摘要：隨著油氣鉆探開(kāi)發(fā)向深部地層延伸以及水合物藏等的開(kāi)發(fā)，鉆井液冷卻技術(shù)的作用日趨重要。根據(jù)使用溫度范圍不同，鉆井液冷卻技術(shù)可分為高溫冷卻技術(shù)和低溫冷卻技術(shù)。主要介紹了國(guó)內(nèi)外高溫冷卻主要方法特別是強(qiáng)制冷卻裝置的種類以及低溫冷卻裝置的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并針對(duì)我國(guó)在鉆井液冷卻技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)狀，提出了未來(lái)的發(fā)展思路。

關(guān)鍵詞：鉆井液冷卻;強(qiáng)制冷卻;高溫鉆井;高溫冷卻;低溫冷卻

在鉆井過(guò)程中，地層的溫度隨深度的增加而升高，特別是深井鉆進(jìn)過(guò)程中，以7000-8000m的深井為例，井底溫度可達(dá)200-250℃或更高。長(zhǎng)時(shí)間的高溫對(duì)鉆井液性能的影響是巨大的^[1]。同時(shí)井下儀器的橡膠、電子元件等也極易受損，而目前井下抗高溫鉆井液外加劑和抗高溫儀器無(wú)論質(zhì)量、壽命還是價(jià)格均不十分理想，同時(shí)鉆井液攜帶大量熱能輸送到地面卻沒(méi)有利用造成能源浪費(fèi)。另一方面，在凍土層鉆井和天然氣水合物鉆井中，鉆頭鉆取巖石會(huì)產(chǎn)生大量熱，鉆桿與井壁摩擦也會(huì)產(chǎn)生熱，井底溫度升高，隨著鉆井液循環(huán)時(shí)間的增長(zhǎng)，導(dǎo)致返回地面的鉆井鉆井液比凍土層或天然氣水合物儲(chǔ)層溫度高，從而引起凍土段（或凍結(jié)巖石段）擴(kuò)徑或天然氣水合物井底分解，所以也必須對(duì)鉆井液溫度進(jìn)行及時(shí)的冷卻。

1 高溫鉆井液冷卻技術(shù)現(xiàn)狀

目前，在高溫鉆井中，對(duì)高溫鉆井液的冷卻處理一般采取的措施有如下幾種。

（1）自然蒸發(fā)冷卻。由于井內(nèi)鉆井液返回地面的溫度高于環(huán)境溫度，鉆井液沿地面循環(huán)系統(tǒng)中會(huì)蒸發(fā)冷卻而自然降溫，利用該現(xiàn)象采取加長(zhǎng)地面循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)路線的措施，可以在一定程度上達(dá)到冷卻鉆井液的目的。

（2）低溫固體傳導(dǎo)冷卻。向泥漿罐中投放低溫固體，比如冰塊，冰塊主要通過(guò)熱傳導(dǎo)方式來(lái)冷卻鉆井液。

（3）鉆井液冷卻裝置強(qiáng)制冷卻。當(dāng)返回鉆井液溫度較高，進(jìn)出井溫差過(guò)大時(shí)，需采用鉆井液冷卻裝置強(qiáng)制冷卻，包括板式換熱器，噴淋換熱器，冷卻介質(zhì)包括冷水（海水）、乙二醇，輔助風(fēng)冷等。

2 低溫鉆井液冷卻技術(shù)現(xiàn)狀

在凍土層如北極圈凍土帶鉆井中，如果鉆井液循環(huán)溫度高于凍土層溫度會(huì)引起一系列問(wèn)題，如地層凍土消融引起井壁失穩(wěn)，更嚴(yán)重會(huì)引起地面不均勻沉降使鉆塔傾斜等。

在天然氣水合物鉆井中，如果鉆井液循環(huán)溫度高于水合物層溫度引起水合物分解，會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題，如大量氣體分解，使井徑擴(kuò)大，套管被壓扁，使井口裝置或防噴器失去承載能力而發(fā)生傾斜，將喪失井壓控制手段，有可能導(dǎo)致井噴及井塌事故。分解后的氣體可能破壞周圍環(huán)境，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)溶洞，使天然氣水合物地層下沉，出現(xiàn)地基沉降事故^[2]。

在低溫鉆井液冷卻技術(shù)領(lǐng)域，最著名的公司是美國(guó)Drillcool公司，其鉆井液冷卻裝置的原理是使用氨水制冷機(jī)組通過(guò)板式換熱器制冷乙二醇溶液，冷卻后的乙二醇溶液再通過(guò)螺旋換熱器冷卻鉆井液^[3]，達(dá)到控制鉆井液溫度的目的。

2008年冬季，我國(guó)在青海木里盆地天然氣水合物取樣鉆探時(shí)，環(huán)境溫度低至-20℃以下，采用低流量返回地面鉆井液在地面循環(huán)系統(tǒng)中自然冷卻降溫，進(jìn)井鉆井液溫度維持在4℃左右，并取得了天然氣水合物巖心，但凍土層段擴(kuò)徑現(xiàn)象比較明顯^[4]?；诖思执髮W(xué)研制了適用于凍土帶水合物鉆探的新型鉆井液冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)鉆井液的快速冷卻，同時(shí)能將鉆井液動(dòng)態(tài)維持在低溫范圍內(nèi)^[5]。

隨著油氣勘探不斷加深以及水合物藏的開(kāi)發(fā)日趨緊迫，鉆井液冷卻技術(shù)作用會(huì)愈發(fā)凸顯，而目前國(guó)內(nèi)對(duì)于鉆井液冷卻技術(shù)的研究還處于以自然蒸發(fā)冷卻為主，僅在近年來(lái)的高溫地?zé)峋蛢鐾翈У乃衔锟碧街醒邪l(fā)了專用的冷卻裝置，沒(méi)有形成一個(gè)完整的體系，未來(lái)可通過(guò)綜合運(yùn)用不同的冷卻方式，甚至利用高溫鉆井液自身的溫度進(jìn)行發(fā)電，進(jìn)而部分代替井隊(duì)發(fā)電機(jī)，同時(shí)經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)和泥漿罐自然冷卻三步冷卻降溫，可以大幅降低鉆井液溫度，并能節(jié)約大量電能和油料。

4 結(jié)論

在國(guó)外高溫鉆井液冷卻技術(shù)已經(jīng)比較成熟，鉆井液冷卻裝備也較多。在我國(guó)，鉆井液冷卻裝置在地?zé)徙@井中也有應(yīng)用，對(duì)高溫鉆井液冷卻技術(shù)針對(duì)性研究也有一定進(jìn)展，但未形成產(chǎn)業(yè)化的冷卻系統(tǒng)。

在凍土帶鉆井時(shí)，由于天然氣水合物的特殊的溫壓特性，鉆井一般采用分解抑制法，即通過(guò)鉆井液冷卻，使鉆井液進(jìn)井溫度保持在低溫范圍內(nèi)（-4～4℃），在美國(guó)，低溫鉆井液冷卻技術(shù)在1988年受到重視并得以應(yīng)用，到目前該技術(shù)已較成熟。我國(guó)近年來(lái)研制出了一套適用于天然氣水合物鉆井低溫鉆井液冷卻的系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]汪仲英.高溫蒸汽地?zé)崽镢@井與成井主要技術(shù)問(wèn)題[J].探礦工程，1979，（5）：57-63.

[2]蔣國(guó)盛，王達(dá)，湯鳳林，等.天然氣水合物的勘探與開(kāi)發(fā)[M].湖北武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)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]張永勤，孫建華，賈志耀，等.中國(guó)陸地永久凍土帶天然氣水合物鉆探技術(shù)研究與應(yīng)用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（S1）：22-28.

[5]李國(guó)圣，孫友宏，郭威.天然氣水合物鉆井泥漿冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2011，38（2）：8-11.

作者簡(jiǎn)介：劉英偉（1983-）男，漢族，中海油能源發(fā)展工程技術(shù)分公司，中級(jí)工程師，主要從事鉆井和井控技術(shù)研究。

（作者單位：中海油能源發(fā)展工程技術(shù)分公司）