李進(jìn)，趙建剛，陳延濱，程婧格，趙鍇，劉俊良

基于旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)低溫測(cè)試裝置的制冷效果研究

李進(jìn)，趙建剛，陳延濱，程婧格，趙鍇，劉俊良

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

作者研制了一種簡(jiǎn)單實(shí)用低溫測(cè)試裝置并完成了該裝置的制冷效果分析。該裝置選用電熱制冷，能夠與旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)配合使用。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加入隔熱系統(tǒng)與風(fēng)導(dǎo)流系統(tǒng)，能夠有效地縮短制冷時(shí)間，達(dá)到更低的制冷溫度。

鉆井液；黏度計(jì)；低溫；制冷；研究

1 前言

隨著油氣資源的進(jìn)一步勘探開發(fā)，常規(guī)油氣資源已日漸匱乏。深海、極地、高原以及永凍層成為了現(xiàn)在的熱點(diǎn)開發(fā)區(qū)域，我國(guó)深海區(qū)與青藏高原等地蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，亟待開發(fā)利用，在該類地區(qū)鉆井溫度低，對(duì)鉆井液要求更加的苛刻。低溫環(huán)境下，鉆井液黏度升高，循環(huán)壓耗增大，液柱壓力升高，使井控更加困難，在靜置時(shí)易出現(xiàn)膠凝現(xiàn)象，給深水鉆井帶來極大困難[1-2]。國(guó)內(nèi)專業(yè)的低溫鉆井液測(cè)試設(shè)備種類少，實(shí)際測(cè)試效果較差，很難反映低溫條件下的鉆井液性能，嚴(yán)重的制約了鉆井液技術(shù)的發(fā)展，如何將制冷技術(shù)與鉆井液性能測(cè)試技術(shù)緊密的聯(lián)系在一起是研究的重點(diǎn)。目前市場(chǎng)上制冷技術(shù)較多，實(shí)際所采用的制冷方法也各有區(qū)別。常規(guī)的利用制冷劑(氟利昂、氨[3]等)制冷，一般設(shè)備體積較大，主要用于工業(yè)制冷；也有通過磁體來進(jìn)行制冷，利用磁工質(zhì)的磁熱效應(yīng)，在磁化時(shí)向外界放熱，退磁時(shí)從外界吸熱從而達(dá)到制冷的目的[4]，該技術(shù)成本較高，不太適合民用；電熱制冷是利用半導(dǎo)體材料來進(jìn)行制冷[5]，該技術(shù)具有體積小，經(jīng)濟(jì)環(huán)保的特點(diǎn)。為了能夠測(cè)試了解低溫條件下的鉆井液性能，本所研制了一種能夠方便快速為鉆井液降溫實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置采用電熱制冷技術(shù)，能與旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)配套使用，用于直接測(cè)試鉆井液低溫條件下的流變性能。

2 低溫制冷裝置簡(jiǎn)介

低溫制冷裝置目前在六速黏度計(jì)上廣泛應(yīng)用[6-8]，從市場(chǎng)上的低溫測(cè)試裝置來看，制冷效果好壞不一，降溫速率差距大，控溫效果也不理想，實(shí)際設(shè)備的價(jià)格也相對(duì)較為昂貴。低溫測(cè)試裝置主要由箱體、制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成，見圖1和圖2。本所研制的制冷裝置，具有簡(jiǎn)單實(shí)用，方便快速的特點(diǎn)。該裝置能夠直接對(duì)所測(cè)試的鉆井液進(jìn)行降溫，達(dá)到所需的溫度后通過上部的六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)能夠輕松測(cè)試出鉆井液的流變性能，實(shí)際操作簡(jiǎn)單，測(cè)試結(jié)果可靠。

圖1 低溫測(cè)試裝置在旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)上的測(cè)試原理圖

圖2 低溫測(cè)試裝置實(shí)物圖

3 制冷效果分析

該裝置的關(guān)鍵技術(shù)在于制冷系統(tǒng)，基于電熱制冷小巧環(huán)保，經(jīng)濟(jì)適用的特點(diǎn)，該裝置采用了電熱制冷的方式。選用半導(dǎo)體制冷片，因?yàn)橹评淦譃閮擅?，一面吸熱，一面散熱，只是起到?dǎo)熱作用，本身不會(huì)制冷，所以熱傳導(dǎo)速率對(duì)制冷效果至關(guān)重要。要達(dá)到更好的效果，從熱力學(xué)角度來講，要盡可能減少兩側(cè)溫差來提高效率。如圖3所示，即降低發(fā)熱端的溫度來提高制冷效果，通過在發(fā)熱端加裝散熱片對(duì)制冷效果具有很大的影響。

圖3 低溫測(cè)試裝置加裝散熱片原理圖

實(shí)驗(yàn)選取常規(guī)鉆井液基漿(3%膨潤(rùn)土+0.1% Na2CO3)，采用該冷凝裝置選用兩種不同類型的散熱片來測(cè)試基漿溫度的變化，從而研究實(shí)際散熱片對(duì)于制冷效果的影響。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4和圖5，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，選用密齒散熱片對(duì)于冷凝效果有了較大的提升，降溫時(shí)間更短，能夠達(dá)到的溫度更低。

圖4 加裝散熱片實(shí)際制冷效果圖

圖5 加裝密齒散熱片實(shí)際制冷效果圖

良好的通風(fēng)與導(dǎo)熱，能夠很好的提升制冷效果，通過加入風(fēng)導(dǎo)流系統(tǒng)，盡可能的將鉆井液的熱量帶出；在杯子四周加入隔熱板與隔熱棉能夠使杯體溫度保持恒定，原理圖見下圖6。

圖6 低溫制冷裝置加裝風(fēng)扇與隔熱片原理圖

實(shí)驗(yàn)選取常規(guī)鉆井液基漿(3%膨潤(rùn)土+0.1% Na2CO3)，來測(cè)試基漿溫度的變化，實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)見圖7。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以明顯看出，加入導(dǎo)流與隔熱后，制冷效果明顯加強(qiáng)，降溫更加迅速，而且達(dá)到的溫度更低，能夠很好的滿足現(xiàn)階段各類鉆井液低溫測(cè)試的需求。

圖7 加導(dǎo)流與隔熱板實(shí)際制冷效果圖

4 結(jié)論

(1)本所研制的低溫制冷裝置能夠很好的與旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)配合使用，具有簡(jiǎn)單方便的測(cè)試鉆井液性能的功能。

(2)通過實(shí)驗(yàn)研究可以看出通過加入散熱片、隔熱板與風(fēng)導(dǎo)流系統(tǒng)，能夠很好地提升制冷效果，有效地縮短了實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間。

(3)電熱制冷效率偏低，制冷時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，如何進(jìn)一步縮短制冷時(shí)間是下一步的工作重點(diǎn)。

[1] John L, George S, Taylor G, et al. New fluid system good in deepwater [J].The American Oil & Gas Reporter,2002,45(8): 92-95.

[2] 徐加放,邱正松,畢波,等.深水水基鉆井液的配方優(yōu)選與性能評(píng)價(jià)[J].鉆井液與完井液,2011,28(4):4-7.

[3] 楊一凡. 氨制冷技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2007, 28(4):12-19.

[4] 孫立佳, 孫淑鳳, 王玉蓮,等. 磁制冷研究現(xiàn)狀[J]. 低溫與超導(dǎo), 2008, 36(9):17-23.

[5] 胡韓瑩, 朱冬生. 熱電制冷技術(shù)的研究進(jìn)展與評(píng)述[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2008, 29(5):1-7.

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[7] 馬爾文儀器有限公司.溫度控制流變儀: CN102187199 A [P].2011-09-14.[8] 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢).一種流變儀: CN2611890 Y[P].2004-04-14.

2016-01-09

李進(jìn)(1990-)，男，北京延慶人，北京探礦工程研究所助理工程師，械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，主要從事鉆探儀器的研發(fā)、售后服務(wù)工作，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)探工樓102室，Tel：010-82321596。

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