CN110763050B - 一种用于油基钻井液地面降温处理的冷却介质及冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于油基钻井液地面降温处理的冷却介质，包括如下重量份的组分：100份乙二醇、0.5‑0.7份三乙二醇桥联环糊精、0.8‑1.0份铜纳米颗粒、0.25‑1.0份十二烷基苯磺酸钠以及40‑45份水。采用该冷却介质进行油基钻井液地面降温处理的冷却装置，包括：钻井液储罐、一级板式冷却器、二级板式冷却器、超声波辐射槽、冷水机；两个板式冷却器的板束呈立式设置；冷水机用以对冷却介质进行降温处理，冷水机连接超声波辐射槽，用以对冷却介质进行超声波分散，超声波辐射槽的出液口分别与两个板式冷却器的冷却介质入口连接。本发明的冷却介质与冷却装置配合使用，具有所用介质导热系数高、所占空间小等特点，从而可有效防止导向工具信号异常，延长导向工具使用寿命。

Description

一种用于油基钻井液地面降温处理的冷却介质及冷却装置

技术领域

本发明涉及高温井钻井液降温处理技术领域，特别是一种用于高温井油基钻井液地面降温处理的冷却介质及冷却装置。

背景技术

因页岩气具有埋藏深和分散特点，使用水平井开采效果明显好于直井。水平井钻井一般采用油基钻井液，但由于地层温度高，致使常规的导向工具***无法适应，钻进时会发生工具信号传输异常，甚至出现导向工具无信号的现象，使钻井作业无法进行。目前，从导向工具自身材料方面，尚未找到有效的解决办法，因此，为了防止导向工具信号异常和延长导向工具使用寿命，针对高温井油基钻井液，急需一种高效的地面降温处理方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效的用于高温井油基钻井液地面降温处理的冷却介质和配套使用的冷却装置。

本发明提供的用于油基钻井液地面降温处理的复配型冷却介质，包括如下重量份的组分：100份乙二醇、0.5-0.7份三乙二醇桥联环糊精、0.8-1.0份铜纳米颗粒、0.25-1.0份十二烷基苯磺酸钠以及40-45份水。其中，铜纳米颗粒的粒径是20nm-40nm。乙二醇的质量百分浓度是98％。

该冷却介质的制备方法是：先将乙二醇加入搅拌釜中，在60rpm搅拌下加入三乙二醇桥联环糊精和金属铜纳米颗粒，继续搅拌15min后加入十二烷基苯磺酸钠和水，提高转速到2000rpm，得到复配型冷却介质。

金属铜不仅资源丰富、价格低廉，而且具有较强的局域表面等离子共振，呈现良好的电化学性能和导热性能等。但铜纳米颗粒尺寸的均匀性差，易团聚，不宜长时间保存，容易被氧化。针对该问题，本发明采用三乙二醇桥联环糊精做分散剂，利用了铜氧化后表面的羟基与桥联环糊精的三乙二醇产生氢键作用，形成“超分子胶束”结构，不仅避免了纳米铜颗粒团聚问题，而且环糊精外壁的亲水性使其更容易在乙二醇溶液中分散，使形成降温介质体系也更加均匀和稳定。“超分子胶束”分子结构如下：

本发明提供的与上述冷却介质配套使用的冷却装置，其结构包括：钻井液储罐、一级板式冷却器、二级板式冷却器、超声波辐射槽、冷水机。

所述一级板式冷却器和二级板式冷却器的板束呈立式设置。板片材质选用SS30408不锈钢，钻井液在宽通道侧，通道间距12mm。冷却介质在窄通道侧，通道间距8mm。所述钻井液储罐顶部设置钻井液进口和氮气注入孔。钻井液储罐内液面上方的空间填充氮气，用来保护钻井液，防止钻井液与空气接触。钻井液储罐下部的出液口通过钻井液泵连接一级板式冷却器底部的进液口。一级板式冷却器顶部的出液口连接二级板式冷却器顶部的进液口。二级板式冷却器底部设置冷却后低温钻井液出口，低温钻井液返回钻井***。

冷却介质储罐内盛装上述的复合型冷却介质。冷水机的进液口连接冷却介质储罐，冷水机用以对冷却介质进行降温处理，冷水机选用化工防爆撬装风冷螺杆式冷水机。冷水机出液口连接超声波辐射槽，用以对降温处理后的冷却介质进行超声波分散，进一步防止冷却介质中的金属铜颗粒沉降，保证金属铜颗粒在冷却介质中分散均匀。超声波辐射槽的出液口通过三通阀分别与一级板式冷却器和二级板式冷却器底部的冷却介质入口连接，一级板式冷却器和二级板式冷却器顶部的冷却介质出口均通过管道连接至冷水机的进液口，通过冷水机对热交换后排除的高温冷却介质进行降温处理，然后循环使用冷却介质。

板片材质选用SS30408不锈钢，有效解决腐蚀问题。钻井液在宽通道侧，通道间距12mm，流速为0.6-1.6m/s，冷却介质在窄通道侧，通道间距8mm，流速为1.8-2.6m/s。进一步优选的是，钻井液在宽通道侧，流速为1.2m/s，降温介质在窄通道侧，流速为2.1m/s。

冷却装置工艺过程如下：

用泥浆泵将需冷却的高温钻井液装入带有氮气保护的钻井液储罐中，通过钻井液泵将储罐中钻井液送入一级板式换热器，然后进入二级板式换热器，经过两次冷却后，得到的低温钻井液返回钻井***；另一方面，复合型冷却介质经冷水机冷却和超声波辐射槽分散后分别进入一级板式换热器和二级板式换热器，与钻井液进行换热。一级板式冷却器的冷却介质与钻井液为并流换热，二级板式冷却器的冷却介质与钻井液为逆流换热。板式换热器对钻井液而言为二级串联操作，对冷却介质而言为并联操作。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

(1)复合型降温介质因铜纳米颗粒的加入显著地提高传热介质的导热系数；十二烷基苯磺酸钠为表面活性物质，其两亲作用能够显著改善铜纳米颗粒在乙二醇水溶液中的稳定性；本发明采用了环糊精添加剂，三乙二醇桥联环糊精因具有疏水空腔和良好的水溶性，其组装作用不仅可促进铜纳米颗粒分散，使金属纳米不易聚集，从而克服了易沉淀缺点，还能够防治冷却介质体系起泡。

(2)板式换热器具有占地面积小和效率高的特点，使钻井液降温装置能够狭小的钻井作业平台应用；因板式换热器全部采用外置，具有检修方便特点；板束的形式为立式，有效抑制料浆的结疤；

(3)钻井液在宽通道侧，因其高流速带动含有固体颗粒的浆液在板片表面流动，从而避免了积料或堵塞；

(4)采用冷水机对一级板式换热器和二级板式换热器排出的高温冷却介质进行降温冷却处理，达到循环使用冷却介质，克服了钻井作业平台没有水源或水源供给困难问题。

(5)本发明的钻井液冷却方法具有所用介质导热系数高、所占空间小等特点，从而可有效防止导向工具信号异常，延长导向工具使用寿命。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1、本发明的高温井油基钻井液降温冷却装置结构示意图。

图中标号：

钻井液进口1、钻井液储罐2、钻井液泵3、一级板式冷却器4、二级板式冷却器5、低温钻井液出口6、超声波辐射槽7、冷水机8、冷却介质进液口9、氮气注入孔10、冷却介质储罐11、阀门12。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种用于高温井油基钻井液地面降温处理的冷却介质，具体制备方法：将质量分数为98％的100kg乙二醇加入2.0立方米的搪瓷搅拌釜中，在60rpm搅拌下加入0.5kg的三乙二醇桥联环糊精和0.8kg的20nm-40nm金属铜纳米颗粒，继续搅拌15min后加入0.25kg十二烷基苯磺酸钠和水40kg，提高转速到2000rpm，搅拌15min，得到复配型冷却介质。

实施例2

如图1所示，本发明提供的与冷却介质配套使用的冷却装置，其结构包括：钻井液储罐2、一级板式冷却器4、二级板式冷却器5、超声波辐射槽7、冷水机8。

所述一级板式冷却器和二级板式冷却器的板束呈立式设置。板片材质选用SS30408不锈钢，钻井液在宽通道侧，通道间距12mm。冷却介质在窄通道侧，通道间距8mm。所述钻井液储罐顶部设置钻井液进口1和氮气注入孔10。钻井液储罐内液面上方的空间填充氮气，用来保护钻井液，防止钻井液与空气接触。钻井液储罐下部的出液口通过钻井液泵3连接一级板式冷却器底部的进液口。一级板式冷却器顶部的出液口连接二级板式冷却器顶部的进液口。二级板式冷却器底部设置冷却后低温钻井液出口6，低温钻井液返回钻井***。

所述冷却介质储罐11内盛装上述的复合型冷却介质。冷却介质储罐与冷水机的进液口连接，且在连接管路上设置阀门12。所述冷水机8用以对冷却介质进行降温处理，冷水机选用化工防爆撬装风冷螺杆式冷水机。冷水机出液口连接超声波辐射槽7，用以对降温处理后的冷却介质进行超声波分散，防止冷却介质中的金属铜颗粒沉降，使得金属铜颗粒在冷却介质中分散均匀。超声波辐射槽的出液口通过三通阀(未示出)分别与一级板式冷却器、二级板式冷却器底部的冷却介质入口连接，一级板式冷却器和二级板式冷却器顶部的冷却介质出口均通过管道连接至冷水机的冷却介质进液口9，通过冷水机对高温的冷却介质进行降温处理，然后循环使用冷却介质。

用泥浆泵将需冷却的70℃的油基钻井液加入到带有氮气保护的钻井液储罐2中，待钻井液占储罐内体积1/2以上时，在实施例1制备的复合型冷却介质循环状态下，以30L/s的排量通过钻井液泵3均匀地将油基钻井液送入到一级板式换热器4，再进入到二级板式换热器5中，测得二级板式换热器5排除的低温钻井液温度为37.2℃。

实施例3

将实施例1中的三乙二醇桥联环糊精改为0.7kg，金属铜纳米颗粒改为1.0kg，其他组分加量不变，得到一种复合型冷却介质。

采用该冷却介质和实施例2中的冷却装置配合使用。70℃的油基钻井液经过冷却后，测得二级板式换热器5排除的低温钻井液温度为28.6℃。

实施例4

一种用于高温井油基钻井液地面降温处理的冷却介质，具体制备方法同实施例1，不同之处是，十二烷基苯磺酸钠加量1.0kg，水加量45kg。

采用该冷却介质和实施例2中的冷却装置配合使用。70℃的油基钻井液经过冷却后，测得二级板式换热器5排除的低温钻井液温度为35.6℃。

综上所述，本发明给出了乙二醇、三乙二醇桥联环糊精、铜纳米颗粒、十二烷基苯磺酸钠和水构成的复合型冷却介质，并利用该冷却介质发明了与冷却介质配套使用的钻井液降温冷却装置。该装置主要特征在于采用了双板式换热器串联冷却钻井液，并联冷却介质的流程，冷水机出口采用超声波辐射槽强化纳米颗粒分散工艺流程。与现有钻井液冷却技术方法相比，具有所用介质导热系数高、所占空间小等特点，从而可有效防止导向工具信号异常，延长导向工具使用寿命。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种油基钻井液地面降温处理的冷却装置，其特征在于，包括：钻井液储罐、一级板式冷却器、二级板式冷却器、超声波辐射槽、冷水机、冷却介质储罐；

所述一级板式冷却器和二级板式冷却器的板束呈立式设置，所述钻井液储罐内液面上方的空间填充氮气，钻井液储罐下部的出液口通过钻井液泵连接一级板式冷却器底部的进液口，一级板式冷却器顶部的出液口连接二级板式冷却器顶部的进液口，二级板式冷却器底部设置钻井液出口；

所述冷水机的进液口连接冷却介质储罐，用以对冷却介质进行降温处理，冷水机的出液口连接超声波辐射槽，用以对降温处理后的冷却介质进行超声波分散，超声波辐射槽的出液口通过三通阀分别与一级板式冷却器、二级板式冷却器底部的冷却介质入口连接，一级板式冷却器和二级板式冷却器顶部的冷却介质出口均通过管道连接至冷水机的进液口；

所述冷却介质储罐中的冷却介质包括如下重量份的组分：100份乙二醇、0.5-0.7份三乙二醇桥联环糊精、0.8-1.0份粒径20-40nm的铜纳米颗粒、0.25-1.0份十二烷基苯磺酸钠以及40-45份水；所述乙二醇的质量百分浓度是98％；冷却介质由如下方法制备而成：先将乙二醇加入搅拌釜中，在60rpm搅拌下加入三乙二醇桥联环糊精和金属铜纳米颗粒，继续搅拌15min后加入十二烷基苯磺酸钠和水，提高转速到2000rpm，得到复配型冷却介质。

2.如权利要求1所述的油基钻井液地面降温处理的冷却装置，其特征在于，一级板式冷却器和二级板式冷却器的板束的形式为立式，板片材质选用SS30408不锈钢，钻井液在宽通道侧，通道间距12mm，流速为0.6～1.6m/s，冷却介质在窄通道侧，通道间距8mm，流速为1.8～2.6m/s。

3.如权利要求2所述的油基钻井液地面降温处理的冷却装置，其特征在于，钻井液在宽通道侧，流速为1.2m/s，降温介质在窄通道侧，流速为2.1m/s。

4.如权利要求1所述的油基钻井液地面降温处理的冷却装置，其特征在于，所述钻井液储罐顶部设置钻井液进口和氮气注入孔。

5.如权利要求1所述的油基钻井液地面降温处理的冷却装置，其特征在于，所述冷水机为化工防爆撬装风冷螺杆式冷水机。

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