制冷 机组泵2送入制冷机组l，经制冷机组1制冷后经制冷机组1输出管和阀13返回到载冷剂 箱4，再经温度传感器I 7、阀II8、载冷剂箱泵9和温度传感器n IO送入同轴泥浆对流换 热器12，对同轴泥浆对流换热器12中的泥浆进行换热，换热升温后的载冷剂经温度传感器 nill、阀II 5返回载冷剂箱4与经制冷机组1制冷后的载冷剂混合换热，混合换热后的载 冷剂经阀III6和制冷机组泵2返回到制冷机组1再次制冷，周而复始；冷却后的泥桨经温 度传感器IV13送入泥浆池17，再经泥浆泵18、温度传感器VII20、水龙头和钻杆送入孔底 降低钻头温度和护壁。降低钻头温度和护壁后的泥浆从钻杆与孔壁的环状间隙的返回至地表，再通过温度传感器VIII19和泥桨槽道返回到泥桨池17，在泥桨池17中将携带上来的岩 屑沉淀，沉淀岩屑后的泥浆再经泥浆输送泵15送入同轴泥浆对流换热器12换热冷却，换热 冷却后的泥浆再经泥浆泵18、温度传感器VII20、水龙头和钻杆送入孔底降低钻头温度和 护壁，周而复始。 在钻井泥浆强制冷却循环系统冷却泥浆的过程中，温度传感器I 7、温度传感器 II 10、温度传感器nill、温度传感器IV13、温度传感器V 14、温度传感器VI16、温度传感 器VIII19和温度传感器VI120检测的数据实时显示在巡检仪22的屏幕上。
实施例3 钻井泥浆强制冷却循环系统，由制冷机组1的输出管经阀I 3与载冷剂箱4连接， 载冷剂箱4的输出管经阀ni6、制冷机组泵2与制冷机组1的输入端连接，载冷剂箱4的 输出管经温度传感器I 7、阀IV8、载冷剂箱泵9和温度传感器II 10与同轴泥浆对流换热 器12输入端即载冷剂进口 30连接，同轴泥浆对流换热器12的输出管即泥浆出口 31经温 度传感器IV13与泥浆池16连接，载冷剂箱4的输入管经阀II 5、温度传感器III11与同轴 泥浆对流换热器12输出端即载冷剂出口 33连接，同轴泥浆对流换热器12输入端即泥浆进 口 32经温度传感器V 14、泥桨输送泵15与泥桨池17连接，温度传感器VI16安置在泥桨池 17中，温度传感器VI120与泥浆泵18输出端连接，温度传感器VIII19安置在返回地表的泥 浆槽中，温度传感器I 7、温度传感器I1 10、温度传感器III11、温度传感器IV13、温度传感 器V 14、温度传感器VI16、温度传感器VIII19和温度传感器VI120并联与巡检仪22连接 构成。 同轴泥浆对流换热器，内管23与外管25为有相同长度的直管段，内管23套装在 外管25内，内管23与外管25同轴，构成一组同轴套管。组与组之间的同轴套管平行排布， 相邻两组同轴套管的内管23之间通过U型波纹管26和法兰29连通，外管25与内管23构 成一环状间隙，每组同轴套管的环状间隙两端都是封闭的，在外管25端部一侧焊接一短管 27，通过法兰29与另一组同轴套管外管25焊接的短管27连通；在两组同轴套管另一端用 一支撑28连接，支撑28与短管27等长，支撑28限制两组外管25的距离，使两组外管25保 持平行。载冷剂进口 30和载冷剂出口 33安装在同一侧，泥浆进口 32和泥浆出口 31安装 在同一侧，载冷剂进口 30端的侧面为泥浆出口 31端，载冷剂出口 33端侧面为泥浆进口 32 端。内管23循环介质为载冷剂，外管25与内管23构成的环状间隙中的流动的循环介质为 泥浆，两种介质逆向流动，构成逆流换热。各换热管连接好后，固定在钢结构底盘上，使用时 运至施工现场。泥浆池17中的泥浆经泥浆输送泵15送入同轴泥浆对流换热器12，冷却后 再返回泥浆池17，也就是同轴泥浆对流换热器12不断地循环冷却泥浆池17中的泥浆，冷却 后的泥浆再经钻机泥浆泵18送入钻孔21。 钻井泥浆强制冷却循环系统的工作过程载冷剂箱4中的载冷剂经阀1116和制冷 机组泵2送入制冷机组l，经制冷机组1制冷后经制冷机组1输出管和阀13返回到载冷剂 箱4，再经温度传感器I 7、阀11 8、载冷剂箱泵9和温度传感器n IO送入同轴泥浆对流换 热器12，对同轴泥浆对流换热器12中的泥浆进行换热，换热升温后的载冷剂经温度传感器 nill、阀II 5返回载冷剂箱4与经制冷机组1制冷后的载冷剂混合换热，混合换热后的载 冷剂经阀III6和制冷机组泵2返回到制冷机组1再次制冷，周而复始；冷却后的泥桨经温 度传感器VI13送入泥浆池17，再经泥浆泵18、温度传感器VII20、水龙头和钻杆送入孔底
7降低钻头温度和护壁。降低钻头温度和护壁后的泥浆从钻杆与孔壁环状间隙返回至地表， 再通过温度传感器VIII19和泥桨槽返回到泥桨池17，在泥桨池17中将携带上来的岩屑沉 淀，沉淀岩屑后的泥浆再经泥浆输送泵15送入同轴泥浆对流换热器12换热冷却，换热冷却 后的泥浆再经泥浆泵18、温度传感器VII20、水龙头和钻杆送入孔底降低钻头温度和护壁， 周而复始。 在钻井泥浆强制冷却循环系统冷却泥浆的过程中，温度传感器I 7、温度传感器 II 10、温度传感器nill、温度传感器IV13、温度传感器V 14、温度传感器VI16、温度传感 器VIII19和温度传感器VI120检测的数据实时显示在巡检仪22的屏幕上。
权利要求
一种钻井泥浆强制冷却循环系统，其特征在于，是由制冷机组(1)的输出管经阀I(3)与载冷剂箱(4)连接，载冷剂箱(4)的输出管经阀III(6)、制冷机组泵(2)与制冷机组(1)的输入端连接，载冷剂箱(4)的输出管经温度传感器I(7)、阀IV(8)、载冷剂箱泵(9)和温度传感器II(10)与同轴泥浆对流换热器(12)输入管连接，同轴泥浆对流换热器(12)的输出管经温度传感器IV(13)与泥浆池(17)连接，载冷剂箱(4)的输入管经阀II(5)、温度传感器III(11)与同轴泥浆对流换热器(12)输出管连接，同轴泥浆对流换热器(12)输入管经温度传感器V(14)、泥浆输送泵(15)与泥浆池(17)连接，温度传感器VI(16)安置在泥浆池(17)中，温度传感器VII(20)与泥浆泵(18)输出端连接，温度传感器VIII(19)安置在返回地表的泥浆循环槽中，温度传感器I(7)、温度传感器II(10)、温度传感器III(11)、温度传感器IV(13)、温度传感器V(14)、温度传感器VI(16)、温度传感器VIII(19)和温度传感器VII(20)并联与巡检仪(22)连接构成。
2. 按照权利要求1所述的钻井泥浆强制冷却循环系统，其特征在于，同轴泥浆对流换 热器(12)的换热管为双层排布或多层排布方式，是由内管(23)套装在外管(25)内，内管 (23)与外管(25)同轴，两管间的环状间隙为载冷剂(或泥浆)循环通道，环状间隙两端封 闭，内管(23)为泥浆(或载冷剂)循环通道，循环泥浆与载冷剂逆向流动，构成逆流换热， 内管(23)与内管(23)之间通过法兰(29)和U型波纹管(26)连通，外管(25)与外管(25) 之间通过短管(27)和法兰(29)连通，短管(27)中间装有法兰(29)，外管(25)焊接有支 撑杆(28)用于限制两外管(25)之间的距离，泥浆(或载冷剂)进口 (30)和泥浆(或载冷 剂)出口 (33)设在泥桨对流换热器的同一端，载冷剂(或泥桨)进口 (31)和载冷剂(或 泥浆)出口 (32)设在同轴泥浆对流换热器的同一侧面，并与外管(25)连通，外管(25)的 外壁涂装有保温层(24)。
3. 按照权利要求2所述的钻井泥浆强制冷却循环系统，其特征在于，保温材料共四层， 由里向外依次为保温漆、聚氨酯泡沫、硬质保温材料和锡纸。
4. 按照权利要求2所述的钻井泥浆强制冷却循环系统，其特征在于，保温漆采用双组 分油性隔热保温底漆、油罐保温漆或水性隔热保温面漆。
5. 按照权利要求2所述的钻井泥浆强制冷却循环系统，其特征在于，硬质保温材料优 选硬质胶皮或聚氨酯硬质泡沫塑料瓦。
6. 按照权利要求2所述的钻井泥浆强制冷却循环系统，其特征在于，内管(23)内壁为 光滑面，载冷剂为乙二醇水溶液(或其它耐低温液体)。
7. 按照权利要求1所述的钻井泥浆强制冷却循环系统，其特征在于，所述连接所用的 胶管外部保温材料共三层，由里向外依次为保温漆、石棉保温材料和锡纸。
8. 按照权利要求l所述的钻井泥浆强制冷却循环系统，其特征在于，所述载冷剂箱(4) 箱体外有保温层和保护层，由里向外依次为聚氨酯泡沫和厚铁皮。
全文摘要
本发明涉及一种钻井泥浆强制冷却循环系统。是由制冷机组通过泵连接载冷剂箱和同轴泥浆对流换热器，同轴泥浆对流换热器通过泵和管线连接泥浆池。同轴泥浆对流换热器换热管为双层式或多层排布方式，换热内管套装在外管内，两管间的环状空间为载冷剂或泥浆循环通道，内管为泥浆或载冷剂循环通道，循环泥浆与载冷剂逆向流动，构成逆流换热。外管的外壁涂装有保温材料。经试验，该系统换热效果好，能够快速冷却泥浆，并将泥浆温度动态维持在设定的温度范围，可适用于天然气水合物钻探取样低温泥浆制冷，亦适用于深井石油天然气钻井、深部大陆科学钻探和深部地热钻探高温泥浆制冷。
文档编号F28D7/10GK101787867SQ201010101730
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月28日 优先权日2010年1月28日
发明者孙友宏, 徐会文, 李国圣, 王庆华, 薛军, 贾瑞, 赵建国, 赵江鹏, 郭威, 陈晨 申请人:吉林大学